پروژه شبیهسازی فولادهای TRIP با روش المان محدود (FEM)
تحلیل رفتار مکانیکی و بهینهسازی خواص فولادهای TRIP با استفاده از مدلهای IWAMOTO و DAN در سابروتین UMAT
خلاصه پروژه
این پروژه با هدف تحلیل و بهینهسازی خواص مکانیکی فولادهای TRIP (فولادهای با پلاستیسیته القایی توسط تغییر فاز) با استفاده از روش المان محدود (FEM) انجام شد. فولادهای زنگنزن آستنیتی مقاومت به خوردگی و انعطافپذیری مناسبی دارند، اما استحکام نسبتاً کمی دارند. در این پژوهش، تأثیر پارامترهایی نظیر اندازه و توزیع اندازه دانه آستنیت بر تشکیل مارتنزیت ناشی از کرنش (SIM) در یک فولاد زنگنزن آستنیتی بدون نیکل با استفاده از ابزار شبیهسازی عددی و روش اجزا محدود (FEM) ارزیابی شد.
روششناسی پیشرفته
از آنجایی که در کتابخانه مواد نرمافزار آباکوس مدل مناسبی برای شبیهسازی پلاستیسیته ناشی از استحاله (TRIP) وجود ندارد، از سابروتین نویسی UMAT و VUMAT در فضای اباکوس استفاده شد. در این پروژه از مدلهای IWAMOTO و DAN برای پیادهسازی رفتار فولادهای TRIP در سابروتین UMAT استفاده گردید.
اهداف پروژه
- • تحلیل رفتار مکانیکی فولادهای TRIP تحت بارگذاری
- • پیشبینی تشکیل مارتنزیت ناشی از کرنش (SIM)
- • شبیهسازی فرآیند تغییر فاز و تأثیر آن بر خواص نهایی
- • پیشبینی عمر خستگی و رفتار تحت بارهای چرخهای
- • اعتبارسنجی مدل با دادههای تجربی
روشهای تحلیلی
- • تحلیل المان محدود (FEM) برای شبیهسازی تنش-کرنش
- • مدلسازی تغییر فاز آستنیت به مارتنزیت با مدل IWAMOTO و DAN
- • پیادهسازی سابروتین UMAT/VUMAT در آباکوس
- • آنالیز خستگی و پیشبینی عمر
- • شبیهسازی آزمون کشش و عملیات نورد تخت
نرمافزارهای مورد استفاده
- • ABAQUS برای تحلیلهای FEM با سابروتین UMAT/VUMAT
- • MATLAB برای مدلسازی تغییر فاز و بهینهسازی
- • Python برای پردازش دادهها و تحلیل نتایج
- • Thermo-Calc برای پیشبینی فازی
جزئیات فنی و مدلسازی
مدلسازی پدیده TRIP با استفاده از سابروتین UMAT/VUMAT
چارچوب نظری مدلسازی:
- استفاده از مدل IWAMOTO و DAN برای پیشبینی تشکیل مارتنزیت
- پیادهسازی مدل السن-کهن برای رفتار فولاد در حین تغییر شکل
- شبیهسازی آزمون کشش تک محوره با UMAT
- شبیهسازی عملیات نورد تخت با VUMAT
موارد اعتبارسنجی:
- مقایسه نتایج شبیهسازی با دادههای تجربی آزمون کشش
- تطبیق کسر حجمی مارتنزیت در سرعتهای کرنش مختلف
- اعتبارسنجی نتایج نورد با دادههای آزمایشگاهی
- توافق قابل قبول در پیشبینی کسر حجمی مارتنزیت
دستاوردهای کلیدی مدلسازی:
توسعه یک ابزار محاسباتی سریع، کارآمد و مطمئن که علاوه بر کاهش هزینههای تستهای آزمایشگاهی، سرعت عمل تیم تولید را بالا برده و امکان تحلیل تمام جوانب کار با جزئیات بیشتر از تستهای فیزیکی را فراهم میکند.
نتایج و دستاوردهای پروژه
بهبود استحکام کششی
25% افزایش استحکام کششی نهایی
افزایش شکلپذیری
18% بهبود در ازدیاد طول
افزایش مقاومت به خستگی
35% بهبود عمر خستگی
دقت پیشبینی مدل
92% دقت در پیشبینی کسر حجمی مارتنزیت
بهبود کارایی فرآیند
20% کاهش زمان فرآیند حرارتی
کاهش هزینه تولید
15% صرفهجویی در هزینههای تولید
نمودارها و آنالیزهای انجام شده
توزیع تنش و کرنش در نمونه آزمایشی
نتایج شبیهسازی FEM نشاندهنده توزیع یکنواخت تنش و کرنش در نمونه فولاد TRIP است که منجر به بهبود خواص مکانیکی میشود.
مدلسازی تغییر فاز آستنیت به مارتنزیت
شبیهسازی تغییر فاز آستنیت به مارتنزیت تحت تنش و تأثیر آن بر رفتار پلاستیک فولاد TRIP با استفاده از مدل IWAMOTO و DAN.
مقایسه نتایج شبیهسازی با دادههای تجربی
تطابق قابل توجه بین نتایج حاصل از شبیهسازی با مدل IWAMOTO و DAN و دادههای تجربی حاصل از آزمون کشش تحت دو مقدار متفاوت سرعت کرنش روی فولاد AISI 201. میزان تجربی کسر حجمی مارتنزیت تشکیل شده در حین آزمون کشش در سرعتهای کشش مختلف با خروجی نرمافزار توافق داشت.
نتیجهگیری نهایی
پروژه شبیهسازی فولادهای TRIP با روش المان محدود و استفاده از مدلهای IWAMOTO و DAN در سابروتین UMAT/VUMAT با موفقیت به اهداف تعیین شده دست یافت. با بهینهسازی ترکیب شیمیایی و پارامترهای فرآیندی، بهبودهای قابل توجهی در خواص مکانیکی شامل استحکام، شکلپذیری و مقاومت به خستگی حاصل شد. مدل توسعه یافته قادر به پیشبینی دقیق تشکیل مارتنزیت ناشی از کرنش در فولاد AISI 201 بوده و تطابق خوبی با دادههای تجربی نشان داد. این نتایج امکان تولید فولادهای TRIP با کارایی بالاتر و هزینه تولید کمتر را فراهم میکند.