تمرکز تنش  چیست؟

• آموزش, بلاگ, خدمات

تمرکز تنش به وضعیتی گفته می شود که در آن تنش (استرس) در یک نقطه خاص از سازه یا قطعه به‌طور قابل توجهی بیشتر از سایر نقاط است. تمرکز تنش در اباکوس (ABAQUS) یکی از موضوعات مهم در تحلیل‌های مکانیکی است، به ویژه در مسائلی که شامل نقاط یا نواحی با تغییرات سریع در بارگذاری یا هندسه است. این اتفاق معمولاً به دلیل تغییرات در شکل یا وجود ناپیوستگی‌ها در ماده، مانند گوشه‌های تیز، سوراخ‌ها، یا شکاف‌ها به وجود می‌آید. به عنوان مثال، اگر در یک  صفحه فلزی سوراخی وجود داشته باشد، اطراف این سوراخ تنش زیادی ایجاد می شود. این نقطه همان نقطه ایی است که به آن می گوییم ناحیه تمرکز تنش.

همچنین نمونه کاری از ارزیابی تنش ضربه ای، تماسی و خستگی ناحیه اتصال ریل خطوط راه آهن ایران وجود دارد که ما انجام داده ایم ومی توانید تحلیل ما را بررسی کنید.

ضریب تمرکز تنش (Kt)

ضریب تمرکز تنش (Kt) به معنی نسبت بیشترین تنش در نقطه‌ای خاص نسبت به تنش متوسطی است که در شرایط عادی و بدون عوامل تمرکز تنش در نظر گرفته می‌شود. به عبارت دیگر، Kt  مقیاس‌گذار نحوه افزایش تنش در اثر وجود نواحی خاص یا تغییرات هندسی در یک قطعه است.

فرمول تمرکز تنش : Kt=σmax/σnominal ​​

که در آن:

• σmax ​: تنش حداکثری است که در ناحیه تمرکز تنش رخ می‌دهد.

• σnominal : تنش میانگین یا نرمال است که در صورت عدم وجود تمرکز تنش در نظر گرفته می‌شود.

چرا تمرکز تنش  اهمیت دارد؟

تمرکز تنش در گوشه ها از اهمیت بالایی برخوردار است زیرا می‌تواند به آسیب‌های موضعی، ترک‌خوردگی‌ها، یا حتی شکست‌های ناگهانی منجر شود . اگر مهندسین در طراحی سازه یا قطعه به این مسئله توجه نکنند، ممکن است آن قطعه یا سازه تحت بارگذاری‌های معمولی نیز با مشکل مواجه شده و دچار شکست گردد.

تحلیل اجزای محدود (FEA) و تمرکز تنش

تحلیل اجزای محدود (FEA) یک روش محاسباتی قدرتمند و دقیق برای تحلیل رفتار سازه‌ها و قطعات تحت بارهای مختلف است . در این روش، سازه به تعداد زیادی المان‌های کوچک تقسیم شده و برای هر المان، معادلات مختلفی حل می شود تا توزیع تنش و تغییر شکل کل سازه مشخص گردد.

برای تحلیل تمرکز تنش در  FEA ، نقاطی که شکل یا ماده تغییر خاصی دارند، مانند گوشه‌ها، سوراخ‌ها، یا جوش‌ها، دقیق‌تر تحلیل می شوند. در این تحلیل مشخص می‌شود که در این نقاط، تنش‌ها می‌توانند بسیار بیشتر از سایر نقاط باشند.

اهمیت تحلیل‌های مقایسه‌ای: در بسیاری از پروژه‌ها، مقایسه نتایج تحلیل FEA با تحلیل‌های دستی یا روش‌های تحلیلی دیگر می‌تواند به درک بهتر و اعتبارسنجی نتایج کمک کند. این مقایسه‌ها می‌توانند نقاط ضعف و قوت مدل‌سازی را روشن کنند و به بهبود نتایج کمک کنند.

چطور تمرکز تنش را در FEA مدیریت کنیم؟

1. مش‌بندی دقیق‌تر در نقاط حساس: برای مدل‌سازی دقیق‌تر تمرکز تنش، باید در نقاطی که احتمال تمرکز تنش بالا است، مانند گوشه‌های تیز یا سوراخ‌ها، از مش‌بندی کوچکتر استفاده کنیم.

2. استفاده از مواد مناسب:  در برخی موارد می توان با تغییر مواد در نقاطی که تمرکز تنش بالا است، مقاومت سازه را افزایش داد.  به عنوان مثال از موادی که تحمل تنش بالاتری دارند، استفاده کرد.

3. تغییر شکل‌های هندسی: با اصلاح شکل هندسی ناحیه تمرکز تنش می‌توان تنش را کاهش داد. به عنوان مثال، استفاده از گوشه‌های گرد به جای تیز می‌تونه موثر باشد.

4. انجام تحلیل‌های دقیق‌تر: در بعضی موارد، تحلیل‌های غیرخطی یا دینامیکی برای درک بهتر رفتار واقعی سازه ضروری هستند.

5. مدیریت بارهای غیرمستقیم و ترکیبی: تمرکز تنش می‌تواند تحت بارهای غیرمستقیم یا ترکیبی تغییر کند. تحلیل بارهای ترکیبی و اثرات آن بر تمرکز تنش می‌تواند به درک بهتر از رفتار واقعی سازه در شرایط مختلف کمک کند.

نکات تکمیلی برای تحلیل تمرکز استرس در FEA

• خطاهای عددی در FEA :

 استفاده از المان‌های بسیار کوچک برای نقاط تمرکز تنش می‌تواند به خطاهای عددی منجر شود. بنابراین، باید تنظیمات مش‌بندی و تحلیل را با دقت انجام  داد و از روش‌های همگرایی مناسب استفاده کرد.

• رفتار غیرخطی مواد :

در نواحی با تمرکز تنش بالا، مواد ممکن است رفتار غیرخطی نشان دهند. یعنی رابطه بین تنش و کرنش  ممکن است خطی نباشد. در این شرایط، تحلیل‌های غیرخطی می‌توانند به ما کمک کنند تا رفتار واقعی ماده را بهتر پیش‌بینی کنیم.

• استفاده از فاکتورهای تمرکز تنش (SCF) :

این فاکتورها به ما کمک می‌کنند تا تأثیر ناپیوستگی‌ها و تغییرات شکل را به صورت تقریبی در طراحی در نظر بگیریم. این روش‌ها سریع‌تر هستند ولی دقت کمتری نسبت به FEA دارند.

• اهمیت داده‌های آزمایشگاهی :

مقایسه نتایج FEA با داده‌های آزمایشگاهی می‌تواند به اعتبارسنجی و بهبود مدل‌سازی کمک کند.

• اثر زمان و تکرار بارگذاری :

بارهای تکراری یا متغیر می‌توانند به خستگی و شکست‌های دیرهنگام منجر شوند. تحلیل‌های خستگی بر اساس بارگذاری‌های متغیر و بررسی اثرات آن بر تمرکز تنش می‌تواند به پیش‌بینی طول عمر سازه کمک کند.

• مدل‌سازی رفتار خستگی :

علاوه بر تحلیل‌های استاتیک، مدل‌سازی رفتار خستگی و پیش‌بینی عمر مفید سازه در شرایط بارگذاری‌های متغیر یا چرخه‌ای می‌تواند به پیشگیری از شکست‌های زودهنگام کمک کند. استفاده از مدل‌های خستگی و تست‌های دینامیکی می‌تواند به درک بهتری از عملکرد سازه در شرایط واقعی کمک کند.

• تأثیر شرایط محیطی :

شرایط محیطی مانند رطوبت، خوردگی، یا شرایط شیمیایی می‌توانند بر رفتار مواد و تمرکز تنش تاثیر بگذارند. بررسی اثرات محیطی در تحلیل‌های FEA می‌تواند به طراحی مقاوم‌تر و پایدارتر منجر شود.

• ملاحظات دینامیکی و خستگی (Fatigue) :

 تمرکز تنش در بارهای دینامیکی یا تکراری می‌تواند منجر به خستگی ماده شود. تحلیل‌های خستگی و دینامیکی می‌توانند به ما کمک کنند تا تاثیر تمرکز تنش بر عمر مفید سازه را بهتر درک کنیم

•  تحلیل حساسیت :

تحلیل حساسیت می‌تواند به شناسایی این که تغییرات کوچک در پارامترهای ورودی (مانند مشخصات ماده یا بارگذاری) چگونه بر نتایج تمرکز تنش تاثیر می‌گذارد، کمک کند. این تحلیل می‌تواند به تعیین اینکه کدام پارامترها بیشترین تاثیر را دارند و کجا نیاز به دقت بیشتر در مدل‌سازی است، کمک کند.

اثر دما بر تمرکز تنش :

دما می‌تواند تأثیر قابل توجهی بر تمرکز تنش داشته باشد. در برخی مواد، افزایش دما ممکن است موجب کاهش استحکام و مدول الاستیسیته شود که در نتیجه، تنش‌های موضعی افزایش می‌یابد. همچنین، تغییرات دمایی می‌تواند باعث انبساط یا انقباض موضعی شود که خود این امر نیز می‌تواند به تمرکز تنش منجر گردد. بنابراین، در تحلیل‌هایی که تحت شرایط دمایی مختلف انجام می‌شود، ضروری است که اثرات دما نیز در مدل تحلیل اجزای محدود (FEA) در نظر گرفته شود.

• پدیده‌های سطحی و اثرات میکروساختاری :

گاهی اوقات، تمرکز تنش به خاطر عیوب میکروسکوپی مثل ترک‌های کوچک، حفره‌ها یا ناپیوستگی‌های داخلی ماده به وجود می آید. این نواقص می توانند تنش‌های موضعی را  افزایش دهند و در نهایت باعث خرابی شوند. در طراحی قطعات حساس یا قطعاتی که تحت بارهای بالا کار می‌کنند، باید به این نواقص توجه ویژه‌ای کرد و در صورت لزوم از تکنیک‌های بازرسی پیشرفته مثل تست‌های غیر مخرب (NDT) استفاده کرد.

• بهینه‌سازی طراحی برای کاهش تمرکز تنش :

بهینه‌سازی طراحی یک راه حل موثر برای کاهش تمرکز تنش است. مهندسین می‌توانند با استفاده از نرم‌افزارهای CAD و بهینه‌سازی با روش المان محدود، شکل قطعات را  تغییر دهند تا تمرکز تنش کاهش پیدا کند. به عنوان مثال استفاده از فیلت‌ها (گوشه‌های گرد) به جای گوشه‌های تیز یا اضافه کردن تقویت‌کننده‌ها در نقاطی که تنش‌های موضعی بالا است.

مدل‌سازی پدیده‌های محلی : برخی از پدیده‌ها مانند تغییرات میکروسکوپی در سطح ماده می‌توانند تاثیر زیادی بر تمرکز تنش داشته باشند. استفاده از مدل‌سازی میکروسکوپی یا تکنیک‌های مدل‌سازی پیشرفته برای شبیه‌سازی دقیق‌تر این پدیده‌ها می‌تواند مفید باشد.

روش‌های بهینه‌سازی هندسی : استفاده از روش‌های بهینه‌سازی هندسی برای طراحی می‌تواند به کاهش تمرکز استرس کمک کند. این روش‌ها می‌توانند شامل تغییرات خودکار در طراحی برای به حداقل رساندن تنش‌ها و بهبود عملکرد سازه باشند.

• مدل‌های چند‌فیزیکی (Multiphysics Models) در FEA :

در برخی موارد، تمرکز تنش تنها به اثرات مکانیکی محدود نمی‌شود و باید اثرات دیگر مانند حرارت، سیالات، و الکترومغناطیس را نیز در نظر گرفت. مدل‌های چند‌فیزیکی می‌توانند به تحلیل دقیق‌تر اثرات ترکیبی کمک کنند. این مدل‌ها پیچیده‌تر هستند، ولی در شرایط خاص نتایج بسیار دقیقی ارائه می‌دهند.

• نقش تحلیل‌های پارامتریک :

تحلیل‌های پارامتریک می‌توانند به بررسی نحوه تغییر نتایج با تغییر پارامترهای مختلف (مانند ضخامت قطعه یا نوع ماده) کمک کنند. این تحلیل‌ها می‌توانند به طراحی‌های بهینه‌تر و مقاوم‌تر منجر شوند.

• اثرهای تغییر شکل پلاستیک :

در نواحی با تمرکز تنش بسیار بالا، ممکن است ماده وارد ناحیه پلاستیک شده و تغییر شکل دائمی کند. این حالت می‌تواند باعث تغییر توزیع تنش در سازه شود. در این شرایط، تحلیل‌های پلاستیک یا تحلیل‌های تغییر شکل دائمی می‌توانند مفید باشند تا رفتار ماده را بهتر درک کرده و مکان‌های احتمالی شکست را شناسایی کنند

• ملاحظات مربوط به کیفیت و دقت مش‌بندی :

کیفیت مش‌بندی (Mesh Quality) تأثیر زیادی بر دقت نتایج FEA دارد. المان‌های با شکل‌های نامناسب (مانند المان‌های بسیار باریک یا با زاویه‌های خیلی تند) می‌توانند به نتایج نادرست منجر شوند. همچنین، استفاده از المان‌های با اندازه مناسب در نواحی با تغییرات زیاد در تنش بسیار مهم است. تنظیمات خودکار مش‌بندی در نرم‌افزارهای FEA معمولاً تنظیمات پایه‌ای را انجام می‌دهند، ولی برای تحلیل‌های حساس، بهینه‌سازی دستی مش‌بندی می‌تواند نتایج بهتری ارائه دهد.

نتیجه‌گیری

تمرکز تنش  مسئله‌ای مهم در مهندسی سازه و مکانیک است که عدم کنترل آن می‌تواند به مشکلات جدی منجر شود. با استفاده از FEA و رعایت اصول طراحی و تحلیل دقیق، می‌توان این مسئله را به خوبی مدیریت کرد و از سلامت و استحکام سازه‌ها اطمینان حاصل نمود. به یاد داشته باشیم که ترکیب دانش تئوری، تجربیات عملی، تحلیل المان محدود و داده‌های آزمایشگاهی بهترین راه برای رسیدن به طراحی‌های ایمن‌تر و کارآمدتر است.

شرکت بنوموسی با ارائه جلسات منتورینگ آباکوس راهنمای شما عزیزان در جهت رفع و بهبود ایرادات فنی و مهندسی پروژه های صنعتی و دانشجوی تان در زمینه مدل‌سازی، تحلیل، و صحت‌سنجی نتایج می باشد. این جلسات به صورت آنلاین و حضوری برگزار می‌شود و نیم ساعت اول رایگان است. برای اطلاعات بیشتر و رزرو وقت، از صفحه منتورینگ اباکوس ما دیدن کنید.

برای استفاده از خدمات شبیه‌سازی و مشاوره رایگان ما، کافی است با ما تماس بگیرید. ما در تمام مراحل پروژه کنار شما هستیم تا بهترین نتایج را به‌دست آورید.

برای کسب اطلاعات بیشتر و دریافت منتورینگ ، لطفاً با ما تماس بگیرید یا از وب‌سایت Banumusagr بازدید کنید. تیم ما آماده است تا شما را در دستیابی به نتایج مطلوب در تحلیل‌های عددی و شبیه‌سازی‌های مهندسی یاری کند.

راه های ارتباطی با شرکت بنوموسی :

TELEGRAM : https://t.me/BanuMusaGr

ایمیل: info@BanuMusaGr.com

تلفن همراه:  388 20 55 0915

تلفن:  35424520– 51 (98+)

آدرس: مشهد – کیلومتر 12 بزرگراه آسیایی (جاده قوچان)- جاده شهرک صنعتی توس- شهرک فناوری صنایع غذایی و بیوتکنولوژی شمال شرق- معاونت صنایع کوچک- مرکز خدمات.