پیش بینی زمان عمر در بارگذاری خستگی پرچرخه به روش اجزای محدود بر اساس مکانیک آسیب پیوسته

آسیب فرآیندی است برگشت ناپذیر که با کاهش تدریجی مقاومت مکانیکی، زوال ماده را به دنبال دارد. مکانیک آسیب شاخه¬ای از مکانیک جامدات است که عوامل مکانیکی ناظر بر گسیختگی ماده تحت بارگذاری¬های مختلف را مورد مطالعه قرار می¬دهد. خستگی گونه ای از آسیب بوده که می تواند منجر به شکست ناگهانی قطعات گردد. بارگذاری خستگی در اثر تنش های چرخه ای که کمتر از تنش کششی نهایی یا حتی تنش تسلیم هستند، نتیجه می شود. نام خستگی بر اساس این مفهوم است که یک ماده تحت بارگذاری تکرار شونده خسته شده و در سطح تنش زیر مقاومت اسمی ماده وامانده می شود. عمر خستگی یک قطعه می تواند به صورت تعداد چرخه های بارگذاری لازم برای شروع یک ترک و گسترش آن تا اندازه بحرانی بیان شود. بنابراین می توان گفت که واماندگی خستگی در سه مرحله اتفاق می افتد: شروع ترک، رشد ترک آهسته-پایدار و شکست سریع. برای شروع ترک های خستگی سه عامل اساسی لازم است: اولاً الگوی بارگذاری باید شامل مقادیر اوج بیشینه و کمینه با اختلاف یا نوسان به حد کافی بزرگ باشد. مقادیر اوج ممکن است در کشش یا فشار بوده و یا بر حسب زمان تغییر کنند، اما چرخه بارگذاری معکوس شونده برای شروع ترک خستگی باید به حد کافی بزرگ باشد. ثانیاً سطوح تنش اوج بایستی مقادیر نسبتاً زیادی داشته باشند. اگر تنش های اوج خیلی کم باشند، هیچ ترکی شروع به رشد نخواهد کرد. ثالثاً ماده باید در معرض تعداد چرخه های بارگذاری زیاد قرار گیرد. تعداد چرخه های لازم به منظور شروع و رشد یک ترک در ابتدا بستگی به سه عامل فوق دارد. علاوه بر این سه عامل اساسی، دسته ای از متغیرهای دیگر از قبیل تمرکز تنش، خوردگی، دما، اضافه بار، سازه متالوژیکی و تنش های پسماند نیز وجود دارند که می توانند بر تمایل به خستگی تأثیر بگذارند. چون ترک های خستگی عموماً در سطح شروع به رشد می کنند، وضعیت سطح قطعه بارگذاری شده بر روی عمر خستگی آن اثر می گذارد. زبری سطح یک عامل مهم است زیرا به طور مستقیم به حد و تعداد تمرکزهای تنش بر روی سطح مربوط می شود. سطوح صاف مدت زمان زیادی طول می کشند تا ترک در آن ها جوانه بزند. شیارها، خراش ها و دیگر عوامل تمرکز تنش، عمر خستگی را کاهش می دهند. تنش پسماند سطح نیز یک اثر عمده بر روی عمر خستگی می گذارد؛ تنش های پسماند فشاری حاصل از ماشین کاری، سردکاری و عملیات حرارتی، باعث ایجاد یک بار کششی شده و درنتیجه دامنه بارگذاری چرخه ای را تنزل می دهند. در این پایان نامه، از مدل آسیب خستگی شابوش-لمتر برای پیش بینی واماندگی قطعات تحت بارگذاری خستگی پرچرخه به صورت تک محوره و چند محوره استفاده می شود. رشد آسیب خستگی در این مدل بر حسب تنش های بیشینه و کمینه در هر چرخه بوده که می تواند برای تسلیم ناهمسانگرد به کار رود. مدل آسیب شابوش-لمتر اثر تنش میانگین و نیز اثر تنش های فشاری را که باعث بسته شدن ترک می شود در نظر می گیرد. علاوه بر این در بارگذاری های چند مرحله ای، رشد آسیب را زیر حد خستگی امکان پذیر می سازد. این مدل در حالتی که مقادیر تنش های بیشینه و کمینه ثابت است، به طور مستقیم انتگرال گیری شده و تعداد چرخه های منجر به شکست به صورت یک رابطه بسته به دست می آید. در غیر این صورت، مدل به روش ضمنی انتگرال گیری شده و به صورت یک زیربرنامه ماده کاربر (umat) در نرم افزار abaqus/standard پیاده سازی عددی می گردد. هم چنین برای کاهش زمان حل مسئله از روش پرش درون چرخه ها، با تکیه بر شبیه سازی بارگذاری خستگی به صورت زیربرنامه دامنه کاربر (uamp)، استفاده می شود. برای راستی آزمایی زیربرنامه های تدوین شده، ابتدا یک المان مکعبی تحت بارگذاری چرخه ای کاملاً معکوس شونده قرار گرفته و نتایج آن برای حالت الاستوپلاستیک با مدل آباکوس مقایسه شده که تطابق خوبی نشان می دهد. سپس با در نظر گرفتن آسیب و نیز استفاده از روش پرش و بدون استفاده از روش پرش، نتایج با یکدیگر مقایسه می شوند. در ادامه سه نمونه بدون شیار، شیاردار vشکل و سوراخ دار تحت بارگذاری خستگی با نسبت تنش های متفاوت قرار گرفته و نتایج آن با نتایج تجربی و رابطه بسته مقایسه می گردند. در پایان به عنوان مطالعه موردی، اسپیندل روتور اصلی پره های یک بالگرد تحت بارگذاری خستگی قرار گرفته و عمر آن با نمونه عملی مقایسه می شود.