17737

17737

بررسي تأثير هندسه قطعه بر رفتار شكست و خستگي قطعات ترك¬دار با استفاده از روش انرژي

دكتري

طراحي كاربردي - مكانيك جامدات

اسفند 1395

دكتر آيت اللهي

دكتر فيلپو برتو

مكانيك

در اين رساله، مدل¬هاي شكست مود تركيبي بر پايه انرژي كرنشي تعميم داده شده و براي پيش بيني چقرمگي شكست مواد ترد و شبه ترد استفاده شده است. اين مدل¬هاي شكست تعميم يافته شامل معيارهاي حداقل چگالي انرژي كرنشي و حداقل چگالي انرژي كرنشي متوسط مي¬باشد. اين معيار¬ها از سه پارامتر مربوط به ترك، شامل ترم¬هاي ضريب شدت تنش مود I و مود II و ترم تنش T تشكيل شده¬اند. هدف اصلي اين پايان¬نامه نشان دادن تأثير ترم تنش T بر روي ضريب شدت تنش مود I بحراني، مسير رشد ترك در مود I و همچنين چقرمگي شكست مود تركيبي I/II مواد ترد با استفاده از اين معيارهاي بر پايه انرژي مي¬باشد. همچنين با استفاده از اين معيارهاي تعميم يافته، نرخ رشد ترك و عمر قطعات ترك-دار در بارگذاري خستگي بررسي شده و تأثير هندسه قطعه روي آن¬ها پيش¬بيني شده است. ضريب شدت تنش مود I بحراني بدست آمده از آزمايش¬هاي شكست بر روي يك قطعه آزمايشگاهي اغلب به عنوان چقرمگي شكست در نظر گرفته مي¬شود. در حالي كه با تغيير هندسه قطعه، مقدار مقاومت ماده در برابر شكست در مود I بارگذاري تغيير مي¬كند. به طور مثال در ماده PMMA اين مقدار بين 0.7 MPa.m0.5 تا 1.4 MPa.m0.5 تغيير مي¬كند و اين معيارهاي تعميم يافته اين تغييرات را به خوبي پيش-بيني مي¬كنند. همچنين مسير رشد ترك براي پنج هندسه مختلف از جنس PMMA به صورت تئوري و آزمايشگاهي مورد بررسي قرار گرفته است. در حالي كه تمامي قطعات تحت بارگذاري مود I مي¬باشند، در بعضي اشكال هندسي انحراف ترك از مسير اوليه رخ مي¬دهد كه اين مقدار انحراف وابسته به هندسه و شرايط بارگذاري مي¬باشد. نشان داده شده است كه تفاوت مسيرهاي رشد ترك و مقدار مقاومت در برابر شكست براي قطعاتي با هندسه¬هاي متفاوت وابسته به مقدار و علامت ترم تنش T مي¬باشد. در ادامه نتايج تئوري حاصل از اين معيار¬هاي تعميم يافته بر پايه انرژي با نتايج آزمايشگاهي چقرمگي شكست مود تركيبي گزارش شده در تحقيقات گذشته كه روي مواد ترد و شبه تردي مانند PMMA و سنگ انجام گرديده است، مقايسه شده و نشان داده شده است كه معيارهاي تعميم يافته نسبت به معيارهاي متداول كه فاقد ترم تنش T مي¬باشند نتايج آزمايشگاهي را به مراتب بهتر پيش¬بيني مي¬نمايند. در حالي كه در بعضي موارد اختلاف بين پيش¬بيني¬هاي حاصل از معيارهاي متداول فاقد ترم تنش T و نتايج آزمايشگاهي چقرمگي شكست مود تركيبي به بيش از 100% درصد مي¬رسد. همچنين با استفاده از يك هندسه پيشنهاد شده، يك سري آزمايش¬هاي مود تركيبي I/II (از مود I خالص تا مود II خالص) بر روي سنگ مرمر سفيد قروه انجام گرديده و مطابقت بسيار خوب نتايج آزمايشگاهي با نتايج حاصل از معيارهاي پيشنهاد شده ارائه شده است. در نهايت با انجام آزمايش¬هاي خستگي پر چرخه بر روي نمونه¬هايي از جنس آلومينيوم 7075 براي چهار هندسه مختلف با مقادير تنش T مثبت و منفي گوناگون، نشان داده شده است كه نرخ رشد ترك و عمر اين قطعات ترك¬دار به ¬خوبي توسط اين معيارهاي تعميم يافته بر پايه انرژي قابل پيش¬بيني مي¬باشد.

1396/06/15

1/1/1900 12:00:00 AM

In this thesis, the strain energy-based fracture models are extended to predict the mixed mode fracture toughness in brittle and quasi-brittle materials. The two developed energy-based methods are the strain energy density and the averaged strain energy density. The modified criteria contain three key crack parameters including: the mode I and mode II stress intensity factors and the T-stress. The main goal of the current thesis is to investigate the effect of T-stress on the critical mode I stress intensity factor, crack trajectory under mode I loading and the mixed mode fracture toughness of brittle materials using modified energy-based models. Also, the effect of geometry on crack growth rate and life in cracked components under fatigue loading has been investigated by the modified criteria. The critical mode I stress intensity factor (SIF) obtained from fracture tests on laboratory specimens is often used as fracture toughness. However, the fracture resistance under mode I loading is considerably influenced by the geometry and loading conditions. For example, the critical stress intensity factor of PMMA varies from 0.7 to 1.4 MPa.m0.5. The proposed modified criteria could provide very good estimates of the critical SIF for this wide range of data. Also, the crack trajectory of PMMA samples was investigated experimentally and theoretically for five different geometries. Although all the specimens were tested under pure mode I loading conditions, but in some cases, the crack growth kinked from the original crack line in a non-coplanar way. The crack growth deviation was related to the geometry and loading conditions. The discrepancies observed between the crack trajectories and the fracture strengths of different tested specimens were found to be related to the magnitude and sign of the T-stress. The theoretical results obtained from the generalized strain energy density criterion were then compared with the experimental results reported in previous studies for PMMA and rock. It was shown that the results predicted using the modified criterion were in significantly better agreement with the experimental results compared with the conventional criterion. In some cases, the discrepancy between the results predicted using the conventional criterion and experimental results was higher than 100%. Also, a series of mixed-mode fracture experiments was conducted on Ghorveh white marble using proposed geometry. Very good agreement was shown to exist between the theoretical predictions and the experimental results. Different samples with positive and negative T-stresses were used to conduct high cycle fatigue experiments on Al-7075. It was shown that the modified criteria can predict the crack growth rate and the fatigue life of the pre-cracked specimens very well.