27693

تحليل تنش در شيارهاي موجود در محل اتصال دو ماده به كمك روش‌هاي تحليلي و آزمايشگاهي

دكتري تخصصي (PhD)

مهندسي مكانيك- طراحي كاربردي

1397

1401/10/4

مجيدرضا آيت اللهي

مهندسي مكانيك

در اين مطالعه، ابتدا با استفاده از فرضيات تئوري الاستيسيته و روابط موجود براي شيارهاي تك‌ماده، روابط تحليلي براي انواع شيارهاي دو ماده‌اي نوك‌گرد و نوك‌تيز توسعه داده مي‌شوند. براي تحليل شيارهاي دو ماده‌اي نوك‌تيز، انواع اتصالات چسبي مورد تحليل و بررسي قرار مي‌گيرند. به‌منظور مطالعه جامع بر روي توزيع تنش شيارهاي نوك‌گرد، نمونه خمش سه نقطه با شيار دو ماده‌اي نوك‌گرد، در مرحله‌ي بعدي مورد استفاده قرار مي‌گيرد. سپس، روش فرامعين براي محاسبه‌ي ضرايب تكين و غيرتكين شيارهاي دو ماده‌اي، به كار گرفته مي‌شود، و در ادامه اثر پارامترهاي غيرتكين در توزيع تنش‌ اطراف گوشه‌هاي اتصال به‌صورت تحليلي و با استفاده از روش اجزاء محدود مورد بررسي قرار مي‌گيرد. با تحليل اجزاء محدود قطعات پيشنهادي، نشان داده شد كه عبارات غيرتكين در توزيع تنش محيطي اطراف گوشه‌هاي اتصال سهم قابل‌توجهي دارند؛ به‌طوري‌كه در نظر نگرفتن اين ضرايب ممكن است باعث بروز خطاي بزرگي در محاسبه‌ي بيشينه تنش محيطي و در نتيجه شروع شكست گوشه اتصال شود. علاوه بر اين، با استفاده از روش انطباق تصاوير ديجيتال، ضرايب شدت تنش و جملات مراتب بالاتر ميدان تنش تجربي براي قطعات شياردار با هندسه‌هاي نوك شيار VO، U و كليدي شكل، كه تحت رژيم‌هاي مختلف بارگذاري شامل كشش خالص، خمش خالص، فشار خالص، مود II خالص و مود تركيبي I/II قرار دارند، محاسبه مي‌گردند. يافته‌ها حاكي از آن بود، در نظر گرفتن ضريب شدت تنش، به‌تنهايي، منجر به عدم دقت در نتايج توزيع تنش تجربي در مقايسه با روش اجزاء محدود مي‌شود. همچنين مشخص شد كه ضرايب مجهول مرتبه‌ي بالاتر با دقت بسيار خوبي محاسبه شده‌اند. علاوه بر اين، با مشاهده توزيع تنش ناشي از جملات مرتبه بالاتر، آشكار شد كه به‌منظور بازسازي ميدان تنش حاصل از داده‌هاي تجربي، محاسبه سه جمله از بسط سري مجانبي تنش ضروري به نظر مي‌رسد. از سوي ديگر، تأثير ناحيه‌ي انتخابي بر روي پارامترهاي محاسبه شده نشان داد كه استخراج داده‌ها از نواحي نزديك نوك شيار باعث ايجاد خطاي زيادي در محاسبه‌ي اين ضرايب مي‌شود. ازاين‌رو، درصورتي‌كه ضرايب مرتبه‌ي بالاتر مورد استفاده قرار نگيرند، بايد تا جاي ممكن ناحيه‌ي انتخاب داده را نزديك به نوك شيار در نظر گرفت، كه اين مسئله خود موجب بروز خطاهاي ديگري مي‌شود. در نهايت، به كمك روش انطباق تصاوير ديجيتال، به‌ پيش‌بيني بار شكست سازه‌هاي شياردار دوماده‌اي پرداخته شده است. عملكرد خوب اين روشِ در محل، براي پيش‌بيني بار شكست سازه‌هاي دوماده‌اي در مقايسه با روش‌هاي بر پايه‌ي مدل‌سازي ثابت شده و دلايل آن نيز ذكر شده است.

1401/10/21

Stress analysis of bi-material notched components using analytical and experimental methods

12/25/2023 12:00:00 AM

In this study, analytical formulations for both types of bi-material sharp- and blunt-notched specimens are developed using the elasticity theory and existing relations for mono-material notched structures. Five different adhesive joint types are looked into for the analysis of bi-material sharp V-shaped notches. Additionally, the three-point bend sample is employed to thoroughly investigate the stress distribution in bi-material blunt V-shaped notches. The singular and non-singular coefficients of bi-material notched components are then calculated using the over-deterministic method, and the impact of non-singular parameters on the stress distribution near the notch tip/border is analytically examined using the finite element method (FEM). In light of the findings of the study, the distribution of tangential stress around the notch tip/border was shown to be significantly influenced by the non-singular terms; as a result, failing to take these coefficients into account could culminate in a significant error in the calculation of the maximum tangential stress and, ultimately, the initiation of bi-material corner failure. Furthermore, the SIFs and higher order terms of the experimental stress field for notched parts with VO-, U-, and key-hole notch tip geometries that are subjected to different loading regimes such as pure tension, pure bending, pure compression, pure mode II, and combined mode I/II are calculated using the digital image correlation method (DIC). In contrast to the FEM, the results of the experimental stress distribution were found to be inaccurate when only taking the SIFs into account. It was also found that in order to reconstruct the stress field obtained from the experimental data, at least three terms of the asymptotic series expansion should be calculated. The effect of the data extraction region on the calculated parameters, on the other hand, revealed that extracting data from areas near the notch tip causes a large error in the calculation of unknown coefficients. As such, the data selection area should be taken into consideration as close to the tip of the notch as possible if higher order coefficients are not used, but this results in other sources of errors. Last but not least, the DIC has been used to predict the failure load of bi-material notched structures. It has been demonstrated that this in-situ procedure outperforms modeling-based methods in terms of predicting the failure load of bi-material components.

قطعات شياردار دو ماده‌اي , ميدان تنش تحليلي , ترم تنش غيرتكين , اتصال چسبي , روش انطباق تصاوير ديجيتال

Bi-material notched components , Analytical stress field , Higher-order terms , adhesive bonded joints , Digital image correlation technique

Karen Alavi

Dr. Majidreza Ayatollahi