28133

مدل‌سازي عددي خزش و تورم در ساختارهاي فلزي با ذرات پراكنده با استفاده از المان حجمي نماينده سه‌بعدي

كارشناسي ارشد

مهندسي مكانيك- طراحي كاربردي

1399

1401/11/19

محمدجواد اشرفي

محمدجواد اشرفي

مهندسي مكانيك

مواد مركب زمينه فلزي در مواردي كه تركيبي از مقاومت بالا، سفتي خاص و جهت‌دار، نسبت مقاومت به وزن بالا و شكل‌پذيري مناسب به‌عنوان الزامات مورد نياز باشند، مورد توجه و انتخاب پژوهشگران و محققان قرار مي‌گيرند. اما زمينه و تقويت‌كننده در برخي از اين مواد، مانند ساختار فلزي با ذرات پراكنده در اين پژوهش، كاربردي متفاوت با بهبود خواص مكانيكي داشته، و بيشتر به‌منظور تأمين عملكرد مطلوب در كنار يكديگر قرار مي‌گيرند. از آنجايي كه تحقيقات تجربي و آزمايشگاهي اطلاعات مورد نياز درمورد جنبه‌هاي ميكرومكانيكي مؤثر بر رفتار مكانيكي ‌مواد مركب را تأمين نمي‌كنند، روش‌هاي ميكرومكانيكي مختلفي توسط پژوهشگران و به‌كمك نرم‌افزارهاي شبيه‌سازي و تحليل المان‌محدود به‌وجود آمده‌اند، تا رفتارهاي مكانيكي وابسته به ريزساختار را به‌خوبي پيش‌بيني كنند. از اين‌رو در پژوهش پيش‌رو، به‌واسطه مروري بر مقالات و مفاهيم پايه، به بررسي و مقايسه‌ي روش‌هاي محاسبه رفتار مكانيكي ‌مواد مركب پرداخته شده‌است. در قسمت بعدي و اصلي پژوهش، خزش و تورم در ساختار فلزي كه اصلي‌ترين و تأثيرگذارترين رفتار در اينگونه مواد مي‌باشد، مورد بررسي قرار مي‌گيرند. به همين منظور پس از انتخاب منطبق‌ترين روش مدل‌سازي ميكرومكانيكي عددي، با اعمال شرايط مرزي و اعمال نيروهاي معادل به بررسي پديده‌هاي خزش و تورم بر روي عنصر حجمي ‌پرداخته مي‌شود. در همين راستا به‌منظور محاسبه دقيق تورم ماده‌ي مركب، نياز به رابطه‌ي خزش جزء مياني ذره و ماتريس (لايه‌ي تعاملي) مي‌باشد، كه در اكثر تحقيقات و پژوهش‌هاي پيشين به‌منظور ساده‌سازي، از اثر اين لايه صرف‌نظر شده‌است. در اين پژوهش باتوجه به مشخص بودن رابطه‌ي خزش براي اجزاء ماده‌ي مركب زمينه فلزي با ذرات پراكنده و درنظر گرفتن يك عنصر حجمي نماينده به‌صورت المان‌محدود، رابطه‌ي خزش ماده‌ي مركب همگن‌شده يا همان فاز مياني به‌كمك خروجي داده‌هاي عددي و برازش‌منحني استخراج مي‌گردد. به واسطه‌ي رابطه‌ي نرخ خزش به‌دست آمده، مشخص شد، ميزان اختلاف نتايج تورم با اعمال لايه‌ي تعاملي نسبت به نتايج ماتريس بي‌اثر، در دو حالت وجود و عدم وجود خزش در ماتريس، براي دماي 700 درجه كلوين، به ترتيب 15.6 و 14.7 درصد مي‌باشد. اين ميزان از اختلاف نشان مي‌دهد، اعمال لايه‌ي تعاملي موفقيت آميز بوده و منجر به نتايج دقيق‌تري مي‌گردد.

1402/01/23

Numerical modeling of creep and swelling in metal structures with dispersed particles using three-dimensional representative volume element

2/8/2024 12:00:00 AM

Metal matrix composites are considered and selected by researchers in cases where a combination of high strength, specific and directional stiffness, high strength-to-weight ratio, and appropriate ductility are required. However, in some of these materials, such as Metal structure with dispersed particles considered in this research, the matrix and reinforcement have a different application by improving mechanical properties, and they are placed together to provide optimal performance. Experimental and laboratory research cannot provide sufficient information about the micromechanical aspects affecting the mechanical behavior of composite materials. Thus, researchers have developed various micromechanical methods with the help of simulations and finite element analysis softwares, in order to accurately predict the mechanical behavior of microstructure composite materials. Therefore, in this research, through a review of articles and basic concepts, the methods of calculating the mechanical behavior of composite materials have been examined and compared. A major part of the research focuses on creep and swelling of Metal structure, which are the main and most influential behaviors of these materials. For this purpose, after choosing the most suitable numerical micromechanical modeling method, by applying boundary conditions and applying equivalent forces, creep and swelling phenomena are investigated on the volumetric element. To calculate the swelling of composite materials, the creep equation between the middle component of the particle and the matrix (interaction layer) is required, which has been ignored in most previous investigations due to simplification. In this research, due to have that the creep equation for the components of the metal matrix composite material with dispersed particles and considering a representative volumetric element in the form of a finite element, the creep equation of the homogenized composite material or the intermediate phase is extracted with the help of numerical data output and curve fitting. Through the obtained creep rate equation, it was determined that the difference between the results of swelling by applying the interaction layer and the results of the inert matrix, in the presence and absence of creep in the matrix, for the temperature of 700 degrees Kelvin, is 15.6% and 14.7%, respectively. This amount of difference shows that the application of the interactive layer is successful and leads to more accurate results.

اجزاء ماده‌ي مركب، كامپوزيت‌هاي زمينه فلزي، ساختار فلزي با ذرات پراكنده، لايه‌ي تعاملي، مدل‌سازي ميكرومكانيكي، عنصر حجمي نماينده.

Composite material components, metal matrix composites, Metal structure with dispersed particles, interaction layer, micromechanical modeling, representative volume element.

Hossein Manbaejood

Dr. Mohammad Javad Ashrafi