پایان‌نامه برای دریافت درجه کارشناسی ارشد در رشته مکانیک گرایش طراحی کاربردی

 

عنوان:

 

يك مطالعه تجربي بر روي محل جوانه‌زني ترك و انتشار آن و بهبود عمر در خستگي سايشي

 

 

استاد راهنما:

دکتر غلامحسین مجذوبی

 

اساتید داور:

دکتر رحمن سیفی

دکتر عباس فدایی

 

 

نگارش:

مجيد باجلان

 

زمان:

شنبه 26/4/1395 ساعت 8:30

 

مکان:

سالن آمفی تئاتر دانشکده مهندسی

 

چكيده:

خستگي سايشي يكي از دلايل از کارافتادگی قطعاتي است كه همزمان در معرض بارهاي سيكلي و حركات لغزشي نسبت به هم قرار مي‌گيرند. خستگي سايشي مي‌تواند عمر قطعات را تا نصف و يا حتي بيشتر كاهش دهد. اين پديده را در بسياري از سازه‌هاي مهندسي ازجمله كابل‌هاي فولادي، سازه‌هاي پيچي يا پرچي، توربين‌هاي بخار و گاز و غيره مي‌توان مشاهده كرد. از آنجايي كه در بسياري از موارد خسارت‌هاي خستگي سايشي مي‌تواند هزينه‌هاي زيادي را به دنبال داشته باشد محققان مي‌كوشند تا با استفاده از روش‌هاي مهندسي سطح، آثار مخرب آن را تا حد امكان كاهش دهند. به‌منظور كاهش خسارت‌هاي ناشي از خستگي سايشي بايد محل جوانه‌زنی و مسير انتشار ترك خستگي سايشي شناسايي گردد و راه‌كارهايي براي بهبود عمر قطعات تحت خستگي سايشي ارائه شود.

بر اين اساس در اين پروژه، محل جوانه‌زنی ترك و انتشار آن و بهبود عمر در خستگي سايشي مورد بررسي قرار گرفته است. با توجه به كاربرد آلياژ آلومينيوم 7075-T6 در صنعت هوايي و ضرورت كاهش خسارت‌هاي ناشي از خستگي سايشي در اين صنعت، آزمايش‌هاي خستگي سايشي بر روي Al7075-T6 صورت گرفت. پس از انجام آزمايش‌ها مشخص گرديد كه ترك از لبه‌هاي تماس و با زاويه‌اي بين 15 تا 55 درجه نسبت به محور عمود بر بار نوساني رشد مي‌كند. جهت‌گيري جوانه‌ي ترك به سمت زير كفشك مي‌باشد. پس از شروع ترك و با فاصله گرفتن از سطح تماس كفشك و نمونه، به‌مرور اين زاويه كاهش مي‌يابد و رشد ترك به مود I نزديك مي‌شود. به‌منظور بهبود عمر قطعات تحت خستگي سايشي، تعدادي از نمونه‌ها و كفشك‌ها فیلت دار گرديد. آزمايش‌ها نشان مي‌دهد كه فيلت دار كردن، عمر خستگي سايشي نمونه‌ها را بهبود مي‌بخشد. بالاترين ميزان بهبود %30 مي‌باشد و مربوط به آزمايش‌هايي است كه در آن نمونه‌ها و كفشك‌ها فیلت دار شده‌اند. براي اندازه‌گيري رشد ترك از چسب رپليكا استفاده گرديد.

در اين پايان‌نامه، محل جوانه‌زنی و انتشار ترك به‌وسیله‌ی دو نرم‌افزار FRANC3D و MATLAB مورد مطالعه قرار گرفت. براي يافتن محل و زاويه‌ي شروع ترك، ابتدا شرايطي دقیقاً منطبق بر شرايط آزمايش در نرم‌افزار FRANC3D مدل شد و توزيع تنش و كرنش مورد نياز براي روش اسميت- واتسون- تاپر به دست آمد. سپس با استفاده از نرم‌افزار MATLAB، زاويه‌ي ترك اوليه معلوم گرديد و در ادامه نيز مسير انتشار ترك به‌وسیله‌ی نرم‌افزار FRANC3D‌ به دست آمد. همچنين براي به دست آوردن عمر شكست نمونه‌ها، مدل فرمن- نيومن- دي‌كانينگ مورد استفاده قرار گرفت.

 

واژه‌های کلیدی: خستگي سايشي، جوانه‌زنی ترك، انتشار ترك، بهبود عمر، آلومينيوم 7075-T6، اسميت- واتسون- تاپر، FRANC3D

 

Abstract:

Fretting fatigue is a failure mechanism that may occure in components which are subjected to cyclic loads and sliding movements at the same time. Fretting fatigue can reduce the life of components by half or even more. This phenomenon can be observed in many engineering structures such as cables, riveted or bolted connections, gas turbines, etc. Since, fretting fatigue can cause heavy losses, attempts have been made by researchers to reduce the losses by using surface engineering techniques. In this regard, the crack initiation sites, crack growth path must be identified and proper solutions be proposed for fatigue life improvement.

In this work, the crack initiation site, crack growth path and fretting fatigue life improvement are studied. With regard to the fact that Al7075-T6 is widely used in aerospace industry and is prone to fretting fatigue failure, this material was selected for fretting fatigue tests in this investigation. The experiments revealed that crack propagates from the contact edges at angles between 15° to 55° with respect to the axis perpendicular to the cyclic loading direction. The crack propagates toward the contact area between the pad and the specimen. The propagation angle reduces as crack grows away from the contact surface until the mode K_I dominates the fracture mechanism and the specimen is fractures by tension. In order to improve the fretting fatigue life of specimens some of the specimens were filleted at their contacting edges. The experiments showed that in general filleting improved the fretting fatigue life of specimens. The highest improvement was obtained for the cases where both of the specimen and the pads were filleted and was around %30. The crack growth was measured by using replica.

In this thesis, the crack initiation site and crack propagation was studied using FRANC3D and MATLAB softwares. The fretting fatigue test conditions were exactly incorporated in the numerical simulation of test and the stress and strain distribution between the pads and the specimen required for SWT (Smith-Watson-Topper) method were obtained. MATLAB software was then used to predict the initial crack angle. The crack propagation path was computed by FRANC3D software. The fatigue life of specimens were obtained using FND (Forman-Newman-de Koning) model.

Key Words: Fretting fatigue, crack initiation, crack propagation, life improvement, Al7075-T6, SWT (Smith-Watson-Topper) method, FRANC3D

 

 

 

 

نرم افزار هايي كه كار كرده ام:

 

برنامه هاي انجام شده به وسيله نرم افزار متلب:

1-   نوشتن برنامه محاسبه ميزان بار تهويه مطبوع ساختمان:

اين برنامه با استفاده از نرم افزار متلب و قسمت GUI (صفحه گرافيكي كاربر) نرم افزار متلب نوشته شده و تعداد خطوط آن 10000 خط مي باشد.

2-   نوشتن برنامه محاسبه ميزان بار برودتي ساختمان:

اين برنامه با استفاده از نرم افزار متلب و قسمت GUI نوشته شده و تعداد خطوط آن 9000 خط مي باشد.

3-   نوشتن برنامه بهينه سازي حجم گيربكس:

اين برنامه نيز به وسيله نرم افزار متلب و قسمت GUI نوشته شده و تعداد خطوط آن 8000 خط مي باشد. اين برنامه دور ورودي و خروجي گيربكس را مي گيرد و چرخدنده و ميل محور هاي آن را طراحي مي كند.