شبيه‌سازي عددي پديده خزش و پيش‌بيني عمر خزشي با استفاده از روش المان محدود

اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان

مهندسي مواد

كارشناسي ارشد

باتوجه‌به پيشرفتها و توسعه صنايعي با كاركرد در دماي بالا از جمله پتروشيمي، يكي از چالش‌هايي كه امروزه مهندسان با آن روبه‌رو شده‌اند، بروز پديده خزش و پيش‌بيني دقيق زمان وقوع آن است. از شرايط وقوع اين پديده، دماي بالا، تنش يكنواخت و كمتر از نقطه تسليم در مدت‌زمان طولاني است. ثابت شده است كه شناخت دقيق هر سه مرحلۀ آن، اهميت بالايي در پي‌بردن به رفتار ماده دارد. يكي از روش‌هاي متداول بررسي رفتار خزشي ماده و پيش‌بيني زمان وقوع آن، آزمون تنش گسيختگي است. اين آزمون معمولاً نيازمند هزينه و زمان بالايي است. در نتيجه، براي بررسي تمام شرايط از جمله دما و تنش، مقرون‌به‌صرفه نيست. بنابراين، شبيه‌سازي خزش با استفاده از روش المان محدود با نرم‌افزارهاي مرتبط پيشنهاد مي‌شود. يكي از كليدي‌ترين اين نرم‌افزارها در زمينه شبيه‌سازي رفتار مكانيكي ماده از جمله رفتار خزشي، نرم‌افزار تجاري آباكوس است. از قابليت‌هاي منحصربه‌فرد اين روش، به‌كارگيري داده‌هاي آزمون‌هاي تجربي با فرض ادامه‌دار بودن منحني‌هاي آن‌ها و پيش‌بيني رفتار خزشي در شرايط مرزي مختلف با هزينه و زمان بسيار كمتري است. در زمينه بررسي رفتار خزشي ماده، چندين مدل ماده با ويژگي‌هاي منحصربه‌فرد خود از جمله بررسي رفتار ماده در مرحلة مشخصي از خزش و عملكرد نزديك به واقعيت تحت شرايط دما و تنش اعمال شده مشخص، تعريف شده است. لذا، يافتن مدل مناسب مي‌تواند نقش اساسي را در پيش‌بيني دقيق رفتار ماده داشته باشد. باتوجه‌به ويژگي و عملكرد جامع مدل سينوسي – هذلولي و مدل تتا پروجكشن نسبت به مدل‌هاي هم‌گروه خود در تعيين هر سه مرحله خزش و عدم بررسي و مقايسه گسترده آن‌ها در پژوهش‌هاي پيشين، همچنين، مدل تواني نورتون با قابليت مدل‌سازي رفتار خزشي ماده در مرحله دوم و به‌كارگيري آن در برازش منحني و تعيين پارامترهاي مدل‌هاي ديگر، در اين پژوهش استفاده شد. علاوه بر اين، براي درك و ارزيابي جامع عملكرد آن‌ها، از سه تركيب شيميايي فولاد مقاوم به حرارت HP، آلياژ 709 و سوپرآلياژ 617 به‌عنوان سه ماده كه رفتار و منحني‌هاي خزش متفاوتي داشتند، انتخاب و با استفاده از نتايج تجربي حاصل از مقالات آن‌ها، به حل عددي رفتار خزشي ماده با سه مدل ذكر شده در نرم‌افزار آباكوس پرداخته و در نهايت، به‌منظور تعيين ويژگي‌ها و محدوديت‌هاي آن‌ها، با نتايج تجربي صحت‌سنجي شدند. همچنين به كمك مدل سينوسي، آسيب خزشي از صفر تا يك واحد در طول فرايند خزش براي سه تركيب شيميايي ذكر شده به دست آورده شد و مكانيزم‌هاي احتمالي خزش و عمر خزشي باقي‌مانده در طول فرايند پيش‌بيني شد. با تعيين مزايا و محدوديت‌هاي اين مدل‌ها و شرايط لازم براي عملكرد بهينه و همچنين عوامل تأثيرگذار بر نتايج حاصل از حل عددي در نرم‌افزار آباكوس، نظير المان‌بندي، ميزان تنش و دما، دقت پيش‌بيني رفتار خزشي ماده را تا حد زيادي افزايش يافت. نتايج نشان داد هر مدل براي ماده خاصي و تحت شرايط خاصي مي‌تواند عملكرد قابل‌قبول داشته باشد. در نتيجه لازم است در حل عددي از مدل ماده‌اي متناسب با شرايط موجود استفاده شود. در فولاد مقاوم به حرارت HP و سوپرآلياژ 617، مدل تتا با قابليت پيش‌بيني سه‌مرحله‌اي خزش در تنش‌هاي كم و متوسط عملكرد مناسبي داشت. درحالي‌كه در سوپرآلياژ 709 مدل سينوسي به‌عنوان مدل قابل‌اطمينان انتخاب شد. مدل نورتون نيز باتوجه‌به توانايي آن در پيش‌بيني رفتار خزشي در نرخ‌هاي تقريباً ثابت خزش در اين سه تركيب شيميايي در شرايط تنش‌ بالا توانست نتايج قابل‌قبولي را ارائه دهد.

228410

شناسايي و انتخاب مواد مهندسي

مهندسي مواد

دانشگاه صنعتي اصفهان