Skip to main content
SUPERVISOR
Mahmoud Kadkhodaei,Mohammad Mashayekhi
محمود کدخدایی الیادرانی (استاد مشاور) محمد مشایخی (استاد راهنما)
 
STUDENT
Amir hossein Mehdizadeh
امیرحسین مهدیزاده دستجردی

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1390

TITLE

Lifetime Prediction under High Cycle Fatigue Loading using Finite Element Method based on Continuum Damage Mechanics
Damage is an irreversible process which causes material failure due to mechanical strength gradual degradation. Damage mechanics is a field of solid mechanics which studies mechanical parameters governing material rupture under different loadings. Fatigue is a kind of damage which can lead to sudden fracture of components. Fatigue loading results from cyclic stresses that are less than the ultimate tensile stress, or even the yield stress of the material. The name fatigue is based on the concept that a material becomes tired under repetitive loading and fails at a stress level below the nominal strength of the material. The fatigue life of a component can be expressed as the number of loading cycles required to initiate a crack and to propagate it to critical size. Therefore, it can be said that fatigue failure occurs in three stages: crack initiation; slow-stable crack growth; and rapid fracture. In order for fatigue cracks to initiate, three basic factors are necessary. First, the loading pattern must contain minimum and maximum peak values with large enough variation or fluctuation. The peak values may be in tension or compression and may change over time but the reverse loading cycle must be sufficiently great for fatigue crack initiation. Secondly, the peak stress levels must be of sufficiently high value. If the peak stresses are too low, no crack initiation will occur. Thirdly, the material must experience a sufficiently large number of cycles of the applied stress. The number of cycles required to initiate and grow a crack is dependant on the first to factors. In addition to these three basic factors, there are a host of other variables, such as stress concentration, corrosion, temperature, overload, metallurgical structure, and residual stresses which can affect the propensity for fatigue. Since fatigue cracks generally initiate at a surface, the surface condition of the component being loaded will have an effect on its fatigue life. Surface roughness is important because it is directly related to the level and number of stress concentrations on the surface. Smooth surfaces increase the time to nucleation. Notches, scratches, and other stress risers decrease fatigue life. Surface residual stress will also have a significant effect on fatigue life. Compressive residual stresses from machining, cold working, heat treating will oppose a tensile load and thus lower the amplitude of cyclic loading. In this dissertation, Chaboche-Lemaitre fatigue damage model is used to predict failure of components under high cycle fatigue loadings uniaxially and multiaxially. Fatigue damage evolution in the model is based on maximum and minimum stresses in each cycle which can be used for anisotropic yield. The Chaboche-Lemaitre damage model takes into account mean stress effect as well as compressive stresses effect making crack to close. In addition, enables damage evolution below the fatigue limit under multilevel loadings. When the values of maximum and minimum stresses are constant, the model is integrated directly and number of cycles to fail is obtained as a closed-form equation. Otherwise, the model is integrated implicitly and implemented by a user material (UMAT) subroutine in Abaqus/Standard software numerically. Also to reduce computation time, Jump-in-Cycles procedure is used based on fatigue loading simulation by a user amplitude (UAMP) subroutine. To verify codified subroutines, first a cubic element is subjected to a fully reversed cyclic loading and the results are compared with Abaqus model for elastoplastic state which show good agreement. then, compared to each other with damage and also with without jump-in-cycles procedure. Subsequently, unnotched, V-notched and holed specimens are loaded under fatigue loadings with different stress ratios, and the results are compared with experiments and closed-form equation. Eventually as a case study, main rotor spindle of an aircraft blades is subjected under a fatigue loading and its life will be compared with practical sample. Keywords: Continuum Damage Mechanics, High Cycle Fatigue, Life Estimation, Jump-in-Cycles Procedure, Spindle
آسیب فرآیندی است برگشت ناپذیر که با کاهش تدریجی مقاومت مکانیکی، زوال ماده را به دنبال دارد. مکانیک آسیب شاخه ای از مکانیک جامدات است که عوامل مکانیکی ناظر بر گسیختگی ماده تحت بارگذاری های مختلف را مورد مطالعه قرار می دهد. خستگی گونه ای از آسیب بوده که می تواند منجر به شکست ناگهانی قطعات گردد. بارگذاری خستگی در اثر تنش های چرخه ای که کمتر از تنش کششی نهایی یا حتی تنش تسلیم هستند، نتیجه می شود. نام خستگی بر اساس این مفهوم است که یک ماده تحت بارگذاری تکرار شونده خسته شده و در سطح تنش زیر مقاومت اسمی ماده وامانده می شود. عمر خستگی یک قطعه می تواند به صورت تعداد چرخه های بارگذاری لازم برای شروع یک ترک و گسترش آن تا اندازه بحرانی بیان شود. بنابراین می توان گفت که واماندگی خستگی در سه مرحله اتفاق می افتد: شروع ترک، رشد ترک آهسته-پایدار و شکست سریع. برای شروع ترک های خستگی سه عامل اساسی لازم است: اولاً الگوی بارگذاری باید شامل مقادیر اوج بیشینه و کمینه با اختلاف یا نوسان به حد کافی بزرگ باشد. مقادیر اوج ممکن است در کشش یا فشار بوده و یا بر حسب زمان تغییر کنند، اما چرخه بارگذاری معکوس شونده برای شروع ترک خستگی باید به حد کافی بزرگ باشد. ثانیاً سطوح تنش اوج بایستی مقادیر نسبتاً زیادی داشته باشند. اگر تنش های اوج خیلی کم باشند، هیچ ترکی شروع به رشد نخواهد کرد. ثالثاً ماده باید در معرض تعداد چرخه های بارگذاری زیاد قرار گیرد. تعداد چرخه های لازم به منظور شروع و رشد یک ترک در ابتدا بستگی به سه عامل فوق دارد. علاوه بر این سه عامل اساسی، دسته ای از متغیرهای دیگر از قبیل تمرکز تنش، خوردگی، دما، اضافه بار، سازه متالوژیکی و تنش های پسماند نیز وجود دارند که می توانند بر تمایل به خستگی تأثیر بگذارند. چون ترک های خستگی عموماً در سطح شروع به رشد می کنند، وضعیت سطح قطعه بارگذاری شده بر روی عمر خستگی آن اثر می گذارد. زبری سطح یک عامل مهم است زیرا به طور مستقیم به حد و تعداد تمرکزهای تنش بر روی سطح مربوط می شود. سطوح صاف مدت زمان زیادی طول می کشند تا ترک در آن ها جوانه بزند. شیارها، خراش ها و دیگر عوامل تمرکز تنش، عمر خستگی را کاهش می دهند. تنش پسماند سطح نیز یک اثر عمده بر روی عمر خستگی می گذارد؛ تنش های پسماند فشاری حاصل از ماشین کاری، سردکاری و عملیات حرارتی، باعث ایجاد یک بار کششی شده و درنتیجه دامنه بارگذاری چرخه ای را تنزل می دهند. در این پایان نامه، از مدل آسیب خستگی شابوش-لمتر برای پیش بینی واماندگی قطعات تحت بارگذاری خستگی پرچرخه به صورت تک محوره و چند محوره استفاده می شود. رشد آسیب خستگی در این مدل بر حسب تنش های بیشینه و کمینه در هر چرخه بوده که می تواند برای تسلیم ناهمسانگرد به کار رود. مدل آسیب شابوش-لمتر اثر تنش میانگین و نیز اثر تنش های فشاری را که باعث بسته شدن ترک می شود در نظر می گیرد. علاوه بر این در بارگذاری های چند مرحله ای، رشد آسیب را زیر حد خستگی امکان پذیر می سازد. این مدل در حالتی که مقادیر تنش های بیشینه و کمینه ثابت است، به طور مستقیم انتگرال گیری شده و تعداد چرخه های منجر به شکست به صورت یک رابطه بسته به دست می آید. در غیر این صورت، مدل به روش ضمنی انتگرال گیری شده و به صورت یک زیربرنامه ماده کاربر (UMAT) در نرم افزار Abaqus/Standard پیاده سازی عددی می گردد. هم چنین برای کاهش زمان حل مسئله از روش پرش درون چرخه ها، با تکیه بر شبیه سازی بارگذاری خستگی به صورت زیربرنامه دامنه کاربر (UAMP)، استفاده می شود. برای راستی آزمایی زیربرنامه های تدوین شده، ابتدا یک المان مکعبی تحت بارگذاری چرخه ای کاملاً معکوس شونده قرار گرفته و نتایج آن برای حالت الاستوپلاستیک با مدل آباکوس مقایسه شده که تطابق خوبی نشان می دهد. سپس با در نظر گرفتن آسیب و نیز استفاده از روش پرش و بدون استفاده از روش پرش، نتایج با یکدیگر مقایسه می شوند. در ادامه سه نمونه بدون شیار، شیاردار Vشکل و سوراخ دار تحت بارگذاری خستگی با نسبت تنش های متفاوت قرار گرفته و نتایج آن با نتایج تجربی و رابطه بسته مقایسه می گردند. در پایان به عنوان مطالعه موردی، اسپیندل روتور اصلی پره های یک بالگرد تحت بارگذاری خستگی قرار گرفته و عمر آن با نمونه عملی مقایسه می شود. کلمات کلیدی: مکانیک آسیب پیوسته، خستگی پرچرخه، تخمین عمر، روش پرش درون چرخه ها، اسپیندل

ارتقاء امنیت وب با وف بومی