Skip to main content
SUPERVISOR
Mahmoud Farzin,Abbas Ghaei,MohammadReza Forouzan
محمود فرزین (استاد راهنما) عباس قائی (استاد مشاور) محمدرضا فروزان (استاد مشاور)
 
STUDENT
AbdolMajid Rezaei
عبدالمجید رضائی

FACULTY - DEPARTMENT

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

TITLE

Effects of Compressive Stresses in Improving Performance of Dies and Machines
With the development of manufacturing industry, the need for structures to withstand higher loads has been increased. Pre-stressed structures under compressive pre-loads offer solution in such cases. Pre-stressed created in these structures can resist the major or even full part of the working load. The main goal is to improve the load carrying capacity in comparison with non-prestressed structure which often has another benefit, i.e. improvement of fatigue life by decreasing mean stress in loading and unloading cycles. In the present research, by reviewing methods of pre-stressing cylindrical sections and non-cylindrical sections, the design of two main types of pre-stressed structures were studied. Various methods of pre-stressing of structures and also means of pre-stressing were studied and compared. Closed form solutions available in literature were compared with finite element results for both cylindrical and non-cylindrical sections and the two sets of results were shown to be in agreement. For pre-stressed layered dies, as an example of pre-stressed cylindrical sections, pre-stressing process and the stress state at working conditions were simulated using the following two methods. In the first method, simulation was based on modeling all layers and stress state of die state was considered during pre-stressing process. In this method, pre-stresses in the die body and layers were applied equally using equivalent thermal strains. The results were shown to be in agreement with the analytical results. In the second method, layers are considered as a single part and pre-stresses are applied by finding a uniform temperature field which is applied to the part that models all layers. This temperature field is calculated by analytical equations. In this method, only the final state of die after pre-stressing can be studied. For pre-stressed press body, as an example of pre-stressed non-cylindrical section, a preliminary mechanical design procedure is discussed. By using results of this design, simulation can be run to verify the safety of preliminary design. The simulation is carried out first by a 2D model and considering layers as a whole part. Results showed that this model was not accurate enough because the stiffness is overestimated when layers are modeled as a single part. To improve this simple model, layers were considered as separate parts and simulation was run again. A comparison between results of single part modeling of layers and multi part modeling of them showed that there was a considerable difference and therefore modeling layers as separate parts was required. It was also shown that there was no need to model all layers and several layers could be modeled as a part. In fact, a large number of wires were modeled as a single part and then the number of wires was decreased in each simulation until the results were shown to be independent of the number of wires. In order to verify the assumption of 2D simulations, 3D modeling of press body was also studied. Again in 3D simulations, layers were modeled as both one single part and several parts. The results of 3D simulation were shown to be in good agreement with the 2D simulations of press body. It can be concluded, in such cases preliminary designs and simulations can be carried out using 2D layered model. Keywords: Pre-stressed Structures, Compressive Pre-stress, Finite Element Method, Stress Analyses, Mechanical Design.
با پیشرفت‌هایی که در صنعت ساخت و تولید صورت گرفته، نیاز به سازه هایی با قابلیت تحمل بارهای بالاتر مطرح شده است. سازه های پیش تنش دار که پیش از اعمال بار کاری اصلی تحت پیش تنش های اولیه فشاری قرار دارند، یکی از راه حل هایی است که در این مورد کاربرد دارند. پیش تنش ایجاد شده در چنین سازه هایی می تواند تمام تنش ناشی از بار کاری یا قسمت اعظمی از آن را تحمل کند. هدف اصلی از ایجاد این پیش تنش علاوه بر بالا بردن ظرفیت تحمل بار به نسبت سازه های یکپارچه، بهبود عمر خستگی با کاهش تنش متوسط در سیکل های بارگذاری و باربرداری نیز هست. در این تحقیق، ضمن بررسی روش های ایجاد پیش تنش در مورد مقاطع گرد (سیلندرها) و مقاطع غیرگرد، طراحی این دو دسته کلی از سازه پیش تنش دار مورد توجه قرار گرفته است. روش های مختلف ایجاد پیش تنش در سازه ها و تجهیزات لازم مورد مطالعه قرار گرفته و مقایسه شده اند. روابط تحلیلی موجود با نتایج حاصل از شبیه‌سازی اجزای محدود برای مقاطع گرد و غیرگرد مقایسه شده و اعتبار نتایج مورد بررسی قرار گرفته است. برای سیلندر سیم پیچی شده، به عنوان نمونه ای از مقاطع تحت پیش تنش استوانه ای شکل، فرایند سیم پیچی و وضعیت تنشی قالب در شرایط کاری، با استفاده از دو شیوه زیر شبیه‌سازی گردیده است. در روش اول، شبیه‌سازی بر اساس مدل سازی تمامی لایه های سیم پیچی است و وضعیت سیلندر در طی فرایند سیم پیچی مورد توجه قرار می گیرد. در این روش، پیش تنش ها به صورت کرنش های معادل حرارتی اعمال شدند. نتایج تطابق خوبی با روابط تحلیلی موجود در منابع داشتند. در روش دیگر، لایه ها به صورت قطعه ای یکپارچه فرض شدند و پیش تنش ها با یافتن میدان دمایی معادل و اعمال این میدان به قطعه مدل کننده لایه های سیم اعمال گردیدند. این میدان حرارتی با استفاده از روابط تحلیلی موجود محاسبه گردید. در این شیوه، تنها وضعیت نهایی سیلندر پس از اتمام فرایند سیم‌پیچی قابل مطالعه است. برای قاب سیم‌پیچی شده، به عنوان نمونه ای از مقاطع غیر گرد تحت پیش تنش، ابتدا یک روند طراحی مکانیکی اولیه مورد بررسی قرار گرفته است. با استفاده از نتایج حاصل از این طراحی، می توان شبیه‌سازی لازم را برای تأیید نهایی طرح اولیه انجام داد. این شبیه‌سازی ابتدا با استفاده از یک مدل دوبعدی و با درنظرگرفتن لایه های سیم به صورت قطعه ای یکپارچه صورت گرفت. نتایج نشان داد که این مدل به اندازه کافی دقیق نیست و سفتی اضافی لایه ها که با درنظرگرفتن آن ها به صورت یک قطعه ایجاد شده، عامل این اشکال است. برای بهبود این مدل ساده اولیه، سپس لایه ها به صورت قطعات مجزا فرض شدند و شبیه‌سازی دوباره انجام شد. در نهایت، مقایسه ای میان نتایج حاصل از مدل سازی لایه ها به صورت یک قطعه و مدل سازی به صورت قطعات مجزا صورت گرفت. نتایج نشان دهنده تفاوت قابل توجهی بود و مدل سازی لایه لایه سیم ها ضوری به نظرمی رسد. البته نیازی به مدل سازی تمام لایه های سیمی نیست و می توان چند لایه را به عنوان یک قطعه مدل نمود. مدل سازی اولیه لایه های سیمی با قطعات کمتر صورت گرفت و سپس تعداد این قطعات مدل کننده دو برابر بیشتر گردید تا از کافی بودن تعداد قطعات اطمینان حاصل شود. برای ارزیابی نتایج شبیه‌سازی دوبعدی، مدل سه‌بعدی قاب نیز مورد بررسی قرار گرفت. در مدل سازی سه‌بعدی نیز مثل مدل سازی دوبعدی، ابتدا لایه ها به صورت قطعه یکپارچه و سپس به صورت چند قطعه مجزا مدل شدند. نتایج شبیه‌سازی سه‌بعدی نشان دادند که تطابق خوبی بین مدل سازی دوبعدی و سه‌بعدی قاب وجود دارد. می توان نتیجه گرفت در چنین مواردی، طراحی و شبیه‌سازی اولیه می تواند با استفاده از مدل لایه لایه دوبعدی صورت گیرد. نتایج می تواند در نهایت می توان با استفاده از یک شبیه‌سازی سه بعدی لایه لایه از صحت نتایج مطمئن شد. کلمات کلیدی : سازه پیش تنش‌دار، پیش تنش فشاری، روش اجزای محدود، تحلیل تنش، طراحی مکانیک

ارتقاء امنیت وب با وف بومی