عنوان
شبيه‌سازي چند مقياسي دانه درشت خستگي در آلومينيوم
نويسنده اصلي
نيك‌نفس، سهيل
محل تحصيل
اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان
رشته تحصيلي
مهندسي مكانيك
مقطع تحصيلي
دكتري
چكيده
روش‌هاي مكانيك محيط‌هاي پيوسته مانند المان محدود توسعه يافته و كريستال پلاستيك، توانايي و دقت مناسبي براي شبيه‌سازي خستگي دارند و هزينه محاسباتي آن‌ها نيز قابل قبول است، اما بررسي فرآيندهاي پيچيده غيرخطي مانند جوانه زني، مسير رشد ترك و اثر مرز دانه در مقياس ماكرو همچنان چالش برانگيز و وابسته به استخراج متغيرهاي مدل به كمك روش‌هاي تجربي يا مقياس ريز است. با توسعه روش‌هاي ديناميك مولكولي، امكان بررسي فرآيندهاي پيچيده ياد شده در مقياس پايين‌تر فراهم شده است و با بررسي رفتار ماده در مقياس نانو و ميكرو مي‌توان درك مناسبي از متغيرهاي تاثيرگذار در مدل‌هاي پيوسته و اثر ريز ساختار بر رشد ترك پيدا كرد. تغيير شكل پلاستيك ميكرومتري در مقياس بالا، پيش از رشد ترك در فلزهايي مانند آلومينيوم، شبيه‌سازي رشد ترك خستگي در مقياس نانو را با چالش‌هايي روبرو كرده است، زيرا شبيه‌سازي ناحيه اتمي با ابعاد ميكرومتري در روش‌هاي ديناميك مولكولي، هزينه محاسباتي بالايي دارد. براي كاهش هزينه محاسباتي مي‌توان از روش ديناميك مولكولي دانه درشت استفاده كرد. اين روش، با مدل كردن چندين اتم به صورت يك ابر-اتم، درجه آزادي مدل را كاهش مي‌دهد. استفاده از پتانسيل توسعه يافته مورس در روش دانه درشت، تغيير شكل پلاستيك و رشد نابجايي‌ها را محدود كرده و ناحيه ابر-اتمي كوچك‌تري براي بررسي خستگي و رشد ترك نياز است. هر چند در ناحيه رشد ترك نياز به ريزنمايي بالا است اما در ناحيه دور از ترك براي انتشار موج و اعمال شرط مرزي مي‌توان از ريزنمايي ضعيف‌تري استفاده كرد. روش دو مقياسي همزمان پل زدن دامنه با تقسيم دامنه حل به سه زير دامنه مقياس ريز، درشت و زير دامنه همپوشاني دو مقياس در كنار كاهش هزينه محاسباتي، مقدار موج بازگشتي به مقياس ريز را كم كرده و براي مسئله‌هاي ديناميكي مناسب است. با تركيب دو روش ديناميك مولكولي دانه درشت براي مقياس ريز و روش پل زدن دامنه براي ايجاد مدل دو مقياسي، مطالعه شكست ناشي از خستگي در مقياس ميكرو قابل انجام خواهد بود. در اين تحقيق روش دو مقياسي تطبيقي پل زدن دامنه نيز پياده‌سازي شد؛ اين روش در صورت نزديك شدن ترك به زير دامنه مقياس درشت اين زير دامنه را ريزنمايي كرده و به اين ترتيب علاوه بر كاهش بيشتر هزينه محاسباتي با توجه به محدود شدن ناحيه اتمي به پيرامون ترك، رشد ترك در سراسر مدل امكان پذير است. از ديگر چالش‌هاي شبيه‌سازي خستگي، جوش خوردگي دو سطح آزاد ترك پس از باربرداري به علت قرار گرفتن ابر-اتم‌هاي دو سطح آزاد در فاصله تاثيرگذاري ميدان نيرويي است. براي جلوگيري از بسته شدن ترك و ايجاد دوباره ساختار كريستالي بدون عيب، روش شناسايي سطح آزاد ترك طراحي شده است؛ اين روش با شناسايي تغيير انرژي سطح آزاد پس از رشد ترك با غير فعال كردن ميدان نيرويي بين دو سطح آزاد، مانع از جوش خوردگي خواهد شد. همچنين از روش ياد شده براي شناسايي محل نوك ترك در روش دو مقياسي تطبيقي استفاده شده است. براي انجام شبيه‌سازي‌هاي خستگي در مقياس ريز از نرم افزار متن باز لمپس استفاده و پياده‌سازي روش‌هاي دو مقياسي در قالب متن آن انجام شد. در اين پژوهش، ابتدا با ايجاد مدل‌هاي يك مقياسي دانه درشت مرجع با ساختار تك كريستال، مرز دوقلو، دو كريستالي و پلي كريستال، رشد ترك خستگي شبيه‌سازي شده و ضريب مادي قانون پاريس و ضريب شدت تنش بحراني براي آلومينيوم، نيكل و مس جهت مقايسه با داده‌هاي تجربي و مدل دو مقياسي استخراج شد. همچنين درباره اثر مرز دانه و جهت‌گيري كريستالي در كاهش يا افزايش سرعت رشد ترك خستگي بحث شده است. در ادامه، روش دو مقياسي همزمان پل زدن دامنه و روش تطبيقي پياده‌سازي و متغيرهاي تاثير گذار بر دقت روش‌ها موشكافي شد. مقايسه مسير ترك، توزيع تنش، توان قانون پاريس و ضريب شدت تنش بحراني براي سه فلز آلومينيوم، نيكل و مس، بين مدل‌هاي دو مقياسي و يك مقياسي، گواهي دقت مناسب روش دو مقياسي در بررسي ريز ساختاري پديده‌هاي وابسته به تغيير شكل بزرگ مانند خستگي و رشد ترك در كنار كاهش هزينه محاسباتي تا 36 درصد در دو مقياسي غير تطبيقي نسبت به يك مقياسي و تا 46 درصد نسبت به دو مقياسي غير تطبيقي براي روش تطبيقي است.
شماره ركورد
237344
گرايش رشته تحصيلي
طراحي كاربردي-جامدات
دانشكده
مهندسي مكانيك
دانشگاه
دانشگاه صنعتي اصفهان