بررسی رفتار نمونه های Al1050 تحت فرایند اتوفرتاژ به روش المان محدود و تجربی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی کارشناسی ارشد، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، تهران، ایران

2 دانشیار، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، تهران، ایران

3 دانشجوی دکتری، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، تهران، ایران

چکیده

اتوفرتاژ فرایندی است که به منظور ایجاد تنش­های پسماند مفید در استوانه­های جدار ضخیم تحت فشار مورد استفاده قرار می­گیرد. در این روش تنش­های پسماند فشاری در سطح داخلی موجب افزایش ظرفیت بار، بهبود عملکرد عمر خستگی و کاهش شروع ترک­های خستگی می­شود. فرایند اتوفرتاژ می­تواند با استفاده از فشار هیدرولیکی یا مکانیکی به جداره داخلی سیلندرهای جدار ضخیم برای ایجاد تنش­های پسماند انجام شود. در این پژوهش یک مجموعه اتوفرتاژ آزمایشگاهی بر مبنای عملکرد هیدرولیکی ساخته شد و سپس نمونه­های آلومینیوم 1050 در فشارهای مختلف تحت فرایند اتوفرتاژ قرار گرفت. هم­چنین برای ارزیابی رفتار نمونه­ها تحت فرایند اتوفرتاژ، نمونه­ها در نرم­افزار المان محدود ABAQUS مدل­سازی شد و برای ارزیابی صحت داده­های حاصل از روش المان محدود از کرنش­سنج نصب شده بر روی نمونه­ها در راستای مماسی استفاده گردید. در مدل­سازی المان محدود نمونه­ها تمامی پارامترهای تاثیرگذار بر فرایند اتوفرتاژ، همانند اصطکاک بین صفحات محفظه و نمونه­ها و رفتار الاستیک-پلاستیک سخت شونده نمونه­ها لحاظ گردید. نتایج حاصل از روش المان محدود و کرنش­سنج­، تطابق بسیار خوبی نسبت به هم پیدا کردند. نتایج حاصل از روش المان محدود، نشان­دهنده وجود یک درصد اتوفرتاژ بهینه در هر فشار کاری می­باشد. هم­چنین ملاحظه شد که با اعمال درصد اتوفرتاژ بهینه، می­توان بیشینه تنش­های فون میسز در نمونه­ها را تا حدود 27% کاهش داد. با وجود اینکه در قطعات اتوفرتاژ نشده بیشینه تنش­ها در جداره داخلی نمونه اتفاق می­افتد، ولی با اعمال فرایند اتوفرتاژ علاوه بر کاهش بیشینه مقدار این تنش­ها می­توان بیشینه مقدار آن­ها را به سمت جداره خارجی انتقال داد و این کار از جهت اینکه اکثر ترک­های خستگی در جداره داخلی قطعه تشکیل می­شوند، بسیار حائز اهمیت است. در نهایت نتایج حاصل از روش المان محدود نشان می­دهد که عدم در نظرگیری پارامترهای موثر در فرایند اتوفرتاژ (اصطکاک و نیروی محوری) باعث ایجاد خطای زیادی در درصد اتوفرتاژ می­شود.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1]   Alegre J., Bravo P., Cuesta I., Fatigue Design of Wire-wound Pressure Vessels Using ASME-API 579 Procedure. Engineering Failure Analysis, Vol. 17, No. 4, pp. 748-759, 2010.
[2]   Zhao M., Wu Z., Cai H., Stress Analyses of Compound Cylinders with Interlayer Pressure after Autofrettage. International Journal of Pressure Vessels and Piping, Vol. 163, pp. 63-67, 2018.
[3]   Perl M., Saley T., Swage and Hydraulic Autofrettage Impact on Fracture Endurance and Fatigue Life of an Internally Cracked Smooth Gun Barrel Part I–The Effect of Overstraining. Engineering Fracture Mechanics, Vol. 182, pp. 372-385, 2017.
[4]   Loffredo M., Measurement and Modelling of Bauschinger Effect for Low-level Plastic Strains on AISI 4140 Steel. Procedia Structural Integrity, Vol. 8, pp. 265-275, 2018.
[5]   Nickel J., Baak N., Biermann D., Walther F., Influence of the Deep Hole Drilling Process and Sulphur Content on the Fatigue Strength of AISI 4140 Steel Components. Procedia CIRP, Vol. 71, pp. 209-214, 2018.
[6]   Farrahi G., Voyiadjis G. Z., Hoseini S., Hosseinian E., Residual Stress Analyses of Re-autofrettaged Thick-walled Tubes. International Journal of Pressure Vessels and Piping, Vol. 98, pp. 57-64, 2012.
[7]   Sedighi M., Jabbari A., Investigation of Residual Stresses in Thick-walled Vessels with Combination of Autofrettage and Wire-winding. International Journal of Pressure Vessels and Piping, Vol. 111, pp. 295-301, 2013.
[8]   Brünnet H., Lyubenova N., Müller M., Hoffmann J. E., Bähre D., Verification and Application of a New 3D Finite Element Approach to Model the Residual Stress Depth Profile after Autofrettage and Consecutive Reaming. Procedia CIRP, Vol. 13, pp. 72-77, 2014.
[9]   Benghalia G., Wood J., Autofrettage of Weld Clad Components. Procedia Engineering, Vol. 130, No. 2015, pp. 453-465, 2015.
[10]              Zare H., Darijani H., A Novel Autofrettage Method for Strengthening and Design of Thick-walled Cylinders. Materials & Design, Vol. 105, pp. 366-374, 2016.
[11]              Zare H., Darijani H., Strengthening and Design of the Linear Hardening Thick-walled Cylinders Using the New Method of Rotational Autofrettage. International Journal of Mechanical Sciences, Vol. 124, pp. 1-8, 2017.
[12]              Molaie M., Darijani H., Bahreman M., Hosseini S., Autofrettage of Nonlinear Strain-hardening Cylinders Using the Proposed Analytical Solution for Stresses. International Journal of Mechanical Sciences, Vol. 141, pp. 450-460, 2018.
[13]              Beghini M., Loffredo M., Monelli B. D., Bagattini A., Residual Stress Measurements in an Autofrettaged Cylinder through the Initial Strain Distribution Method. International Journal of Pressure Vessels and Piping, Vol. 168, pp. 87-93, 2018.
[14]              Ghajar R., Saeidi Googarchin H., Investigation of Pressure Gradient Effect on Stress Intensity Factor Variations in Autofrettaged Cracked Thick-walled Tubes Using two Dimensional Weight Function Method. Modares Mechanical Engineering, Vol. 14, No. 8, pp. 137-145, 2014.
[15]              Seifi R., Dejam A., Study the Effect of Autofrettaging of Functionally Graded Cylinder on the Surface Crack Parameters Using Numerical Discretizing of Stress Fields. Modares Mechanical Engineering, Vol. 15, No. 4, pp. 255-264, 2015.
[16]              Seifi R., Hakimi H., Evaluation of Fatigue Crack Growth due to Bending on the Autofrettaged Cylinders with External crack. Modares Mechanical Engineering, Vol. 16, No. 11, pp. 35-44, 2017.  
[17]              Sedighi M., Jabbari A., Razeghi A., Effective Parameters on Fatigue Life of Wire-wound Autofrettaged Pressure Vessels. International Journal of Pressure Vessels and Piping, Vol. 149, pp. 66-74, 2017.
[18]              Perl M., Saley T., Swage and Hydraulic Autofrettage Impact on Fracture Endurance and Fatigue Life of an Internally Cracked Smooth Gun Barrel Part II–The Combined Effect of Pressure and Overstraining. Engineering Fracture Mechanics, Vol. 182, pp. 386-399, 2017.
[19]              Perry J., Perl M., Shneck R., Haroush S., The Influence of the Bauschinger Effect on the Yield Stress, Young’s Modulus, and Poisson’s Ratio of a Gun Barrel Steel. Journal of pressure vessel technology, Vol. 128, No. 2, pp. 179-184, 2006.