ANSYS Mechanical مجموعه بزرگی از ابزارها برای محاسبه مشکلات مربوط به مکانیک شکست دارد. در این مقاله زیر مجموعه ای از امکانات موجود در ANSYS Mechanical را نشان خواهیم داد.
محاسبه پارامترهای مکانیک شکست
اساس در مکانیک شکست محاسبه پارامترهای شکست مانند ضریب شدت تنش (KI، KII و KIII) یا انتگرال J برای تعیین اینکه آیا ترک رشد ترک پایدار را نشان می‌دهد یا منجر به شکست سریع سازه مورد مطالعه میشود.
مدل سازی یک ترک
سه روش مختلف برای تعریف ترک در ANSYS Mechanical وجود دارد:
- ترک با جبهه ترک دلخواه
- ترک نیم بیضوی
- ترک با مش از پیش تعریف شده
شکل: ترک نیم بیضوی؛ تولید خودکار ترک نیمه بیضوی در هر نقطه از مدل. بدون نیاز به آماده سازی هندسه از قبل، به سادگی موقعیت و جهت ترک را مشخص میشود.
شکل: ترک از پیش تولید و مش بندی شده که توسط ابزار مش بندی معمولی ایجاد شده یا از مدل خارجی وارد شده است.
تحلیل مکانیک شکست، یک تحلیل سازهای استاتیک است که ممکن است شامل تئوری برای تغییر شکل بزرگ (Large deformation)، پلاستیسیته (Plasticity)، بارگذاری حرارتی (Thermal loads) و بار اعمال شده بر روی سطوح ترک باشد.
داده های خروجی
یکی از رایج ترین پارامترهای مکانیک شکست، در مود اول شکست، ضریب شدت تنش KI (باز شدن ترک در کشش) است که با ضریب شدت تنش بحرانی KIC مقایسه می شود. اگر مقدار KI بزرگتر از KIC باشد، انتشار ترک ناپایدار رخ می دهد و ترک با سرعت صوت (حدود ۵۲۰۰ متر بر ثانیه در فولاد) رشد میکند.
نتایج تحلیل مکانیک شکست عبارتند از:
-
ضریب شدت استرس هر سه مود شکست: KI، KII، KII
حالت های شکست به تجزیه تنش های نوک ترک به سه بار یا “مود” اشاره دارد. حالت ها Mode-I (تنش متعامد با صفحه محلی سطح ترک)، Mode-II (تنش موازی با سطح ترک اما متعامد با جلوی ترک) و Mode-III (تنش موازی با سطح ترک و به جلوی ترک).
-
J-انتگرال: J
انتگرال J راهی برای محاسبه نرخ آزاد شدن انرژی کرنشی یا کار (انرژی) در واحد سطح شکست در یک ماده است. … انتگرال J برابر است با نرخ آزاد شدن انرژی کرنشی برای یک ترک در جسم تحت بارگذاری یکنواخت.
-
نرخ رهایش انرژی: G1، G2، G3 و Gtotal
نرخ رهایش انرژی در زمینه مکانیک شکست هنگام حل مسائل و تخمین خواص مواد مربوط به شکست و خستگی بسیار مهم است.
-
نیروی ماده: X، Y،Z
رویکرد نیروی ماده یک ویژگی پیشرفته است که یک روش عمومی تر و آسان تر برای ارزیابی معیارهای مکانیکی شکست و جهت انتشار ترک است. ارزیابی نیروی ماده بر اساس مکانیک پیوسته و بردارهای نیروی مادی است که بر روی عیوب، ناپیوستگی ها و نابجایی ها عمل می کنند.
-
تنشT
-
C* در تحلیل خزش
محاسبات رشد ترک
وقتی مسیر رشد ترک مشخص باشد، روش (VCCT: Virtual Crack Closure Technique) با استفاده از عناصر لایه واسط در طول مسیر ترک مورد انتظار در مود اول شکست، در دسترس است. روش VCCT شامل محاسبه داده های مکانیک شکست در طول مسیر رشد ترک است.
- X-FEM
FEM توسعه یافته (X-FEM) روشی است که بر اساس آن المان ها به اصطلاح از توابع غنی‌سازی (Enrichment Function) استفاده می‌کنند که اجازه می‌دهد المان در طی مسیر بار تقسیم شود. در ANSYS این رویکرد به دو روش اجرا میشود:
روش گره فانتوم: این روش بر اساس وضعیت تنش اصلی فعلی در نوک ترک برای تعیین جهت رشد ترک است. این روش مستلزم آن است که کل المان تقسیم شود. این روش هیچ پارامتر مکانیک شکست را محاسبه نمی کند.
روش مبتنی بر سینگولاریتی: این روش پارامترهای مکانیک شکست را محاسبه می کند، ترک می تواند تا حدی به یک عنصر نفوذ کند و شمارش عمر خستگی با استفاده از قانون پاریس اجرا می شود.
هر دو روش برای هندسه های دو بعدی و سه بعدی قابل اجرا هستند. انواع المان های مورد استفاده المان های Solid خطی هستند، تئوری برای انحرافات کوچک (Small Deflections) و مواد الاستیک خطی (Linear LEFM: Elastic Fracture Mechanics) باید استفاده شود.
- SMART
فناوری SMART (SMART : Separating, Morphing, Adaptive and Remeshing Technology) جدیدترین ابزار برای محاسبه رشد ترک در محیط مکانیکال انسیس است. SMART فقط برای اجسام سه بعدی پیاده سازی شده است و پارامتر شکست K1 را محاسبه می کند، از شمارش چرخه عمر خستگی با استفاده از قانون پاریس پشتیبانی می کند. نوع المانی که پشتیبانی میکند، المان های چهار وجهی (Tetrahedron) درجه دوم است. تئوری انحراف کوچک و مدل‌های مواد خطی پشتیبانی می‌شوند.
متغیرهای خروجی موجود عبارتند از میزان رشد ترک، شمارش چرخه تناوب، حداکثر ضریب شدت تنش K1 در مقابل عمق ترک و مقادیر K1 در طول مسیر ترک در عمق ترکهای مختلف. در جدول زیر تعداد چرخه ها در مقابل میزان رشد ترک نشان داده شده است. شروع ترک می تواند هر ترک تعریفی که قبلا ذکر شد، باشد.
روش های دیگر برای شبیه سازی شکست
- مدل سازی ناحیه چسبنده (CZM : Cohesive Zone Modeling) که برای شکست جوشهای نقطهای یا لایه لایه شدن کامپوزیت ها استفاده می شود.
- تولد و مرگ المان راهی برای از بین بردن المان هایی است که از معیارهای تنش یا کرنش خاصی فراتر می روند.
- تجزیه و تحلیل صریح (Explicit) با استفاده از معیارهای شکست مواد یا مش.