در این مقاله آشنایی با مکانیک شکست الاستیک خطی و خستگی و نحوه جلوگیری از رشد ترک، تعریف مکانیک شکست، ضریب شدت تنش، مودهای مختلف شکست، انتگرال J، روش های تعمیراتی مختلف و وصله های کامپوزیتی برای جلوگیری از رشد ترک ارائه شده است.
پیشنهاد ویژه سایت ایران مدرس: وصله های تعمیراتی برای جلوگیری از رشد ترک
در دهه های گذشته استفاده از اصول طراحی از دیدگاه مکانیک شکست به منظور جلوگیری از شکست ناگهانی و یا تدریجی اجزا، سازه ها و قطعات ماشینهای مختلف به یک نیاز تبدیل شده و بسیار مورد استقبال قرار گرفته است. در حال حاضر اکثر طراحی ها با این روش انجام میشود و یا سازه های طراحی شده با روشهای دیگر، از نظر ایمنی در مقابل شکست، از این دیدگاه مورد بررسی قرار میگیرند. خصوصا در سازه های هوافضا استفاده از دیدگاه مکانیک شکست بسیار متداول بوده و عمر باقیمانده سازه و دوره های بازرسی با استفاده از این روش مشخص می گردد.
ایجاد و رشد ترک در قطعات و سازه ها یک امر اجتناب ناپذیر میباشد. در اکثر قطعات و سازه ها ترکهایی وجود دارد که ممکن است با چشم هم قابل مشاهده نباشند. عامل وقوع این ترکها می تواند نیروهای متناوب وارد بر قطعه، کشیدگی ناشی از عملیات جوشکاری، عیوب و حفره های ناشی از ریخته گری، تنشهای حرارتی و موارد دیگر باشد.
مکانیک شکست علم مربوط به انتشار ترک در مواد، قطعات و سازه ها است. از علوم تجربی و تحلیلی مکانیک جامدات برای محاسبه نیروی محرک یک ترک و در نتیجه میزان مقاومت مواد در برابر شکست استفاده میشود. فرآیندهای ساخت مواد، پردازش، ماشین‌کاری و تولید قطعات، درنهایت ممکن است منجر به ایجاد نقص یا ترک در یک قطعه یا جزء مکانیکی گردند. مکانیک شکست الاستیک خطی به منظور تخمین مقدار انرژی مورد نیاز برای گسترش ترکهای موجود در یک ماده ترد یا شکننده مورد استفاده قرار میگیرد.
کلیک کنید: مشاهده لیست اساتید و مدرسین تدریس خصوصی مهندسی مکانیک
اروین کمیت ضریب شدت تنش Stress Intensity Factor را تعریف کرد و با محاسبه این پارامتر برای ترک ایجاد شده در جسم جامد الاستیک خطی و مقایسه آن با مقدار بحرانی همین پارامتر میتوان در رابطه با رشد یا عدم رشد ترک اظهار نظر نمود. بر اساس مشاهدات اروین، در صورتی که اندازه ناحیه پلاستیک اطراف یک ترک نسبت به طول آن کوچک باشد، انرژی مورد نیاز برای رشد ترک وابستگی زیادی به حالت تنش در نوک ترک نخواهد داشت. به عبارت دیگر، در این حالت میتوان از یک راه حل کاملاً الاستیک برای محاسبه مقدار انرژی قابل دسترس شکست استفاده کرد.
مود I شکست – مود بازشوندگی: در مود I شکست تنش کششی عمود بر صفحه ترک اعمال میشود. در شکل زیر مود I شکست یا مود بازشوندگی در کنار مودهای شکست دیگر قابل مشاهده است.
مود II شکست – مود برشی داخل صفحه: در این حالت تنش برشی به موازات صفحه ترک و عمود بر جبهه ترک اعمال میشود.
مود III شکست – مود برشی خارج صفحه: در این حالت تنش برشی به موازات صفحه ترک و موازی با جبهه ترک اعمال میشود.
حتما بخوانید: معرفی کتاب وصله های تعمیراتی کامپوزیتی دکتر سیروان محمدی
انتگرال J: انتگرال مستقل از مسیر J که اولین بار توسط Rice معرفی شد، دارای کاربردهای زیادی در تعیین میزان رهایی انرژی کرنشی (خصوصا در مواد غیر خطی) است. در ابتدا، انتگرال J روشی برای محاسبه میزان رهایی انرژی کرنشی یک ماده همگن ارتجاعی خطی و یا غیرخطی بدون در نظر گرفتن نیروهای جسمی و تنشهای اولیه در حالت دو بعدی معرفی گردید. اما این روش قدرتمند در حال حاضر برای مواد الاستوپلاستیک و حالتهای سه بعدی نیز گسترش داده شده و همچنین جداسازی این کمیت برای مودهای مختلف نیز امکان پذیر شده است.
خاصیت مستقل از مسیر بودن انتگرال J از اهمیت زیادی برخوردار است. علت اصلی این اهمیت در این است که می توان با اطلاعات موجود در منطقه ای نسبتا دور از نوک ترک، انرژی موجود در نوک ترک را برای مواد الاستیک و همچنین غیرالاستیک محاسبه کرد. برای مواد الاستیک خطی انتگرال J برابر میزان رهایی انرژی کرنشی (G) است. برای مواد غیرخطی انتگرال J خود به عنوان یک پارامتر شکست مورد استفاده قرار میگیرد.
مطالعه نمائید: دانلود پدیده شکست در اجسام
در بسیاری از صنایع در حالتیکه تعویض قطعه ممکن یا اقتصادی نباشد ترمیم انجام میشود. برای تعمیر و ترمیم صفحات، مخازن، لوله ها و ... روشهای مختلفی از جمله جوشکاری محل نقص یا ترک، استفاده از وصله فلزی متصل شده با پرچ، استفاده از وصله کامپوزیتی متصل شده با چسب و .... وجود دارد. یکی از بهترین روشهای موجود برای تعمیر قطعات فلزی و کامپوزیتی استفاده از وصله کامپوزیتی متصل شده با چسب است. وصله های کامپوزیتی به نسبت سایر انواع روشهای تعمیراتی مزیتهای فراوانی دارد و همچنین پارامترهای مختلف روی عملکرد و بازدهی آن اثر میگذارد که در مراجع مختلف مورد بررسی قرار گرفته است.
وصله کامپوزیتی رفتار خستگی را بهبود میبخشد، خوردگی را کاهش میدهد و به راحتی شکل میپذیرد. ضخامت وصله توسط الزامات آیرودینامیکی و ممان خمشی ایجاد شده محدود میگردد. به صورت ایده آل از تعمیر انتظار میرود سازه را به حالت اول خودش برگرداند. مهمترین مزیت وصله کامپوزیتی این است که سوراخ جدیدی ایجاد نمیشود و سازه ضعیفتر نمی گردد. ضخامت لازم برای وصله کامپوزیتی 33 تا 50 درصد وصله آلومینیومی است. تعمیرات پرچ در مقایسه با وصله کامپوزیتی سریعتر انجام میشود و تجهیزات خاصی لازم ندارد. در حالیکه نصب وصله کامپوزیتی پیچیده تر است. بازرسی وصله کامپوزیتی سختتر است و پرسنل باید آموزش ببینند.
کامپوزیت از دروس رشته مکانیک است. کامپوزیتها نسبت مقاومت به وزن بالاتری به نسبت فلزات دارند و در مقابل خوردگی و آسیب مقاومترند. برای ساخت قطعات مختلف شکل پذیرتر هم می باشند. روشهای سنتی تعمیر کشتی شامل جوشکاری، وصله پیچ شده و جایگزینی صفحه است. در حالت تعمیر با جوش باید کل دستگاهها خاموش شوند تا آتش سوزی اتفاق نیافتد. در ضمن تنش پسماند هم ایجاد میشود و خواص مواد تغییر میکند. در وصله با پیچ هم تمرکز تنش ایجاد میشود. وصله کامپوزیتی دمای بالا نمیخواهد، تمرکز تنش ایجاد نمیکند و با هر شکلی قابل اعمال است. همچنین وزن کمی دارد و به نسبت جوش مهارت کمتری میخواهد. کامپوزیتهارسانا نیستند و خوردگی گالوانیک در آنها رخ نمیدهد. برای منابع ذخیره نفت و گاز در ساحل دریا هم که کار گرم نمیتوان انجام داد وصله ها برای تعمیرات بسیار مناسبتر از جوش است. بعضی از هواپیماها اکثرا از کامپوزیت ساخته شده اند و برای تعمیر آنها وصله کامپوزیتی مناسب است.
پیشنهاد می شود مطالعه نمائید: طراحی از دیدگاه مکانیک شکست در مهندسی مکانیک
1- با توجه به بازدهی بسیار بیشتر وصله های دوطرفه، توصیه میشود هر جا که امکان دارد، به جای وصله یک طرفه، از وصله دوطرفه برای تعمیر استفاده گردد.
2- با توجه به اینکه با رسیدن ترک به لبه و گوشه وصله، SIF یک مرتبه زیاد خواهد شد پس عرض وصله تا جایی که ممکن است باید بزرگ باشد.
3- بهتر است خواص ماده وصله به سازه اصلی نزدیک باشد. برای فولاد و آلومینیوم وصله بور و کربن که استحکام و سفتی بالایی دارند و به ماده پایه نزدیکترند بیشتر استفاده شده اند. برای بار یک جهته، وصله با فیبر در یک راستا مناسب است ولی برای بار ترکیبی از وصله بافته شده که در هر دو جهت فیبر دارد استفاده می شود. استحکام استاتیکی وصله باید بزرگتر یا مساوی ماده اصلی باشد. در حالت بارگذاری چند محوره وصله فلزی که با چسب متصل شده باشد به نسبت وصله کامپوزیتی بهتر است.
مطالعه کنید: خلاصه درس کامپوزیت - مواد مرکب مقطع ارشد مهندسی مکانیک با توضیحات مفید و خوب
4- گرافیت اپوکسی و بور اپوکسی به عنوان وصله بسیار مناسب هستند. مدول یانگ بالا، مقاومت بالا به آسیب، مقاومت به خوردگی، فرم پذیری، رسانش الکتریکی کم و ... از مزیتهای این وصله ها است. گرافیت اپوکسی به خاطر شکل پذیری بهتر برای نواحی با شعاع کمتر و گاها به خاطر قیمت کمتر و در دسترس بودن بیشتر استفاده میشود.
5- یکی از آسیبهای محتمل برای وصله ها جدایش وصله است. اکوستیک امیشن برای پایش آنلاین انواع خرابی استفاده میشود. هر چند عمر ایمن برای وصله تعیین میشود ولی به هر حال رشد ترک زیر وصله و خود وصله و اتصال آن به فلز باید مرتبا مورد بررسی قرار گیرد. در اکوستیک امیشن حین کار، با دانستن جهت ترک فقط دو سنسور کافی است.
برای مشاهده لیست مدرسین کامپوزیت بر روی عبارت معلم خصوصی کامپوزیت کلیک کنید.
6- برای حصول بازدهی بیشتر میتوان از وصله دارای پیش تنش استفاده کرد. ایجاد پیشتنش تاثیر تقویت کنندگی وصله را افزایش میدهد. افزایش پیش تنش، خصوصا برای ترکهای کوچک، باعث کاهش ضریب شدت تنش و افزایش بازدهی وصله میگردد. مطالعه کنید: کتاب وصله های تعمیراتی کامپیوزتی فصل ششم
منبع: ایران مدرس (استفاده از مطالب با ذکر منبع و لینک به ایران مدرس مجاز است)
