تحليل اجزاي محدود آسيب خستگي فلزات براساس مدل‌هاي مبتني بر آنتروپي ترموديناميكي

Finite Element Analysis of Metals Fatigue Damage Based on Thermodynamic Entropy models

مقدار آنتروپي توليدي طي بارگذاري خستگي به عنوان يك شاخص از انباشت آسيب در ماده تلقي مي شود. با استفاده از تكنيك ترموگرافي و ثبت توزيع ميدان دما در سطح نمونه تحت بارگذاري چرخه‌اي به‌وسيله دوربين مادون قرمز و همچنين محاسبه انرژي اتلافي و در نظر گرفتن امكان تبادل حرارت نمونه با محيط، مي‌توان نرخ خالص توليد آنتروپي در سيستم را محاسبه كرد. انتظار مي‌رود كه با به‌كارگيري ابزار مناسب، بتوان اين روش را به عنوان يك روش بازرسي غيرمخرب در رابطه با آسيب ناشي از خستگي فلزات مورد استفاده قرار داد. اين تحقيق به منظور امكان‌سنجي و بررسي قابليت كاربرد روش ياد شده به كمك مدل‌سازي و تحليل عددي انجام شده است. در اين مقاله با استفاده از روش عددي اجزاي محدود و در قالب نرم‌افزار آباكوس به شبيه‌سازي آزمون خستگي خمش كاملاً معكوس‌شونده روي نمونه‌هاي استاندارد از جنس آلومينيوم (Al6061-T6) كه نتايج آزمون آزمايشگاهي آن موجود است، پرداخته مي‌شود. براساس نتايج تحليل مكانيكي و حرارتي به روش كوپل متوالي، به محاسبه نرخ توليد آنتروپي، آنتروپي شكست خستگي، متغير آسيب و تخمين عمر باقي‌مانده براساس اين متغير پرداخته مي‌شود. نتايج حاصل از شبيه‌سازي عددي با نتايج آزمون‌هاي آزمايشگاهي مقايسه و اعتبارسنجي مي‌شود. همچنين يك تحليل عددي براي تخمين افزايش دما و بررسي پديده خودگرمايي خستگي در اثر بارگذاري چرخه‌اي براساس مشخصه‌هاي منحني كرنش- عمر و تخمين انرژي اتلافي، با بهره‌گيري از امكان اسكريپت‌نويسي پايتون در نرم‌افزار آباكوس روي نمونه آزمون محوري از جنس فولاد(AISI 4340) صورت مي‌گيرد. نتايج پژوهش حاكي از آن است كه كاربرد ترموگرافي مادون قرمز به عنوان يك روش ارزيابي غيرمخرب در محدوده خستگي كم‌چرخه ابزاري مناسب براي ارزيابي ميدان دما و در نتيجه تخمين آسيب انباشته در ماده است

The amount of entropy generation during the fatigue loading is treated as an indicator of the damage accumulation in the material. The net entropy production rate of the system can be computed using the thermography technique and recognizing the temperature field distribution at a specimen surface under cyclic loading by the infrared camera and calculating the dissipated energy and considering the possibility of the specimen heat transfer with the environment. It is expected that using the appropriate tool, this method can be used as a non-destructive inspection method concerning the fatigue-induced damage of materials. This research has been conducted to feasibility study and applicability of the methodology through numerical modeling and analysis. In this paper, using the finite element numerical method and in the framework of Abaqus software, simulations of fully reversed bending are carried out on the standard specimens of aluminum (Al6061-T6) whose experimental test results are available in the literature. Based on the results of the mechanical and thermal analysis, calculating the entropy production rate, fatigue fracture entropy, damage variable and remaining life assessment based on this variable are performed. The results obtained from the numerical simulation are compared and validated with the results of experimental tests. Also, a numerical analysis is carried out to estimate the temperature enhancement and fatigue selfheating phenomenon due to the cyclic loading based on the strain-life curve characteristics and dissipated energy on the axial specimen made of (AISI 4340). The results obtained from the research indicate that the infrared thermography technique as a non-destructive evaluation method in the low cycle fatigue range is a suitable tool for the temperature field evaluation and subsequently, the accumulated damage estimation in the material