بررسي عددي و تجربي رفتار خستگي كارابين ساخته شده از آلياژ آلومينيوم 7175

Numerical and Experimental Investigations on Fatigue Behavior of a Carabiner made from Al-7175

در اين تحقيق رفتار خستگي كارابين مدل GUARDO ساخته شده از آلومينيوم 7175 مورد بررسي قرار گرفت. آزمايش كشش يكنواخت با سرعت mm/min35 بر روي يك كارابين اعمال شد. در مرحله بعد آزمايش خستگي بر روي يك كاربين مشابه، تحت بار كششي در محدوده صفر تا kN 15با فركانس Hz 2 و فاكتور سقوط 2 (مشابه سقوط فردي به وزن kg 120 از ارتفاع 6 متر) انجام شد. عمر خستگي اين كارابين در شرايط مذكور 2227 چرخه تعيين شد. سطح مقطع شكست اين كارابين توسط ميكروسكوپ الكتروني بررسي و تصويربرداري شد. در تصاوير حاصل از شكست نگاري علاوه بر مناطق سه گانه شكست خستگي، تشكيل ترك هاي ثانويه در محدوده فازهاي ترد هم مشاهده شد. همچنين با استفاده از نرم افزار CATIA يك مدل هندسي براي كارابين طراحي شد. در ادامه به منظور مش بندي و بارگذاري خستگي كارابين تحت بارهاي مختلف چرخه اي در محدوده صفر تا حداكثر نيرو (kN 3.9.13.15.21) با فركانس Hz 2، نرم افزار المان محدود ABAQUS مورد استفاده قرار گرفت. نتايج مستخرج از اين نرم افزار، نظير مقادير تنش و كرنش در هر يك از شرايط مذكور بارگذاري، در نرم افزار FE-safe به عنوان اطلاعات ورودي اعمال شد. در اين نرم افزار براي تخمين عمر خستگي كارابين از خواص خستگي اين آلياژ و مدل تخمين عمر مانسون-كافين-باسكوين استفاده شد و تعداد چرخه هاي منجر به شكست در هر يك از شرايط بارگذاري محاسبه گرديد. در انتها يك مدل رياضي جهت تخمين رابطه بين نيرو و عمر خستگي اين نوع كارابين پيشنهاد شد.

Fatigue behavior of GUARDO Carabiner made from Al-7175 was investigated in this study. Monotonic tensile test with a cross-head speed of 35 mm.min-1 was applied on one of the Carabiners, before application of fatigue test on a similar Carabiner under a load range of 0-15 kN and a frequency of 2 Hz using a Falling Factor of 2 (this is equivalent to the free fall of a person with 120 kg weight whom attached to a rope and falls from a hight of 6 m). Under the above-mentioned condition, the fatigue life of the Carabiner was 2227 cycles. Fatigue fracture surface of the Carabiner was also examined by Scanning Electron Microscope. The results of fractography showed the formation of all the three stages of fatigue cracking as expected, as well as the presence of secondary cracks in the vicinity of brittle phases. A geometrical model of the Carabiner was designed using CATIA and specific mesh size applied on it in ABAQUS software. Simulations via ABAQUS were performed for various cyclic tensile load ranges (3, 9, 13, 15, 21 kN) with a frequency of 2 Hz. The output data for each simulation were used as input data in FE-safe software in order to estimate the fatigue life of Carabiner model. In FE-safe software, fatigue properties of Al-7175 were estimated and then Manson-Coffin-Basquin equation was used for prediction of fatigue life of carabiner for each cyclic tensile loading. Finally, a mathematical model was proposed in order to predict the relationship between the applied force and the number of cycles to failure.