بررسی مکانیسم آغاز ترک و مقادیر حدی شکست خستگی در سازه‌های دریایی

نوع مقاله : مروری

نویسندگان

1 کارشناسی ارشد، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه جامع امام حسین (ع)، تهران

2 کارشناسی ارشد، دانشکده مهندسی دریا، دانشگاه امیرکبیر، تهران

چکیده

با پیشرفت صنعت و افزایش تعداد وسایلی از قبیل خودرو، هواپیما، کشتی، کمپرسور، پمپ، توربین و غیره که تحت بارگذاری تکراری و ارتعاشی هستند، خستگی بیشتر متداول شده و اکنون چنین برداشت می‌شود که عامل حداقل ۹۰ درصد شکست‌های ناشی از دلایل مکانیکی حین کار خستگی باشد. عموماً شکست سازه‌ای در تنش‌های خیلی‌کمتر از مقاومت نهایی مواد اتفاق می‌افتد که نمونه‌هایی از آن شامل پل‌ها‌، مخازن، لوله‌ها‌، کشتی‌ها‌، راه‌آهن و سازه‌های هوا فضا می‌باشند. شکست ترد بدون وقوع تغییر شکل محسوس و توسط انتشار ترک سریع بروز می‌کند. جهت حرکت تقریباً عمود بر جهت تنش کششی اعمالی است و یک سطح شکست نسبتاً تخت را نتیجه می‌دهد. سطوح شکست موادی که در حالت ترد شکسته‌اند دارای الگوهای متمایز مربوط به خود می‌باشند. خستگی بطور معمول همراه با جوانه‌زنی ترک در سطح قطعه یا نواحی تمرکز تنش و انتشار آن در ناحیه تحت تنش بیشینه است. کاربرد روش مکانیک شکست برای مواد شکننده یا اعمال ضریب اطمینانی مناسب و در نظر گرفتن کمترین تغییر شکل مجاز میسر می‌باشد. در روش طراحی با استفاده از مکانیک شکست، سه عامل تنش اعمال شده‌، ابعاد ترک (‌هر‌چند کوچک) و چقرمگی از معیارهای طراحی بشمار می‌آیند. در این مقاله، ترک‌های ناشی از خستگی و مکانیزم تشکیل ترک‌های خستگی در سازهای دریایی مورد بررسی قرار گرفته است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Investigation of crack initiation mechanism and fatigue failure values ​​in marine structures

نویسندگان [English]

  • Amin Moslemi Petrudi 1
  • MohammadAli Moslemi Petrudi 2
1 Imam Hussein University
2 Amirkabir
چکیده [English]

With the advancement of industry and the increase in the number of devices such as cars, airplanes, ships, compressors, pumps, turbines, etc., which are under repeated loading and vibration, fatigue has become more common and it is now understood that at least 90% of fractures due to mechanical reasons are due to fatigue during work. Structural failure generally occurs at stresses much lower than the ultimate strength of the material, examples of which include stairs, tanks, pipes, ships, railways, and aerospace structures. Brittle failure occurs without noticeable deformation and is caused by rapid crack propagation. The direction of movement is almost perpendicular to the direction of the tensile stress and results in a relatively flat failure level. Fracture surfaces of materials that are failure in the brittle state have their own distinct patterns. Fatigue is usually accompanied by crack at the surface of the part or areas of stress concentration and its propagation in the area under maximum stress. It is possible to use the failure mechanics method for brittle materials or to apply the appropriate reliability factor and consider the minimum allowable deformation. In the design method using fracture mechanics, three factors of applied stress, crack dimensions (however small) and toughness are the design criteria. In this paper, fatigue cracks and the mechanism of fatigue crack formation in marine instruments are investigated.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Fatigue failure
  • crack
  • Marine structures
  • Instability
  • unstable failure
[1]    سمیع زاده, م., فرهنگی, ح., سلطانی, ن. (1385). بررسی شکست خستگی و عمر رشد ترک در پره های فن روتور ژنراتور یک نیروگاه حرارتی. مکانیک هوا فضا.
[2]    میرزایی, م., کریمی, ر. (1380). تعیین سرعت رشد ترک در پره توربین گازی بر اساس مکانیک شکست. فنی و مهندسی مدرس.
[3]    آیت الهی, م., چمنی, ح., محمدی, ف. (1390). ارزیابی عمر خستگی حرارتی مکانیکی قطعات گرم موتور دیزل. تحقیقات موتور.
[4]    سیفی, ر., حکیمی, ح. (1395). بررسی رشد ترک خستگی ناشی از خمش در استوانه های اتوفرتاژ شده با ترک خارجی. مهندسی مکانیک مدرس (فنی و مهندسی مدرس).
[5]    مامندی, ا., احمد, رجبی, مصطفی. (1395). تحلیل مکانیک شکست و تخمین عمر رشد ترک خستگی پره توربین گاز با استفاده از روش المان محدود. مهندسی مکانیک دانشگاه تبریز, 46(2), 125-139.‎
[6]    نیک مهر, م., آزادی, م. (1395). تخمین نرخ رشد ترک خستگی با فاصله موج ها در سطح شکست آلیاژ آلومینیم 2024. دومین همایش یافته های نوین هوافضا، مکانیک و علوم وابسته.
[7]    امیریان, ج., شیرانی, م. (1396). مقایسه نظریه های مختلف پیش بینی شکست خستگی نمونه های فاق دار فولاد CK45.
[8]    معتمدی, ح., صادقیان, م., حسینی عقدا, س. ا. (1396). مقایسه مقاومت خستگی و انرژی شکست مخلوط های آسفالتی حاوی اصلاح کننده های ساسوبیت و پارافایبر. نهمین همایش قیر و آسفالت ایران.
[9]    اسدی, م., معیری کاشانی, ح. (1397). شبیه سازی شکست خستگی در شاسی دستگاه مارپیچ انتقال مواد فله. سومین کنفرانس بین المللی مهندسی مکانیک و هوافضا.
[10] سمیعی, م., آزادی, م. (1397). تخمین عمر خستگی کم چرخه آلیاژ آلومینیوم - سیلیسیوم- منیزیم سرسیلندر موتور براساس آثار موجی شکل در سطح شکست و رابطه رشد ترک پاریس. بیست و ششمین همایش سالانه بین المللی انجمن مهندسان مکانیک ایران.
[11] رحمانی, ع., نظام آبادی, ع. (1398). تحلیل شکست ناشی از خستگی- خوردگی پره های کمپرسور توربین گازی. ششمین کنفرانس سالانه ملی مهندسی مکانیک، صنایع و هوافضا ایران.
[12] محمدی, م., جمشیدی, ن. (1398). آنالیز فلاتر پره روتاری مرحله اول کمپرسور یک مدل توربین گاز با وجود مشکلات ارتعاشی و حوادث شکست خستگی مکانیکی. بیست و هفتمین کنفرانس بین المللی انجمن مهندسان مکانیک ایران.
[13] سکاکی، م. (1395) «خستگی مواد و فلزات و تحلیل مراحل و نحوه وقوع خستگی و آزمون‌های خستگی». سایت گروه مهندسی مکاسیس.
[14] Y. Furuya, "Gigacycle Fatigue Properties of Double-Melted SCM440 Steel and Size Effects," Tetsu-to-Hagane, vol. 99, no. 5, pp. 373-379, 2013.
[15] J. Lankford and F. N. Kusenberger, "Initiation of fatigue cracks in 4340 steel," Metallurgical Transactions, vol. 4, no. 2, pp. 553-559, 1973// 1973.
[16] Ray, S. K. Paul, and S. Jha, "Effect of Inclusions and Microstructural Characteristics on the Mechanical Properties and Fracture Behavior of a High- Strength Low- Alloy Steel," Journal of Materials Engineering and Performance, vol. 4, no. 6, pp. 679-688, 1995// 1995.
[17] W. A. Spitzig and R. J. Sober, "Influence of sulfide inclusions and pearlite content on the mechanical properties of hot-rolled carbon steels," Metallurgical Transactions A, vol. 12, no. 2, pp. 281-291, 1981// 1981.
[18] Gabelli, J. Lai, T. Lund, K. Rydén, I. Strandell, and G. E. Morales-Espejel, "The fatigue limit of bearing steels – Part II: Characterization for life rating standards," International Journal of Fatigue, vol. 38, pp. 169-180, 5// 2012.
[19] C. Liu, S. Yang, J. Li, L. Zhu, and X. Li, "Motion Behavior of Nonmetallic Inclusions at the Interface of Steel and Slag. Part I: Model Development, Validation, and Preliminary Analysis," Metallurgical and Materials Transactions B, vol. 47, no. 3, pp. 1882-1892, 2016// 2016.
[20] T. Billaudeau and Y. Nadot, "Support for an environmental effect on fatigue mechanisms in the long life regime," International Journal of Fatigue, vol. 26, no. 8, pp. 839-847, 8// 2004.
[21] T. Nakamura, H. Oguma, and Y. Shinohara, "The effect of vacuum-like environment inside sub-surface fatigue crack on the formation of ODA fracture surface in high strength steel," Procedia Engineering, vol. 2, no. 1, pp. 2121-2129, 2010/04/01 2010.
[22] J. Petit, C. Sarrazin-Baudoux, and F. Lorenzi, "Fatigue crack propagation in thin wires of ultra high strength steels," Procedia Engineering, vol. 2, no. 1, pp. 2317-2326, 2010/04/01 2010.
[23] C. Ruffing, Y. Ivanisenko, and E. Kerscher, "A comparison of the fatigue and fracture behavior of high strength ultrafine grained medium carbon steel SAE 1045 with high strength bearing steel SAE 52100," Procedia Structural Integrity, vol. 2, pp. 3240-3247, // 2016.
[24] E. resign, P. E. Irving, and M. J. Robinson, "Development and early growth of fatigue cracks from corrosion damage in high strength stainless steel," Procedia Engineering, vol. 2, no. 1, pp. 387-396, 2010/04/01 2010.
[25] M. Bacher-Hoechst and S. Issler, "How to Deal with Very High Cycle Fatigue (VHCF) Effects in Practical Applications?," Materials Testing, vol. 54, no. 11-12, pp. 742-745, 2012/11/01 2012.
[26] S. Kovacs, T. Beck, and L. Singheiser, "Influence of mean stresses on fatigue life and damage of a turbine blade steel in the VHCF-regime," International Journal of Fatigue, vol. 49, pp. 90-99, 4// 2013.
[27] T. Sakai, "Review and Prospects for Current Studies on Very High Cycle Fatigue of Metallic Materials for Machine Structural Use," Journal of Solid Mechanics and Materials Engineering, vol. 3, no. 3, pp. 425-439, 2009.
[28] Y. Murakami, S. Kodama, and S. Konuma, "Quantitative evaluation of effects of non-metallic inclusions on fatigue strength of high strength steels. I: Basic fatigue mechanism and evaluation of correlation between the fatigue fracture stress and the size and location of non-metallic inclusions," International Journal of Fatigue, vol. 11, no. 5, pp. 291-298, 1989/09/01 1989.
[29] P. Grad, B. Reuscher, A. Brodyanski, M. Kopnarski, and E. Kerscher, "Mechanism of fatigue crack initiation and propagation in the very high cycle fatigue regime of high-strength steels," Scripta Materialia, vol. 67, no. 10, pp. 838-841, 11// 2012.
[30] T. Sakai et al., "Statistical duplex S–N characteristics of high carbon chromium bearing steel in rotating bending in very high cycle regime," International Journal of Fatigue, vol. 32, no. 3, pp. 497-504, 3// 2010.
[31] K. Shiozawa, Y. Morii, S. Nishino, and L. Lu, "Subsurface crack initiation and propagation mechanism in high-strength steel in a very high cycle fatigue regime," International Journal of Fatigue, vol. 28, no. 11, pp. 1521-1532, 11// 2006.
[32] Design for Strength, Module-3, NPTEL Course Ware, IITKGP.