مدل سازی چند مقیاسی ترک خستگی در اتصالات جوشی فولادی با درنظر گرفتن اثر اندرکنش ترکهای مجاور با استفاده از روش المان محدود توسعه یافته و مدل ناحیه چسبنده

اتصالات جوشی در سازه های فولادی به دلیل تمرکز تنش و تغییرات ریز ساختاری در ناحیه متاثر از حرارت (HAZ)، مستعد تشکیل و رشد ترکهای خستگی هستند. در شرایط واقعی اغلب چندین ترک مجاور به طور همزمان در یک اتصال رشد می کنند و اندرکنش آنها می تواند عمر خستگی باقیمانده را به طور چشمگیری تحت تاثیر قرار دهد. با این حال، پژوهش های موجود عمدتا به بررسی رشد ترک های منفرد پرداخته و اثر اندرکنش ترک های مجاور مغفول مانده است. در این پژوهش، یک رویکرد چند مقیاسی مبتنی بر روش المان محدود توسعه یافته (XFEM) و مدل ناحیه چسبنده (CM) برای شبیه سازی رشد همزمان دو ترک مجاور در اتصالات جوشی فولاد St۳۷ ارائه شده است. ابتدا توزیع حرارت ناشی از فرایند جوشکاری به روش غیرخطی در نرم افزار Abaqus/Standard شبیه سازی شد. سپس ناحیه HAZ با استفاده از یک زیربرنامه UMAT در فرترن به مدل ناحیه چسبنده مجهز گردید. دو ترک اولیه بیضوی با فواصل نسبی متفاوت نسبت فاصله به طول ترک ۰.۲۵، ۰.۵، ۱، ۲ و ۴ در لبه ناحیه HAZ ایجاد شدند و تحت بارگذاری خستگی با نسبت تنش ۱ قرار گرفتند. نتایج نشان داد که برای فاصله نسبی کمتر از ۰.۵ ضریب شدت تنش موثر (AK_eff) در نوک هر دو ترک به طور متوسط ۴۲ درصد نسبت به حالت تک ترک افزایش می یابد که منجر به کاهش ۳۸ درصد در عمر خستگی می گردد. با افزایش فاصله نسبی به بیش از ۲، اثر اندرکنش به کمتر از ۸ درصد کاهش می یابد. یک ناحیه اندرکنش قوی (Strong Interaction Zone) در فواصل نسبی کمتر از ۰.۷ شناسایی شد. مدل XFEM-CZM توسعه یافته با دقت ۹۴.۲ درصد در پیش بینی عمر خستگی در مقایسه با داده های تجربی، کارایی بالای خود را نشان داد. نادیده گرفتن اثر اندرکنش ترک های مجاور می تواند عمر خستگی را تا بیش از ۲ برابر بیش برآورد کند که این موضوع به طور جدی ایمنی سازه های موجود را به خطر می اندازد. ارائه اولین مدل چند مقیاسی رشد همزمان ترک های مجاور در اتصالات جوشی با ترکیب XFEM و CZM و تعیین کمی ناحیه اندرکنش قوی برای اولین بار در ایران.

کلیدواژه ها:

روش المان محدود توسعه یافته ، مدل ناحیه چسبنده ، خستگی ، اندرکنش ترکهای مجاور ، اتصال جوشی فولادی ، ناحیه متاثر از حرارت