مطالعه عددی رشد ترک در محیط متخلخل: اثر پارامترهای تخلخل بیضی‌شکل

Abstract

شکل و مکان تخلخل، تأثیر بسزایی بر رشد ترک در مواد متخلخل دارد. وقتی نمونه تحت تنش خارجی قرار می­گیرد، به دلیل تمرکز تنش در اطراف این تخلخل­ها، ترک­های کششی ایجادشده و با پیوستن آن‌ها به یکدیگر، شکست نهایی در نمونه به وجود می­آید. با توجه به مشکلات آزمایشگاهی جهت مطالعه رشد ترک در مقیاس تخلخل، محاسبات عددی این رفتارها راه­کار بسیار مناسبی برای دستیابی به درک صحیحی از نحوه ایجاد و رشد ترک در این مواد به شمار می­رود. ازاین‌رو، در سال­های اخیر استفاده از روش اجزا محدود توسعه‌یافته که در آن نیاز به مش­بندی مجدد ناحیه­ی اطراف ترک رفع شده، گسترش زیادی یافته است. بااین‌وجود به دلیل ساختار پیچیده فضای متخلخل، حتی در مدل­های عددی، شکل این تخلخل­ها اغلب به‌صورت دایره­ای در نظر گرفته می­شوند. در این پژوهش، تأثیر شکل، مکان و نحوه چیدمان تخلخل­های بیضی‌شکل بر رشد ترک به‌صورت عددی مدل‌سازی می­گردد. این تخلخل­ها در مقابل و جوانب ترک قرار داده‌شده و در هر مرحله نحوه توزیع تنش، تغییرات فاکتور شدت تنش و مقاومت بیشینه بررسی‌شده‌اند. نتایج نشان می­دهد که در صورت برابری اندازه‌ تخلخل‌ها، در حالتی که تخلخل مقابل ترک و به شکل بیضی قائم باشد، اثر تخریبی آن حدود 20 درصد بیشتر از تخلخل بیضی‌شکل افقی است. همچنین، هنگامی‌که تخلخل در جوانب ترک قرار دارد، با افزایش زاویه زاویه­ی بین محور افقی با راستای قطر بزرگ بیضی (α)، فاکتور شدت تنش از 1 به 94/0 کاهش‌یافته و سبب کاهش انتشار ترک در نمونه­ی متخلخل می‌شود. در ادامه، با تعریف زاویه­ی زاویه بین محور افقی با خط واصل مراکز دو تخلخل به نام β، تأثیر شکل تخلخل و نحوه قرارگیری آن بر رشد ترک در مدل‌های پیچیده‌تر (مدل­های حاوی دو تخلخل بیضی‌شکل) مورد ارزیابی قرارگرفته است. با افزایش زاویه α و β از صفر به نود درجه، مقاومت بیشینه نمونه 12/18 درصد کاهش و مقدار تنش فون میسز از 154/0 به 922/0 مگاپاسکال افزایش می‌یابد. بااین‌حال، نتایج نشان‌دهنده­ آن است که تأثیر زاویه β در رشد ترک بیشتر از زاویه α است.

Keywords

• محیط متخلخل
• رشد ترک
• روش اجزای محدود توسعه‌یافته
• شکل تخلخل
• نحوه چیدمان تخلخل