مهندسی مکانیک مدرس

مهندسی مکانیک مدرس

استخراج حجم موثر قطعه‌ی سرامیکی با هندسه‌ی مخروط ناقص تحت فشار داخلی به روش تحلیلی و عددی

نوع مقاله : پژوهشی اصیل

نویسندگان
دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی
چکیده
مواد سرامیکی به دلیل حفظ استحکام در دمای بالا، انبساط حرارتی کم و مقاومت عالی در برابر فرسایش برای کاربردهای سازه‌ای، مناسب هستند. با این حال، سازه‌های سرامیکی عموماً ترد هستند و به دلیل عیوب ذاتی که می‌توانند از طریق ساخت، جابجایی یا در حین سرویس وارد آن‌ها شوند، بشکنند. در نمونه‌های آزمایش استحکام مواد سرامیکی، استحکام مشاهده شده به حجم نمونه و روش آزمایش بستگی دارد و نتایج دارای پراکندگی قابل توجهی هستند. از طرفی تشخیص تغییرپذیری استحکام مواد سرامیکی برای طراحی سازه‌ای، مهم است و در فرایند طراحی این تغییرپذیری معمولاً نیاز به یک معیار واماندگی با مبنای احتمالاتی دارد که با توجه به شکست ترد سرامیک‌ها، معمولاً از توزیع ویبول برای بیان استحکام آن‌ها استفاده می‌شود. به کمک توزیع ویبول، مفهوم حجم موثر تعریف می‌شود و با استفاده از آن استحکام یک نمونه‌ی آزمایش با هندسه و بارگذاری مشخص از نمونه‌ی دیگری که هندسه و بارگذاری متفاوتی دارد پیش‌بینی می‌گردد. در این پژوهش معادله‌ی حجم موثر برای یک قطعه‌ی سرامیکی با هندسه‌ی مخروط ناقص تحت فشار داخلی به روش تحلیلی به دست آمده است. با داشتن حجم موثر برای این پیکربندی و با تعداد کافی آزمایش استحکام به کمک نمونه‌های کوچک و کم‌هزینه‌ی خمشی، می‌توان استحکام کششی قطعه‌ی سرامیکی مخروطی را بدون انجام آزمایش‌های متعدد و پر هزینه پیش‌بینی نمود. همچنین برای مخروط ناقصی با جنس و ابعاد مشخص، حجم موثر به صورت عددی نیز محاسبه گردید و نسبت به مقدار تحلیلی 3% خطا داشت.
کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله English

Derivation of the effective volume of a ceramic component with a truncated cone shape under internal pressure by analytical and numerical methods

نویسندگان English

seyed mohammad Hossein Tavakoli
Amir reza Shahani
Faculty of Mechanical Engineering, K. N. Toosi University of Technology.
چکیده English

Ceramic materials are desirable in structural applications because of their strength at high temperatures, low thermal expansion, and excellent wear resistance. However, ceramic structures are generally brittle and will fail due to inherent flaws that can be introduced into the material through processing, handling, or while in service. In the strength test samples of ceramic materials, the observed strength depends on the sample volume and the test method, and the results have significant scattering. On the other hand, it is important to recognize the variability of the strength of ceramic materials for structural design, and in the design process, this variability usually requires a probability-based failure criterion, which, due to the brittle fracture of ceramics, usually uses the Weibull distribution to represent their strength. With the help of Weibull distribution, the concept of effective volume is defined and by using it, the strength of a test sample with a specific geometry and loading is predicted from another sample that has a different geometry and loading. In this research, the effective volume for a truncated cone under internal pressure has been derived analytically. With the effective volume for this configuration and a sufficient number of flexural strength tests with the help of small and low-cost flexural specimens, it is possible to predict the tensile strength of the ceramic truncated cone without conducting expensive tests. for a problem with a specific material property and dimensions, the effective volume was calculated numerically and it had a 3% error compared to the analytical value.

کلیدواژه‌ها English

Effective Volume
Ceramics
Truncated Cone
Weibull Distribution
strength
1. Richerson DW. Modern ceramic engineering: properties, processing, and use in design: CRC press; 2018.
2. Wachtman JB, Cannon WR, Matthewson MJ. Mechanical properties of ceramics: John Wiley & Sons; 2009.
3. Klein CA. Characteristic strength, Weibull modulus, and failure probability of fused silica glass. Optical Engineering. 2009;48(11):113401.
4. Freese CE, Neal DM, Lenoe EM. Proof Test Procedures for Ceramic Missile Radomes. Army Materials and Mechanics Research Center Watertown Ma; 1978.
5. ASTM C 1273-05. Standard Test Method for Tensile Strength of Monolithic Advanced Ceramics at Ambient Temperatures. ASTM International; 2005.
6. ASTM C1161-18. Standard Test Method for Flexural Strength of Advanced Ceramics at Ambient Temperature. ASTM International; 2018.
7. Weibull W. A statistical distribution function of wide applicability. Journal of applied mechanics. 1951;103(730):293-7.
8. ASTM C 1239-07. Standard Practice for Reporting Uniaxial Strength Data and Estimating Weibull Distribution Parameters for Advanced Ceramics. ASTM International; 2007.
9. Jadaan O, Shelleman D, Conway Jr J, Mecholsky Jr J, Tressler R, editors. Prediction of the strength of ceramic tubular components: Part I—Analysis. International Design Engineering Technical Conferences and Computers and Information in Engineering Conference; 1991: American Society of Mechanical Engineers.
10. DeSalvo GJ. Theory and Structural Design Applications of Weibull Statistics. Westinghouse Electric Corp., Pittsburgh, Pa. Astronuclear Lab.; 1970.
11. Ferber MK, Tennery VJ, Waters S, Ogle J. Fracture strength characterization of tubular ceramic materials using a simple c-ring geometry. Journal of materials science. 1986;21(8):2628-32.
12. Harris DC. Materials for infrared windows and domes: properties and performance: SPIE press; 1999.
13. Quinn GD. Weibull effective volumes and surfaces for cylindrical rods loaded in flexure. Journal of the American Ceramic Society. 2003;86(3):475-9.
14. Duffy S, Baker E, Wereszczak A, Swab J. Weibull analysis effective volume and effective area for a ceramic C-ring test specimen. Journal of Testing and Evaluation. 2005;33(4):233-8.
15. Hausenbauer GF, Lee GC. Stresses in thick-walled conical shells. Nuclear Engineering and design. 1966;3(3):394-401.