مهندسی مکانیک مدرس

مهندسی مکانیک مدرس

تعیین ثوابت آسیب نرم و آسیب برشی به روش تجربی

نوع مقاله : پژوهشی اصیل

نویسندگان
1 دانشگاه صنعتی خاتم الانبیاء بهبهان
2 دانشگاه شهر کرد
چکیده
مسئله شکست همه ‌ساله هزینه‌های مالی و جانی بسیاری برای جوامع گوناگون به بار می‌آورد. از اوایل قرن بیستم، نگاه علمی به این مسئله آغاز شد و منجر به ایجاد شاخه‌ای جدید در علم مکانیک به نام مکانیک شکست گردید. در پایان فرآیند نهایی شکست در فلزات بصورت شکست ترد در فلزاتی با ساختار کریستالی مکعب و یا شکست نرم خواهد بود که در اینصورت پس از تغییر شکل پلاستیکی زیاد، شکست به آرامی ظاهر می شود. مکانیک شکست روشی است که بوسیله آن می توان ترک های ایمن و ترک های مستعد رشد را شناسایی نمود. ورق های نازک فلزی شکل دهی شده بخش عمده ای از تولیدات صنعتی مخصوصاً در صنایع بزرگی همچون خودروسازی، هوافضا و کشتی سازی را شامل می شوند. در حین فرآیند شکل دهی، ورق تغییر شکل های پلاستیک بسیار بزرگی را تجربه می کند که ممکن است مشکلات متنوعی ناشی از شکست ایجاد شود و توصیف تحلیلی این میدان تغییر شکل بسیار دشوار و پیچیده می باشد. با پیش بینی علت، زمان و مکان رخ دادن این عیوب از قبیل نازک شدن، گلویی شدن موضعی و ... قطعات فلزی؛ می‌توان به اصلاح و بهینه سازی فرآیند تولید پرداخت و از هزینه های اضافی کم نمود. در طی فرآیند تولید ممکن است مشکلات متنوعی ناشی از شکست ایجاد شود، بنابراین مکانیزم شکست نرم همچنان یک موضوع مهم است. این شکست نمی‌تواند به‌طور کامل توسط مدل‌های کلاسیک آسیب تبیین شود، که نشان‌دهنده ناکافی بودن درک از تکامل آسیب و مکانیزم شکست نرم فلز تحت بارگذاری پیچیده است. تکامل آسیب و مکانیزم شکست نرم تحت تغییر شکل پلاستیک از طریق تحلیل‌های نظری و مطالعات تجربی برای آلیاژ فولاد زنگ نزن SS304 به‌طور ساختاری بررسی شده است. در این پژوهش پارامترهای آسیب نرم و پارامترهای آسیب برشی به روش تجربی برای فلزات شکل پذیر استخراج می شوند و سپس به تحلیل این ثوابت خواهیم پرداخت
کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله English

Experimental Assessment of Ductile and Shear Fracture Criteria in Stainless Steel 304 According to Hooputra Model

نویسندگان English

Mohammad Albonasser 1
Hojjat Badnava 1
Sayed Hassan Nourbakhsh 2
1 Department of Mechanical Engineering
2 Shahrekord University
چکیده English

The accurate prediction of crack initiation and growth in manufacturing processes is crucial for minimizing production costs and enhancing the reliability of components. This study focuses on integrated experimental investigation and fracture modeling approach for ductile metals, particularly addressing the mechanisms of ductile fracture and shear localization. The importance of establishing robust damage criteria for accurate reliable numerical simulations cannot be denied. Current literature reveals a significant lack of data on shear and ductile fracture criteria for materials like stainless steel alloy 304. To address this gap, a series of experimental tests was conducted to extract the necessary coefficients for these criteria. Various sample geometries were analyzed to investigate the effects of different triaxiality stress states and loading rates on fracture initiation. The triaxiality stress states were chosen within a range of 0.2 to 2 and strain rates were applied at values of 0.02 s-1, 4.5 s-1, and 30 s-1. A set of coefficients for modeling ductile and shear fracture was derived, taking into account the effects of loading rate and orientation. This research not only provides critical coefficients for fracture modeling but also supports the optimization of manufacturing processes in the automotive industry and other sectors, ultimately contributing to improved material performance and component reliability

کلیدواژه‌ها English

Ductile fracture
Shear fracture
Hooputra Model
stress triaxiality
loading rate
[1] Lemaitre J. A Continuous Damage Mechanics Model for Ductile Fracture. Journal of Engineering Materials and Technology. 1985;107(1):83-9.
[2] Gurson AL. Continuum Theory of Ductile Rupture by Void Nucleation and Growth: Part I—Yield Criteria and Flow Rules for Porous Ductile Media. Journal of Engineering Materials and Technology. 1977;99(1):2-15.
[3] Sadeghi Nezhad MS, Haji Aboutalebi F, Mashayekhi M. Presentation of a new 2D fast and straightforward version for the Lemaitre’s ductile damage model. Mechanics Based Design of Structures and Machines.1-29.
[4] Salimpour E. Experimental determination and numerical implementation of ductile damage parameters of Al 2024-O. mdrsjrns. 2018;18(2):45-52.
[5] Khaleghi H, Amiri-Rad A, Mashayekhi M. A thermodynamically consistent continuum damage model for time-dependent failure of thermoplastic polymers. International Journal of Plasticity. 2022;154:103278.
[6] Pijaudier‐Cabot G, Bažant Z. Nonlocal Damage Theory. Journal of Engineering Mechanics. 1987;113(10):1512-33.
[7] Jirásek M. Non-local damage mechanics with application to concrete. Revue Française de Génie Civil. 2004;8(5-6):683-707.
[8] Bažant Z, Jirásek M. Nonlocal Integral Formulations of Plasticity and Damage: Survey of Progress. Journal of Engineering Mechanics. 2002;128(11):1119-49.
[9] de Borst R. Damage, Material Instabilities, and Failure. Encyclopedia of Computational Mechanics: John Wiley & Sons, Ltd; 2004.
[10] Badnava H, Mashayekhi M, Kadkhodaei M. An anisotropic gradient damage model based on microplane theory. International Journal of Damage Mechanics. 2015;25(3):336-57.
[11] Peerlings RHJ, de Borst R, Brekelmans WAM, Geers MGD. Gradient-enhanced damage modelling of concrete fracture. Mechanics of Cohesive-frictional Materials. 1998;3(4):323-42.
[12] Peerlings RHJ, Geers MGD, de Borst R, Brekelmans WAM. A critical comparison of nonlocal and gradient-enhanced softening continua. International Journal of Solids and Structures. 2001;38(44–45):7723-46.
[13] Badnava H, Mashayekhi M, Kadkhodaei M, Amiri-Rad A. A non-local implicit gradient-enhanced model for thermomechanical behavior of shape memory alloys. Journal of Intelligent Material Systems and Structures. 2018;29(9):1818-34.
[14] Verhoosel CV, de Borst R. A phase-field model for cohesive fracture. International Journal for Numerical Methods in Engineering. 2013;96(1):43-62.
[15] Badnava H, Msekh MA, Etemadi E, Rabczuk T. An h-adaptive thermo-mechanical phase field model for fracture. Finite Elements in Analysis and Design. 2018;138:31-47.
[16] Badnava H, Etemadi E, Msekh MA. A Phase Field Model for Rate-Dependent Ductile Fracture. Metals [Internet]. 2017; 7(5).
[17] Marandi SM, Nourbakhsh SH, Botshekanan Dehkordi M, Badnava H. Finite element implementation of coupled temperature-rate dependent fracture using the phase field model. Mechanics of Materials. 2020;148:103449.
[18] Marandi SM, Badnava H, Dehkordi MB, Nourbakhsh SH. Phase-field modeling of coupled anisotropic plasticity–ductile fracture in rate-dependent solids. Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering. 2021;43(4):229.
[19] Badnava H. Ductile fracture modelling based on the Drucker-Prager plasticity and phase field approach. mdrsjrns. 2018;18(3):351-60.
[20] Mousavion M, Mashayekhi M, Jamshidian M, Badnava H. Implementation of the phase-field method for brittle fracture and application to porous structures. mdrsjrns. 2018;18(7):217-25.
[21] Ganjiani M. A damage model incorporating dynamic plastic yield surface. Journal of Computational Applied Mechanics. 2016;47(1):11-24.
[22] Aboutalebi FH. Numerical Simulation of Cutting and Fine Cutting Processes by Lemaitre's Ductile Damage Model in Conjunction with Large Deformation Theory. mdrsjrns. 2013;13(6):96-102.
[23] Ali Tavoli M, Gohari Rad S, Zajkani A, Darvizeh A. The Influence of Pre- Mechanical Friction Stir Processing on Stress State dependent Ductile Damage of 7075-T6 Aluminum Alloy. mdrsjrns. 2017;17(1):365-74.
[24] Zhou X, Feng B. A smeared-crack-based field-enriched finite element method for simulating cracking in quasi-brittle materials. Theoretical and Applied Fracture Mechanics. 2023;124:103817.
[25] Kim MS, Kim HT, Choi YH, Kim JH, Kim SK, Lee J-M. A New Computational Method for Predicting Ductile Failure of 304L Stainless Steel. Metals. 2022; 12(8).
[26] Ben Othmen K, Haddar N, Jegat A, Manach PY, Elleuch K. Ductile fracture of AISI 304L stainless steel sheet in stretching. International Journal of Mechanical Sciences. 2020;172:105404.
[27] Abbassi F, Belhadj T, Mistou S, Zghal A. Parameter identification of a mechanical ductile damage using Artificial Neural Networks in sheet metal forming. Materials & Design. 2013;45:605-15.
[28] Haghani M, Neya BN, Ahmadi MT, Amiri JV. Comparative Study of Smeared Crack and Extended Finite Element Method for Predicting the Crack Propagation in Concrete Gravity Dams. Journal of Earthquake Engineering. 2022;26(16):8577-610.
[29] Feist C, Hofstetter G. An embedded strong discontinuity model for cracking of plain concrete. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering. 2006;195(52):7115-38.
[30] de Borst R. Numerical aspects of cohesive-zone models. Engineering Fracture Mechanics. 2003;70(14):1743-57.
[31] de Borst R, Gutiérrez MA, Wells GN, Remmers JJC, Askes H. Cohesive-zone models, higher-order continuum theories and reliability methods for computational failure analysis. International Journal for Numerical Methods in Engineering. 2004;60(1):289-315.
[32] Khoei AR. Extended Finite Element Formulation. Extended Finite Element Method2014. p. 31-76.
[33] Hooputra H, Gese H, Dell H, Werner H. A comprehensive failure model for crashworthiness simulation of aluminium extrusions. International Journal of Crashworthiness. 2004;9(5):449-64.
[34] El-Magd E, Gese H, Tham R, Hooputra H, Werner H. Fracture Criteria for Automobile Crashworthiness Simulation of Wrought Aluminium Alloy Components. Materialwissenschaft und Werkstofftechnik. 2001;32(9):712-24.
[35] Johnson GR, Cook WH. Fracture characteristics of three metals subjected to various strains, strain rates, temperatures and pressures. Engineering Fracture Mechanics. 1985;21(1):31-48.
[36] Besson J, Pineau A, Deschamps A. The role of microstructure in shear failure. International Journal of Fracture. 2001;109(1): 3-23.