مهندسی مکانیک مدرس

مهندسی مکانیک مدرس

مطالعه یک ترک ایستا در یک محیط گرمایی/رطوبتی همسانگرد تحت شوک گرمایی با روش المان محدود توسعه‌یافته

نویسندگان
1 دانشگاه شاهرود
2 دانشگاه صنعتی شاهرود
چکیده
در این مقاله، برای محاسبه ضرایب شدت تنش در محیط همسانگرد مستطیلی که در معرض تنش‌های گرمایی و رطوبتی قرار دارد از روش المان محدود توسعه‌یافته استفاده‌شده است. در معادلات حاکم هایگرو‌ترمو‌الاستیسیته، کوپل دوطرفه میدان‌های دما و رطوبت و در یک حالت، ضریب پخش رطوبتی تابع دما در نظر گرفته‌شده است. برای به دست آوردن ضرایب شدت تنش، روش انتگرال برهم‌کنش برای بارهای گرمایی/رطوبتی توسعه داده‌شده است. در روش المان محدود توسعه‌یافته به‌منظور کاهش خطا، از المان‌های مستطیلی هشت گره‌ای ریز شونده، به سمت نوک ترک، استفاده شده است. برای صحت‌سنجی نتایج عددی، ضریب شدت تنش برای ترک مود I با روش تابع وزنی نیز به‌دست آمده است. در حل تحلیلی، ابتدا معادلات هایگرو‌ترمو‌الاستیسیته حاکم غیرکوپل شده‌اند و پس از بی‌بعد سازی، از روش جداسازی متغیرها برای حل آن‌ها استفاده‌شده است. نتایج نشان می‌دهند گرادیان غلظت رطوبت تاثیر قابل توجهی روی ضریب شدت تنش دارد و باید در مدل مساله لحاظ شود. قبل از رسیدن میدان دما به حالت پایا، کوپل دوطرفه میدانهای دما و رطوبت باعث هم‌زمانی تغییرات این میدانها می‌شود و روی تغییر زمانی ضریب شدت تنش اثر می‌گذارد. بطوریکه، در ابتدای اعمال شوک گرمایی ضریب شدت تنش برای ترکهای کوتاهتر مشابه بارگذاری گرمایی بزرگتر نیست. همچنین، با افزایش طول ترک و زاویه ترک مقدار ضریب شدت تنش مود I کاهش می‌یابد. از طرف دیگر، در نظر گرفتن ضریب پخش رطوبتی به‌صورت تابعی از دما، زمان لازم برای رسیدن به تعادل رطوبتی را افزایش می‌دهد.
کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله English

Extended Finite Element analysis of a stationary crack in hygrothermal isotropic media subjected to thermal shock

نویسندگان English

Mohammad Bagher Nazari 1
Hamid Rajaei 2
چکیده English

In this paper, the extended Finite Element Method (XFEM) is implemented to compute the Stress Intensity Factors (SIFs) for rectangular media subjected to a hygrothermal loading. In governing hygrothermoelasticity equations, the cross coupled of temperature and moisture fields and temperature-dependent diffusion in some cases are considered. Furthermore, an interaction integral for hygrothermal loading is developed to compute the stress intensity factors. The non uniform mesh of isoparametric eight-nod rectangular element is used in XFEM to decrease the absolute error in SIFs computations. In order to numerical results validation, the SIF of mode I is obtained analytically. The coupled governing equations are firstly decoupled in terms of new variables and then solved by the separation of variable method. According to the results, the moisture concentration gradient has a significant effect on the SIFs so should be considered in the model. Up to reaching temperature to its steady state, the cross coupled of temperature and moisture synchronies their time variation which affects on the time variation of SIF. At early time of thermal shock, the SIF for shorter cracks is not necessarily lesser than the longer ones. Also, the mode I SIF for longer and inclined cracks is smaller. On the other hand, considering the moisture concentration as a temperature function increases the time required to reach the moisture steady state.

کلیدواژه‌ها English

Extended Finite Element Method (XFEM)
Interaction Integral
Stress Intensity Factors (SIFs)
Hygrothermal Loading