اثر انتقال حرارت جابه‌جایی اجباری بر ضرایب شدت تنش گذرا در ترک‌های نیم‌دایروی طولی در استوانه‌ها

در این مقاله ترک نیم‌دایروی واقع در سطح داخلی استوانه تحت بارگذاری مکانیکی و حرارتی گذرا تحلیل شده است. برای این منظور استوانه تحت فشار داخلی و فشار خارجی قرار داده شده است و سطح داخل آن در معرض انتقال حرارت گذرا از نوع جابه‌جایی با سیال و سطح خارجی آن در دمای ثابت محیط قرار دارد. برای حل از روش اجزای محدود سه‌بعدی و المان‌های منفرد بیست گرهی در جبهه ترک استفاده شده است. نتایج ضرایب شدت تنش حرارتی گذرا در کل جبهه ترک در زمان‌های مختلف و به ازای عمق‌های نسبی مختلف ترک و اعداد بیو متنوع که معرف نوع جابه‌جایی اجباری است به‌دست آمده است. جهت صحه‌‌گذاری مدلسازی در حالات خاص بارگذاری با نتایج سایر مقالات مقایسه شده که از دقت خوبی برخوردار است. نتایج نشان می‌دهد در حالت انتقال حرارت از نوع دمای ثابت در سطح داخلی استوانه بیشترین مقادیر ضرایب شدت تنش نسبت به اعداد بیو مختلف رخ می‌دهد، لذا می‌توان گفت که انتخاب این نوع شرط مرزی حرارتی جهت تحلیل مسئله محافظه‌کارانه است. همچنین ملاحظه می‌شود که حل پایدار بیشترین ضرایب شدت تنش را در کل جبهه ترک داراست، لذا چنانچه از تحلیل پایدار به‌جای گذرا در تعیین ضرایب شدت تنش استفاده گردد، این تحلیل دارای قابلیت اطمینان بالایی از منظر واماندگی خواهد بود.

The effect of forced convective heat transfer on the transient stress intensity factors for longitudinal semi circular cracks in cylinders

The purpose of this paper is to analyze an internal longitudinal semi circular crack in a hollow cylinder subjected to thermo mechanical loading. The inner surface of the cylinder was subjected to both internal pressure and forced convective heat transfer loading where the outer one only was subjected to external pressure loading. The temperature at the outer surface has been assumed to be constant. In order to solve the problem, a three dimensional finite element model with 20 node singular elements around the crack front was employed. Transient thermal stress intensity factors were obtained for some points of the crack front. Transient thermal stress intensity factor variations along the crack front were calculated for different relative depths and Biot numbers which indicate the type of forced convective heat transfer in different times. In the special cases of loading, the results show to be in accordance with those cited in the literature. The results show that the prescribed temperature at the inner surface of the cylinder is the conservative thermal boundary condition and the corresponding stress intensity factors are the maximum values in any Biot numbers. It is observed that the steady state analysis is the most critical one and possesses the highest value of stress intensity factor along the crack front.