تحلیل اجزای محدود آسیب خستگی فلزات براساس مدل‌های مبتنی بر آنتروپی ترمودینامیکی

مقدار آنتروپی تولیدی طی بارگذاری خستگی به عنوان یک شاخص از انباشت آسیب در ماده تلقی می شود. با استفاده از تکنیک ترموگرافی و ثبت توزیع میدان دما در سطح نمونه تحت بارگذاری چرخه‌ای به‌وسیله دوربین مادون قرمز و همچنین محاسبه انرژی اتلافی و در نظر گرفتن امکان تبادل حرارت نمونه با محیط، می‌توان نرخ خالص تولید آنتروپی در سیستم را محاسبه کرد. انتظار می‌رود که با به‌کارگیری ابزار مناسب، بتوان این روش را به عنوان یک روش بازرسی غیرمخرب در رابطه با آسیب ناشی از خستگی فلزات مورد استفاده قرار داد. این تحقیق به منظور امکان‌سنجی و بررسی قابلیت کاربرد روش یاد شده به کمک مدل‌سازی و تحلیل عددی انجام شده است. در این مقاله با استفاده از روش عددی اجزای محدود و در قالب نرم‌افزار آباکوس به شبیه‌سازی آزمون خستگی خمش کاملاً معکوس‌شونده روی نمونه‌های استاندارد از جنس آلومینیوم (al6061-t6) که نتایج آزمون آزمایشگاهی آن موجود است، پرداخته می‌شود. براساس نتایج تحلیل مکانیکی و حرارتی به روش کوپل متوالی، به محاسبه نرخ تولید آنتروپی، آنتروپی شکست خستگی، متغیر آسیب و تخمین عمر باقی‌مانده براساس این متغیر پرداخته می‌شود. نتایج حاصل از شبیه‌سازی عددی با نتایج آزمون‌های آزمایشگاهی مقایسه و اعتبارسنجی می‌شود. همچنین یک تحلیل عددی برای تخمین افزایش دما و بررسی پدیده خودگرمایی خستگی در اثر بارگذاری چرخه‌ای براساس مشخصه‌های منحنی کرنش عمر و تخمین انرژی اتلافی، با بهره‌گیری از امکان اسکریپت‌نویسی پایتون در نرم‌افزار آباکوس روی نمونه آزمون محوری از جنس فولاد(aisi 4340) صورت می‌گیرد. نتایج پژوهش حاکی از آن است که کاربرد ترموگرافی مادون قرمز به عنوان یک روش ارزیابی غیرمخرب در محدوده خستگی کم‌چرخه ابزاری مناسب برای ارزیابی میدان دما و در نتیجه تخمین آسیب انباشته در ماده است.

Finite Element Analysis of Metals Fatigue Damage, Based on Thermodynamic Entropy models

The amount of entropy generation during the fatigue loading is treated as an indicator of the damage accumulation in the material. Using the thermography technique and recognizing the temperature field distribution at a specimen surface under cyclic loading and calculating the dissipated energy and also considering the possibility of the specimen heat transfer with the environment, the net entropy production rate of the system can be computed. This research has been conducted to feasibility study and applicability of the methodology through numerical modeling and analysis. In this thesis, using the finite element numerical method and in the framework of Abaqus software, simulations of fully reversed bending are carried out on the standard specimens of aluminum (Al6061T6) whose experimental test results are available in the literature. Based on results of the mechanical and thermal analysis, calculating the entropy production rate, fatigue fracture entropy, damage variable and remaining life assessment based on this variable are performed. The results obtained from the numerical simulation are compared and validated with the results of experimental tests. Also, a numerical analysis is carried out to estimate the temperature enhancement and fatigue selfheating phenomenon due to the cyclic loading based on the strainlife curve characteristics and dissipated energy on the axial specimen made of (AISI 4340). The results obtained from the research indicate that the infrared thermography technique as a nondestructive evaluation method in the low cycle fatigue range, is a suitable tool for the temperature field evaluation and subsequently, the accumulated damage estimation in material.