إمكانية تطبيق عامل تركيز الإجهاد في مكونات البوليمر

انضم إلى منتدى المصممين

خبرتك ضرورية للمجتمع. انضم إلينا وساهم بمعرفتك

شارك وتعلّم وتقدّم مع أفضل المحترفين في هذا المجال

في التطبيقات الصناعية الحديثة، أصبحت مكونات البوليمر أكثر انتشارًا بسبب التكلفة المنخفضة وارتفاع نسبة القوة إلى الوزن كعامل واحد من بين عوامل كثيرة. في كثير من الأحيان، يستخدم المهندسون الأساليب الكلاسيكية من قوة المواد لتقييم قوة كل من مكونات المعدن والبوليمر. ومع ذلك، فإن إمكانية تطبيق مثل هذه الحسابات محدودة نظرًا لأن الافتراضات الأساسية للطرق الكلاسيكية تفترض الخطية لمنحنى الإجهاد والانفعال للمادة والانفعال الصغير.

أحد هذه الحسابات المستخدمة غالبًا والتي تفترض الخطية المادية والإجهاد الصغير في التحقق من قوة المكون المعدني هو عامل تركيز الإجهاد (SCF). باستخدام نظرية المرونة، تم جدولة SCF للعديد من الأشكال الهندسية. ولكن السؤال الذي يطرح نفسه هو، إلى أي درجة يمكن استخدام SCF في تصميم المكونات المصنوعة من مواد غير خطية مثل اللدائن المرنة واللدائن الحرارية وأنواع أخرى من البوليمرات؟

الغرض من هذه الدراسة هو استكشاف قيود SCF المرتبطة بافتراضات الخطية الصغيرة والخطية المادية. ولتحقيق هذه الغاية، سنقوم بمحاكاة اللوحة الكلاسيكية بفتحة مركزية ومقارنة SCF الناتج مع القيمة النظرية باستخدام ثلاث مواد مختلفة: الفولاذ الهيكلي كخط الأساس، والمطاط الصناعي المصمم باستخدام 3 مواد مختلفة.^ثالثا طلب مرونة يوه المفرطة، وABS عام باستخدام نموذج شبكة Ansys Three (TNM).

في هذه الدراسة قمنا بمحاكاة صفيحة مستطيلة الشكل ذات ثقب مركزي معرض لقوة شد على جوانبها مما يؤدي إلى إجهاد الشد،، أين ص هي قوة الشد المطبقة، دبليو هو عرض اللوحة، و ر هو سمك اللوحة. ومع ذلك، عند العمل مع لوحات محدودة مع الثقوب، يحتاج المرء إلى تحديد الإجهاد الاسمي، ، أين د هو قطر الحفرة. باستخدام الإجهاد الاسمي، يتم تعريف عامل تركيز الإجهاد على أنه ، حيث يتم العثور على الحد الأقصى للضغط باعتباره أقصى ضغط مكافئ على سطح الحفرة.

بالنسبة للصفيحة المحدودة ذات الثقب المركزي، هناك علاقة تجريبية لـ ك بالنظر إلى نسبة قطر الثقب إلى عرض اللوحة، ، يكون

في دراسة الحالة، نستخدم لوحة ذات الأبعاد التالية:

وبالتالي فإن منطقة الإجهاد الاسمية = 90 مم² و . وبتعويض هذه القيم في العلاقة التجريبية، نجد SCF النظري، ك = 2.72.

نموذج طاولة العمل والهندسة

يتكون نموذج المحاكاة من ثلاثة أنظمة هيكلية ثابتة من داخل Ansys Workbench لكل من المواد الثلاث التي تم النظر فيها باستخدام نفس هندسة لوحة ربع التماثل.

خصائص المواد

خصائص المواد لكل حالة من الحالات الثلاث هي

1. الفولاذ الإنشائي باستخدام المرونة المتناحية المأخوذة من البيانات الهندسية في Workbench.
   1. ه = 200 جيجا باسكال و نسبة بواسون = 0.3
2. عينة من المطاط الصناعي مأخوذة من البيانات الهندسية في Workbench، تتناسب مع 3^ثالثا ترتيب يوه فرط المرونة.
3. ABS عام، باستخدام البيانات من MCalibration وملاءمتها² إلى نموذج PolyUMod TNM ثم تم إدخاله في البيانات الهندسية كنموذج Ansys TNM.

مش

الصورة هنا توضح الشبكة المستخدمة بشكل مشترك لجميع الحالات. ومن المتوقع أن يكون الحد الأقصى من الضغط على سطح الحفرة، من الناحية النظرية، لذلك يتم تكرير الشبكة بالقرب من الحفرة. الشبكة النهائية الموضحة أدناه هي نتيجة لدراسة تقارب الشبكات التي تم إجراؤها لحالة المادة الفولاذية.

الأحمال وشروط الحدود

يتم عرض الأحمال والشروط الحدودية هنا للنظام الهيكلي الثابت للصلب.

نظرًا لخصائص المواد المفصلة أعلاه، يختلف الحمل المطبق لكل مادة. بالنسبة للمطاط الصناعي وABS، يتم اختيار القوة المطبقة من أجل تفعيل اللاخطية المادية وضمان تقارب النموذج. يتم جدولة القوى المطبقة والضغوط الاسمية هنا، مع ملاحظة أن مساحة الضغط الاسمية تنخفض إلى النصف بسبب تماثل النموذج:

فيما يلي مخطط لنتائج المحاكاة للصلب. باستخدام الإجهاد المكافئ لفون ميزس، فإن SCF الناتج من المحاكاة هو 2.77 وهو ما يتوافق جيدًا مع النظرية.

بالنسبة لكل مادة مدروسة، يتم اختيار الضغط المرجعي لتطبيع الضغط الاسمي لتسهيل المقارنة المباشرة بين A/B، حيث يتم اختيار الضغط المرجعي للصلب وABS للإشارة إلى مدى المنطقة الخطية. بالنسبة للمطاط الصناعي، لا توجد منطقة خطية فعليًا، لذلك يتم اختيار الضغط المرجعي ليكون الحد الأقصى المطلوب للضغط الاسمي المطبق.

باستخدام نتائج كل مادة من المواد الثلاث، يوضح هذا الرسم البياني كيف يختلف SCF مع نسبة الإجهاد الاسمي إلى المرجعي.

نجد هنا أن SCF يطابق النظرية بشكل جيد جدًا بالنسبة للصلب داخل المنطقة المرنة ولـ ABS ضمن حوالي 40% من منطقته المرنة، ويتناقص مع تزايد إجهاد المادة. بالنسبة للمطاط الصناعي، نرى أن منطقة قابلية تطبيق SCF ضئيلة للغاية لأن المادة لا تحتوي في الواقع على منطقة خطية.

تشير النتائج إلى أن استخدام SCF يقتصر على الضغوط الموجودة في المنطقة الخطية للمواد الصلبة حيث ينطبق تقريب الضغط الصغير. بالنسبة للمواد الأكثر ليونة حيث يتم انتهاك افتراض الانفعال الصغير، فإن SCF له قابلية تطبيق محدودة للغاية حتى في المنطقة الخطية لمنحنى الإجهاد والانفعال. علاوة على ذلك، بالنسبة للمواد المفرطة المرونة، فإن SCF إذا أصبح غير قابل للتطبيق بشكل فعال، مما يشير إلى أن حسابات الإجهاد الأولية عرضة للخطأ وأن المحاكاة مطلوبة لتقييم الإجهاد بدقة.

قم بتطبيق نفس المنهجية على المواد والتطبيقات الخاصة بك والتي تم جدولة SCF لها.

أرشيف Ansys 2024 R1 القابل للتنزيل

جدول حسابي

1. صورة اللوحة والمعادلة التجريبية من https://www.fracturemechanics.org/hole.html
2. MCalibration هي أداة لمعايرة نماذج المواد حصلت عليها Ansys عند شراء PolymerFEM.com في أوائل عام 2024. PolyUMod هي مكتبة مواد مستخدم البوليمر المتقدمة التي تعمل مع Ansys Mechanical وLS-DYNA والتي كانت أيضًا جزءًا من عملية الاستحواذ على PolymerFEM.com.

انضم إلى منتدى المصممين

خبرتك ضرورية للمجتمع. انضم إلينا وساهم بمعرفتك

شارك وتعلّم وتقدّم مع أفضل المحترفين في هذا المجال