بررسي تاثير فرآيند اتوفرتاژ در استوانه با مواد تابعي مدرج روي پارامترهاي ترك سطحي خارجي با استفاده از گسسته سازي عددي ميدان تنش

Study the effect of autofrettaging of functionally graded cylinder on the external surface crack parameters using numerical discretizing of stress fields

در اين مقاله، تغييرات ضريب شدت تنش و نرخ رهايي انرژي بر اساس روش همبستگي جابجايي و روش اصلاح شده‌ي انتگرال بسته شدن ترك براي ترك هاي سطحي خارجي در استوانه اتوفرتاژ شده از جنس مواد تابعي مدرج بررسي شده است. خواص مكانيكي بر اساس تابع مورد نظر در راستاي شعاع استوانه متغير است. فرض شده است كه رفتار مواد ايزوتروپيك بوده و داراي رابطه تنش-كرنش كشسان-خميري به صورت دوخطي است. فرآيند اتوفرتاژ باعث ايجاد تنش پسماند كششي در قسمت‌هاي بيروني ديواره استوانه مي‌شود كه تاثير نامطلوبي بر رفتار ترك خارجي خواهد داشت. متغيرهاي مختلفي بر مقدار تنش پسماند كششي اثر دارند. تاثير نسبت اتوفرتاژ، كسر حجمي مواد و ضخامت استوانه بر تغييرات تنش پسماند و علاوه بر آن‌ها، تغييرات ابعاد و امتداد ترك سطحي بر ضريب شدت تنش و نرخ رهايي انرژي مورد مطالعه قرار گرفته است. نتايج نشان مي دهند كه تغيير كسر حجمي بيش‌ترين تاثير را بر هر دو پارامتر ترك دارد. ترك محوري از ترك‌هاي مايل و محيطي بحراني‌تر است. از اصل جمع آثار مي‌توان براي تعيين اثر تنش پسماند و بار اعمالي بر رفتار ترك در مواد تابعي مدرج استفاده نمود.

In this paper, the variations of the stress intensity factor and energy release rate have been investigated based on the displacement correlation and modified crack closure integral methods for external surface cracks in the autofrettaged functionally graded cylinder (FGC). Mechanical properties vary in the radial direction according to the desired function. Isotropic material behavior and bilinear elastoplastic stress-strain relationship are considered for the FGC. Autofrettage process induces the tensile residual stresses in the outer parts of the cylinder wall, which cause undesirable effects on the external surface cracks. Many variables affect the distribution of tensile residual stresses. Effects of autofrettage ratio, volume fraction of material and cylinder thickness on the residual stress changes and, in addition, changes in the size and direction of surface cracks on the stress intensity factor and energy release rate are studied. The results show that the volume fraction has the greatest effects on both crack parameters. The axial cracks are critical compared with circumferential and angled cracks. The principle of superposition can be used to determine the combinational effects of the residual stresses and applied loads on the behavior of cracks in the graded materials.