بررسي تغييرات توزيع تنش هاي پسماند حاصل از انبساط سرد بر اثر رشد ترك

Studying the Residual Stress Distribution of Cold Expanded Hole During the Crack Growth

انبساط سرد به عنوان يك روش ساده و كم هزينه براي بهبود عمر خستگي در اتصالات مكانيكي شناخته شده است. انبساط سرد با ايجاد ميدان تنش هاي پسماند فشاري باعث كاهش اثر تمركز تنش و افزايش عمر خستگي در اتصالات سوراخدار مي شود كه با به كارگيري روش حل عددي بر پايه المان محدود مي توان اين ميدان تنش هاي پسماند را بدست آورد. با در دست داشتن ميدان تنش هاي پسماند و به كارگيري روش هاي تحليلي مي توان عمر خستگي اين اتصالات را كه شامل عمر شروع ترك و عمر رشد ترك مي باشد را تخمين زد. در قطعات انبساط سرد شده با درصد بالا، عمر خستگي محاسبه شده از روش هاي تحليلي در مقايسه با نتايج حاصل از تست هاي آزمايشگاهي مقادير بيشتري را نشان مي دهند. محاسبات انجام گرفته بر پايه نتايج اوليه مي باشد، اين در حالي است كه تنش هاي پسماند در طي رشد ترك دچار تغيير مي شوند و براي محاسبه ي دقيق و بدون خطاي عمر خستگي نياز است كه تاثير رشد ترك در توزيع تنش هاي پسماند مد نظر قرار گيرند. در اين مقاله به بررسي تاثير رشد ترك بر روي توزيع تنش هاي پسماند پرداخته شده كه براي اين منظور يك اتصال مكانيكي از جنس آلياژ آلومينيوم T3-2024 در نظر گرفته شده است. با استفاده از نرم افزار ANSYS هندسه قطعه مدل سازي شده و فرايند انبساط سرد به منظور ايجاد ميدان تنش هاي پسماند شبيه سازي مي شود. پس از ايجاد ميدان تنش هاي پسماند در اطراف سوراخ، با استفاده از تكنيك تولد و مرگ المان به شبيه سازي فرايند ايجاد و رشد ترك پرداخته شده است. نتايج نشان مي دهد كه رشد ترك باعث كاهش تنش پسماند فشاري در لبه ترك و همچنين افزايش آن در نواحي اطراف لبه ي ترك مي شود.

Cold expansion is a technique for creating residual stress field around hole of joints and is used not only for manufacturing anti-fatigue products but also for renovating in-service joints. Numerical investigations based on finite element methods are implemented to obtain residual stress distribution which is used to predict fatigue life of joints. Estimated fatigue life in high level cold expanded joints shows different results than experimental tests. On prediction methods, all the calculations are based on primary results which obtained by FE simulations, whereas stress distribution is affected by crack initiation and propagation; therefore it is important to study the effect of crack growth on residual stress distribution to predict accurate results. In this paper the effect of crack growth on residual stress distribution caused by cold expansion is investigated. For this goal a holed joint of T3-2024 aluminum alloy is selected. A three dimensional finite element model is used to simulate the cold expansion process and estimate residual stress distribution. Then element birth and death technique is implemented to simulate crack growth. Results showed that crack growth has noticeable effects on residual stress distribution. Compressive residual stress is decreased on crack tip whereas it is increased around crack tip.