مطالعه عددي عوامل موثر ناشي از وصله كامپوزيتي بر افزايش عملكرد استوانه حاوي ترك نيم‌بيضوي

Numerical Study of Effective Factors Caused by Composite Patch on Increasing the Performance of Semi-Elliptical Cracked Cylinder

در اين مقاله تأثير وصله كامپوزيتي براي ترميم لوله‌ي استوانه‌اي حاوي ترك سطحي تحت فشار داخلي با استفاده از روش اجزاء محدود سه بعدي مورد بررسي قرار گرفته است. لوله استوانه‌اي‌، حاوي ترك نيم‌بيضوي محيطي خارجي بوده و محدوده‌ي نسبت ابعادي ترك بين 0/2 تا 1 و عمق نسبي آن 0/2 و 0/8 مي‌باشد. ابتدا به منظور اطمينان از صحت مدل‌سازي، استوانه‌ي حاوي ترك سطحي تحت كشش يكنواخت شبيه‌سازي و نتايج حاصل با داده‌هاي موجود مقايسه شده است. ضرايب شدت تنش در نوك ترك با استفاده از انتگرال تعيين شده است. سپس به ترميم استوانه ترك‌دار تحت فشار داخلي با استفاده از وصله‌ي كامپوزيتي به صورت موضعي پرداخته شده است. در اين راستا به منظور انتخاب وصله مناسب، تأثير پارامترهاي مختلف مانند طول، پهنا، ضخامت، جنس و زاويه‌ي قرارگيري الياف چند لايه‌اي كامپوزيتي بر ضرايب شدت تنش ارزيابي شده است. نتايج تحقيق كاهشي به ميزان 30 درصد را در ميزان ضريب شدت تنش با استفاده از وصله‌ گذاري مناسب نشان داده است. اين امر سبب افزايش طول عمر به دليل كاهش نرخ رشد ترك مي‌گردد.

In this paper, the effect of composite patch on reinforcement of cylindrical tube containing a surface crack under internal pressure is investigated using a three dimensional finite element method. The cylindrical tube contains an external circumferential semielliptical crack and the aspect ratio of the cracks is between 0.2 and 1 and its relative depths are 0.2 and 0.8. In order to ensure the accuracy of modelling, first, a cylinder containing a surface crack is simulated under uniform tension loading and the results are compared with the available data. The stress intensity factor at the crack tip is determined using the J-integral. Then, the cracked cylinder under internal pressure is repaired using topical composite patch. In this regard, in order to select the appropriate patch, the effect of different parameters such as length, width, thickness, material and angle of composite multi-layer fibers on the stress intensity factors are examined. The results indicate that the stress intensity factors can decrease about 23% by using the appropriate patches which caused the increase of fatigue life due to the decrease of fatigue crack growth rate.