بررسي رفتار نمونه هاي Al1050 تحت فرايند اتوفرتاژ به روش المان محدود و تجربي

Investigation of autofrettage process in Al 1050 specimens by finite element and experimental method

اتوفرتاژ فرايندي است كه به منظور ايجاد تنش­هاي پسماند مفيد در استوانه­هاي جدار ضخيم تحت فشار مورد استفاده قرار مي­گيرد. در اين روش تنش­هاي پسماند فشاري در سطح داخلي موجب افزايش ظرفيت بار، بهبود عملكرد عمر خستگي و كاهش شروع ترك­هاي خستگي مي­شود. فرايند اتوفرتاژ مي­تواند با استفاده از فشار هيدروليكي يا مكانيكي به جداره داخلي سيلندرهاي جدار ضخيم براي ايجاد تنش­هاي پسماند انجام شود. در اين پژوهش يك مجموعه اتوفرتاژ آزمايشگاهي بر مبناي عملكرد هيدروليكي ساخته شد و سپس نمونه­هاي آلومينيوم 1050 در فشارهاي مختلف تحت فرايند اتوفرتاژ قرار گرفت. هم­چنين براي ارزيابي رفتار نمونه­ها تحت فرايند اتوفرتاژ، نمونه­ها در نرم­افزار المان محدود ABAQUS مدل­سازي شد و براي ارزيابي صحت داده­هاي حاصل از روش المان محدود از كرنش­سنج نصب شده بر روي نمونه­ها در راستاي مماسي استفاده گرديد. در مدل­سازي المان محدود نمونه­ها تمامي پارامترهاي تاثيرگذار بر فرايند اتوفرتاژ، همانند اصطكاك بين صفحات محفظه و نمونه­ها و رفتار الاستيك-پلاستيك سخت شونده نمونه­ها لحاظ گرديد. نتايج حاصل از روش المان محدود و كرنش­سنج­، تطابق بسيار خوبي نسبت به هم پيدا كردند. نتايج حاصل از روش المان محدود، نشان­دهنده وجود يك درصد اتوفرتاژ بهينه در هر فشار كاري مي­باشد. هم­چنين ملاحظه شد كه با اعمال درصد اتوفرتاژ بهينه، مي­توان بيشينه تنش­هاي فون ميسز در نمونه­ ها را تا حدود 27% كاهش داد. با وجود اينكه در قطعات اتوفرتاژ نشده بيشينه تنش­ها در جداره داخلي نمونه اتفاق مي­افتد، ولي با اعمال فرايند اتوفرتاژ علاوه بر كاهش بيشينه مقدار اين تنش ­ها مي­توان بيشينه مقدار آن­ها را به سمت جداره خارجي انتقال داد و اين كار از جهت اينكه اكثر ترك­هاي خستگي در جداره داخلي قطعه تشكيل مي­شوند، بسيار حائز اهميت است. در نهايت نتايج حاصل از روش المان محدود نشان مي­دهد كه عدم در نظرگيري پارامترهاي موثر در فرايند اتوفرتاژ (اصطكاك و نيروي محوري) باعث ايجاد خطاي زيادي در درصد اتوفرتاژ مي­شود.

Autofrettage process can be used to introduce beneficial residual stress in the cylinder of thick-walled pressure vessels. In this study, an experimental autofrettage was assembled based on hydraulic performance, and then aluminum alloy (Al1050) specimens were subjected to autofrettage under different pressures. Also, to evaluate the behavior of the specimens under the autofrettage process, the specimens were modeled into the finite element software ABAQUS and for evaluation of the accuracy of the data obtained from the finite element method (FEM), a strain gauge mounted tangentially on the outer surface of the specimen was used. It was also observed that by applying optimal autofrettage percentage, the maximum of Von-Mises stresses in specimens can be reduced by about 27%. Although in the non-autofrettaged specimens, the maximum stresses occur in the inner wall of the specimen, but by applying the autofrettage process, in addition to reducing the maximum amount of these stresses, the maximum amount can be transferred to the outer wall, which it is very important because the majority of fatigue cracks are formed in the inner wall of specimens.