در این مقاله در رابطه با مبحث خستگی از درس طراحی اجزا 1 و 2 رشته مهندسی مکانیک توضیحاتی ارائه می گردد. یکی از مباحث مهم در مهندسی مکانیک و در درس طراحی اجزاء مبحث خستگی است که در اینجا مورد بررسی قرار می گیرد.
پیشنهاد ویژه ایران مدرس: سرفصل های درس طراحی اجزای 1 مهندسی مکانیک
قبل از اینکه وارد جزئیات بیشتری شویم، به صورت کلی در رابطه با طراحی خستگی و بارگذاری خستگی توضیحاتی را ارائه خواهیم کرد. مبحث خستگی در درس طراحی اجزا در مهندسی مکانیک و یا در مبحث طراحی به صورت کلی وقتی مطرح می گردد که بارهای متغیری بر روی قطعه و یا سازه وجود داشته باشد. به عنوان مثال بال یک هواپیما و یا پره یک بالگرد را در نظر بگیرید. بال هواپیما و یا حتی بدنه آن حین حرکت هواپیما بارهای متغیری را تحمل می کند. هواپیما در کل مسیر سرعت ثابتی ندارد و مانورهای مختلفی را تجربه می کند. البته هواپیمای جنگی به نسبت هواپیمای مسافربری مانورهای سنگین تری را متحمل می شود. در هر صورت، بال و بدنه هواپیما به شدت تحت یک بارگذاری متغیر قرار دارد و بنابراین این بارهای تکرار شونده که کاملا نامنظم هم هستند می تواند باعث ایجاد پدیده خستگی و در نهایت وامانده شدن بخش هایی از سازه گردد. واماندگی ای که بر اثر بارگذاری خستگی اتفاق می افتد معمولا از پیش خبر نمی کند و چون به صورت ناگهانی اتفاق می افتد می تواند بسیار خطرناک باشد. وقتی یک قطعه تحت بارگذاری استاتیکی قرار دارد معمولا قبل از شکست قطعه تغییراتی در ظاهر آن اتفاق می افتد و تا حدودی نشانه هایی از شکست وجود دارد و می توان جلوی آن را گرفت. اما در بارگذاری خستگی و دینامیکی چنین اتفاقاتی نمی افتد و به صورت ناگهانی شکست ایجاد می شود که می تواند بسیار مخرب باشد.
مطالعه مقاله طراحی از دیدگاه مکانیک شکست در مهندسی مکانیک هم توصیه می شود.
در بالگرد هم مشابه هواپیما خستگی اتفاق می افتد و اتفاقا با شدت بیشتری هم اتفاق می افتد. بال هواپیما به نسبت پره بالگرد در هر یک ساعت به نسبت تعداد سیکل یا چرخه های کمتری را تحمل می کند و در نتیجه بررسی و طراحی آن از دیدگاه خستگی کاملا راحت تر است. اگر به مطالعه در زمینه طراحی بالگرد و بارهای وارد بر پره آن علاقه مند هستید بر روی لینک (بالگرد) یا لینک های اجزاء اصلی پره بالگرد و کاربرد مواد کامپوزیتی در آن و انواع بارهای وارد بر روتور بالگرد کلیک نمائید. در فایل های زیر هم در رابطه با طیف بارهای وارد بر بالگرد، دیدگاههای مختلف طراحی بالگرد و طراحی خستگی اجزاء هلی کوپتر توضیح داده شده است.
تئوری های موجود برای محاسبه بار در پره بالگرد
دیدگاه های مختلف طراحی بالگرد (هلی کوپتر)
طیف بارهای استاندارد بالگرد (هلی کوپتر) طیف بارهای Helix و Felix
طراحی خستگی اجزاء بالگرد (هلی کوپتر)
همانطور که گفته شد مبحث خستگی در رابطه با سازه ها و قطعاتی مطرح می شود که تحت بار متغیر قرار دارند. در خودرو هم قطعات زیادی قرار دارد که تحت بارگذاری خستگی قرار دارند. به عنوان مثال چرخدنده ها، یاتاقان ها و .... تحت بار متغیر و دینامیکی قرار دارند و در نتیجه واماندگی خستگی می تواند برای آنها هم اتفاق بیافتد (مطالعه کنید: دانلود مقاله بررسي عوامل خستگي و انواع شكست در چرخدنده ها). اجزای ساحلی، بدنه کشتی و بسیاری از قطعات دیگر هم چنین پدیده ای را تحمل می کنند. برای بررسی پدیده خستگی دیدگاههای مختلفی وجود دارد. دیدگاه کلاسیک و دیدگاه مکانیک شکست دو دیدگاهی هستند که به مقدار زیادی مورد استفاده قرار می گیرند. در دیدگاه کلاسیک از نمودار S-N برای تخمین عمر استفاده می شود و در حالت بارگذاری چند محوره معیارهای زیادی در این دیدگاه وجود دارد. در دیدگاه مکانیک شکست فرض می شود ترکی در قطعه وجود داشته باشد و دوره های بازرسی تعریف می گردد (مطالعه کنید: وصله های تعمیراتی برای جلوگیری از رشد ترک). در دیدگاه مکانیک شکست پارامتر ضریب شدت تنش و یا انتگرال J تعریف می شود و با استفاده از قانون پاریس و یا شکل های تعمیم یافته آن عمر خستگی تخمین زده می شود. در دیدگاه خستگی کلاسیک به عنوان مثال اگر ترکی با طول 1 میلی متر در قطعه دیده شود عمر قطعه به پایان رسیده است اما در دیدگاه مکانیک شکست ممکن است به همین ترک 1 میلی متری اجازه رشد تا 10 میلی متر هم داده شود و بعد قطعه کنار گذاشته شود. مطالعه دانلود خستگی چند محوره هم مفید است. برای کسب اطلاعات بیشتر در زمینه خستگی تحت بارگذاری چند محوره بر روی لینک های زیر کلیک کنید.
معیارهای مختلف خستگی چند محوره
محاسبه عمر خستگی یک قطعه تحت بارگذاری چند محوره
فنرها هم قطعاتی هستند که تحت بارگذاری خستگی قرار دارند. برای طراحی یک فنر باید هم از دیدگاه استاتیکی و هم از دیدگاه خستگی طراحی را انجام داد و از ایمن بودن طرح مطمئن شد. کمک فنر یک خودرو را در نظر بگیرید که در جاده ناهموار تحت انواع بارگذاری متغیر رندوم قرار دارد. این فنر برای تحمل بار خستگی باید مقاومت لازم را داشته باشد و از قبل طراحی خوبی برای آن انجام شده باشد. برای کسب اطلاعات بیشتر در این زمینه بر روی لینک کد طراحی خستگی فنرهای فشاری با استفاده از نرم افزار مطلب کلیک کنید. روش های مختلفی وجود دارد که با استفاده از آن می توان عمر خستگی را بهبود بخشید. معمولا اگر بتوان در قطعه تنش پسماند فشاری ایجاد کرد، این تنش پسماند باعث بسته شدن ترک ها شده و عمر خستگی افزایش می یابد. از روش هایی که برای ایجاد تنش پسماند فشاری وجود دارد می توان به شن پاشی و ساچمه زنی اشاره کرد. در ساچمه زنی سطح قطع با ساچمه های ریزی و با سرعت بالا بمباران شده و در نتیجه تنش پسماند فشاری در آن ایجاد می گردد. برای بهبود استحکام خستگی فنرها هم می توان از این روش استفاده نمود. برای مطالعه بیشتر در این زمینه بر روی لینک ساچمه زنی و تاثیر آن بر روی عمر خستگی فنرها کلیک کنید. در درس طراحی اجزا طراحی خستگی فنرها هم مورد بررسی قرار می گیرد.
برای مشاهده لیست مدرسین و اساتید طراحی اجزاء بر روی تدریس خصوصی طراحی اجزا کلیک کنید. دانلود مقاله تاثير دماي ساچمه زني بر عمر خستگي فولاد فنر هم مفید است.
در مهندسی مکانیک دیدگاههای مختلفی برای طراحی قطعات از دیدگاه استاتیکی و خستگی وجود دارد. البته قبل از شروع به طراحی باید طراحی مفهومی را انجام داد. مطالعه طراحی مفهومی و پارامترهای مهم در طراحی در این زمینه مفید است. اگر علاقه مند به مشاهده فایل های بیشتر در زمینه طراحی هستید طراحی تلمبه دستی و طراحی گیربکس خودرو با 5 دنده را هم ببینید. در ضمن، همانطور که گفته شد، برای بررسی مبحث خستگی می توان از دیدگاه مکانیک شکست هم استفاده نمود. در صنایع هوافضا دیدگاه مکانیک شکست به صورت جدی مورد استفاده قرار می گیرد. این دیدگاه اصلی ترین مزیتی که دارد این است که دوره های بازرسی را تعریف می کند و در نتیجه بیشتر می توان به آن اطمینان کرد. در دیدگاه مکانیک شکست به احتمال زیاد می توان استفاده بهینه تری هم از قطعات کرد. چرا که در این روش حتی با وجود ترک در قطعه باز هم از آن استفاده می شود و تا وقتی که ترک با یک ضریب اطمینان مشخص به طول بحرانی خودش نرسد می توان از قطعه استفاده کرد. در دیدگاه مکانیک شکست اگر ضریب شدت تنش از مقدار حد آستانه آن Kth کمتر باشد ترک رشد نمی کند و اگر از مقدار بحرانی آن KIC بیشتر باشد با سرعت خیلی زیاد رشد می کند و دیگر نمی توان جلوی آن را گرفت. در فاصله ی این دو مقدار ترک می تواند رشد پایدار داشته باشد. برای کسب اطلاعات بیشتر در این زمینه مقاله ضريب شدت تنش در چرخ دندة ترک دار فولادي و ماده هدفمند در جعبه دنده خودرو را بخوانید و یا بر روی لینک های زیر کلیک کنید.
تست رشد ترک خستگی بر مبنای استاندارد ASTM E647
دیدگاهEIFS در مکانیک شکست (طول ترک اولیه معادل)
معمولا برای بررسی خستگی قطعات واقعی از نتایج تست نمونه های آزمایشگاهی استفاده می شود و اصلاحاتی بر روی نتایج اعمال می گردد. البته اگر امکانات انجام تست خستگی برای قطعه واقعی وجود داشته باشد نتایجی که بدست می آید بسیار قابل اعتمادتر خواهد بود. تست های خستگی معمولا زمان بر بوده و هزینه های بالایی هم دارد. به همین دلیل معمولا سعی می شود با کمک نرم افزارهایی مانند آباکوس و انسیس و کد نویسی و .... شبیه سازی انجام گردد. مبحث خستگی بسیار مهم بوده و برای سازه هایی که تحت بارگذاری دینامیکی قرار دارند شاید اصلی ترین دلیل شکست باشد.
منبع: ایران مدرس (استفاده از مطالب با ذکر منبع و لینک به ایران مدرس مجاز است)
