در این مقاله آموزشی که مرتبط با آموزش رشته مهندسی مکانیک است در رابطه با نحوه کاهش ضریب تمرکز تنش با سوراخ متوقف کننده توضیحاتی ارائه می گردد. وجود سوراخ، تغییر سطح مقطع و ... در قطعات تحت بار باعث افزایش تنش می گردد.
برای مشاهده لیست کامل مدرسین و اساتید مهندسی مکانیک و مقاومت مصالح بر روی عبارت های تدریس خصوصی مهندسی مکانیک و معلم خصوصی مقاومت مصالح کلیک کنید. مطالعه دانلود جزوه مقاومت مصالح - بخش سوم: تنش خمشی، تنش برشی و تنش پیچشی هم مفید است.
در مهندسی مکانیک و بسیاری از رشته های مهندسی دانشجویان و فارغ التحصیلان با تنش و محاسبه تنش به منظور طراحی قطعات مهندسی سر و کار دارند. اگر در یک قطعه یا جزء مکانیکی سوراخی وجود داشته باشد و یا به عنوان مثال سطح مقطع به صورت موضعی تغییر کند، در اطراف این بخش ها تنش افزایش پیدا می کند. به سوراخ ها و ناچ ها که باعث افزایش تنش می شوند تنش افزا گفته می شود. تنش خودش از تقسیم نیرو بر سطح بدست می آید. اگر نیرو بر سطح عمود باشد به تنش، تنش عمودی گفته می شود و اگر نیرو بر سطح مماس باشد تنش مماسی یا برشی خواهیم داشت. واحد تنش پاسکال است و معمولا بر حسب کیلوپاسکال و یا مگاپاسکال بیان می شود. برای اینکه اثر سوراخ ها و انواع تنش افزاها در بحث طراحی به حساب بیاید از پارامتری به نام ضریب تمرکز تنش stress concentration factor استفاده می شود. ضریب تمرکز تنش به صورت نسبت تنش ماکزیمم ایجاد شده به تنش متوسط تعریف می گردد. ضریب تمرکز تنش فقط به هندسه قطعه بستگی دارد و تابعی از بارگذاری نیست. برای محاسبه ضریب تمرکز تنش یا SCF از روش های تجربی و یا عددی مانند المان محدود استفاده می شود. برای شکل های متداول نمودارهای مرتبط با ضریب تمرکز تنش در کتاب های مرجعه ارائه شده است. تصویر زیر به عنوان مثال ارائه شده است. یکی از راهکارهای خوب برای کاهش ضریب تمرکز تنش و متوقف کردن ترک ها استفاده از سوراخ های متوقف کننده است.
حتما بخوانید: خلاصه جزوه مقاومت مصالح - مبحث تبدیل تنش
در مهندسی مکانیک و در درس هایی مانند استاتیک و مقاومت مصالح، طراحی اجزاء 1 و 2 و ... دانشجویان با ضریب تمرکز تنش بسیار سر و کار دارند و باید به خوبی مفهوم آن را درک نمایند (کلیک کنید: مشاهده اساتید خصوصی استاتیک). پدیده تمرکز تنش و ایجاد آن در پوسته ها و صفحه ها یکی از مسائل مهم درمهندسی سازه و مکانیک بوده که با توجه به اهمیت فراوان این پدیده از نظر علمی جایگاه قابل ملاحظه اي برخورداراست. زیردریایی ها، کشتی ها، بالها و بدنه هواپیماها، موشکها و راکت ها، دیگ هاي بخار ومخازن تحت فشار، اتصالات لوله ها در خطوط انتقال سیالاتی نظیرگاز، بخار و آب وفاضلاب و... همگی نمونه هاي فراوان و بارز کاربرد این پدیده در صنعت هستند. بطور کلی ایجاد بازشدگی در یک پوسته استوانه اي و یا اتصال دو پوسته و یا حتی در صفحات، باعث ایجاد آشفتگی در میدان تنش ها می گردد و تمرکز تنش را پدید می آورد. تنش ها ممکن است تا چندین برابر تنش هاي ایجاد شده دربدنه سازه پوسته اي (گاهی تا بیش از صد برابر) افزایش یابد که از نقطه نظر تحلیلی و طراحی بسیار حائز اهمیت است. کاهش تمرکز تنش نیز از موضوعات بسیار حائز اهمیت در بعد تئوري و بخصوص صنعتی و کاربردي است. درادامه این مقاله با بررسی این مهم، چند راه حل اقتصادي و عملی برمبناي آنالیزها و نیز آزمایشات تجربی، بررسی و ارائه می گردد. در این سازه ها با استفاده از تمهیداتی همانند تغییر جنس، تغییر ضخامت (یکنواخت و پله اي)، استفاده از پوسته یا صفحه با ضخامت متغیر (منطبق بر تغییرات دیاگرام تنش)، تعبیه رینگ یا حلقه تقویتی در اطراف گشایش و نیز داخل آن، استفاده از سوراخ های متوقف کننده و... می توان تمرکز تنش را کاهش داد. در شکل زیر ضریب تمرکز حالت نشان داده شده برابر 3 است.
حتما بخوانید: آشنایی با فرآیند ساچمه زنی shot peening
استفاده از سوراخهاي متوقف کننده از جمله ساده ترین روشها براي کاهش ضریب تمرکز تنش است. کارایی سوراخهاي متوقف کننده در مهار رشد ترك بر مبناي تأثیرگذاري آنها روي ضرایب شدت تنش سنجیده میشود نتایج عددي بیانگر این است که موقعیت و اندازه سوراخهاي متوقف کننده بر مقدار ضریب تمرکز تنش تأثیرگذار است. مهمترین دلیل تغییر در ضریب تمرکز تنش، تأثیرگذاري سوراخهاي متوقف کننده بر میدان تنش است. با افزایش اندازه سوراخهاي دو طرف سوراخ و کاهش فواصل افقی و عمودي آنها از سوراخ مرکزی، تأثیرپذیري ضریب تمرکز تنش نیز تغییر میکند.
پیشنهاد می شود بخوانید: آموزش مقاومت مصالح به زبان ساده و فیلم آموزش مقاومت مصالح
دراین زمینه، شین [1] با مقایسه چند روش مهار رشد ترك، استفاده از روش سوراخهاي دوطرف ترك را نسبت به روشهاي پر کردن فضاي میان ترک با چسب و روش بیش بارگذاري، براي افزایش عمر خستگی سازه تركدار توصیه کرده است. همچنین، لی [2] کارایی سوراخهاي نوك ترك و دوطرف ترك را مقایسه و بیان کرده است که سوراخهاي دو طرف ترك نسبت به سوراخ نوك ترك سبب کاهش بیشتر تمرکز تنش در نزدیکی نوك ترك میگردند.
مطالعه نمائید: ضريب شدت تنش در چرخ دندة ترک دار فولادي و ماده هدفمند در جعبه دنده خودرو
با توجه به کاربرد صفحات حاوی سوراخ مربعی، دورلی و راجایا [3 ] به منظور ایجاد کمترین ضریب تمرکز تنش، شعاع گوشه ها و اضلاع مربع را بهینه سازی کرده اند. سیمها و موهاپاترا [ 4] از یک تابع نگاشت کلی برای یافتن توزیع تنش در اطراف سوراخ با شکل های مختلف در یک صفحه همسان گرد نامحدود استفاده کرده و توزیع تنش را برای حالت بارگذاری کششی و برشی خالص در دوردست به دست آورده اند. لوح قلم و همکاران [ 5] با استفاده از روش متغیر مختلط و ترکیب روش نگاشت همدیس و اجزای محدود، توزیع تنش اطراف سوراخ مستطیل شکل تحت بار خمشی را تعیین نموده اند. شارما [ 6] حل عمومی برای توزیع تنش حول سوراخ چندضلعی در صفحه همسان گرد نامحدود تحت بارگذاری دو محوری را به دست آورده و اثر هندسه سوراخ و الگوی بارگذاری را روی ضریب تمرکز تنش بررسی نموده است. لو و همکاران [ 7] یک صفحه همسان گرد دارای دو سوراخ را بررسی و ضریب تمرکز تنش را به روش تحلیلی متغیر مختلط و نگاشت همدیس ارایه کرده اند با توجه به این که جوانه زنی ترک در محل تمرکز تنش قطعات بسیار رایج بوده، بررسی این پدیده برای جلوگیری از حوادث حایز اهمیت است.
پیشنهاد می شود مطالعه نمائید: تحليل تنش مکانيکي و حرارتي بلوک سيلندر
با توجه به مطالب ارائه شده واضح است که در بحث طراحی، مهندسین مکانیک باید اثر تمرکز تنش را هم با دقت بالا در نظر بگیرند. اگر تمرکز تنش در نظر گرفته نشود باعث می شود طراحی ایمن نباشد. نکته دیگر اینکه در بارگذاری خستگی اگر ماده نرم باشد اثر SCF خیلی مهم نیست چون تسلیم موضعی اتفاق می افتد. اما برای مواد ترد اثر تمرکز تنش بسیار مهم می شود. همه ی مواد به یک اندازه به ناچ و تمرکز تنش حساس نیستند. دیدگاهEIFS در مکانیک شکست (طول ترک اولیه معادل)
مراجع
[1] C.S. Shin, C.M. Wang, P.S. Song, Fatigue damage repair: a comparison of some possible methods, International Journal of Fatigue, Vol. 18, No. 8, pp. 535–546, 1996.
[2] J. Lee, Crack initiation in plates with multiple defects, PhD Dissertation University of California, Los Angeles, 1996.
[3]- Durelli AJ, Rajaiah K. Quasi-square hole with optimum shape in an infinite plate subjected to in-plane loading. Journal of Mechanical Design. 1981;103(4):866-870.
[4]- Simha KRY, Mohapatra SS. Stress concentration around irregular holes using complex variable method Sadhana. 1998;23(4):393-412.
[5]- Louhghalam A, Igusa T, Park C, Choi S, Kim K. Analysis of stress concentrations in plates with rectangular openings by a combined conformal mapping - finite element approach. International Journal of Solids and Structures. 2011;48(13):1991-2004.
[6]- Sharma DS. Stress distribution around polygonal holes. International Journal of Mechanical Sciences2012;65(1):115-124.
[7]- Lu AZ, Xu Z, Zhang N. Stress analytical solution for an infinite plane containing two holes. International Journal of Mechanical Sciences. 2017;128-129:224-234.
منبع: ایران مدرس
