تحقیق عددی و تجربی اثر پیش بار پیچ ها بر روی ضریب شدت تنش و t-stress در مود ترکیبی اول و دوم شکست

وجود ترک ذاتی در قطعات مکانیکی می تواند سبب تسریع خرابی مکانیکی و شکست آن ها حتی در تنش های کمتر از استحکام تسلیم که خرابی مورد انتظار نیست، شود. ترک ها و ناچ ها ممکن است در زوایای مختلفی نسبت به راستای بارگذاری در ماده وجود داشته باشند. این امر سبب می شود تا رشد ترک و شکست نهایی ماده تحت مود ترکیبی شکست صورت گیرد. بنابراین بررسی عوامل موثر بر مقاومت ماده در برابر شکست، تحت بارگذاری مود ترکیبی از اهمیت بالایی برخوردار است. اتصالات مکانیکی یکی از مهم ترین بخش های هر سازه هستند. اتصال با پیچ و مهره از اتصالات مهمی است که کاربرد گسترده ای در صنایع دارد. در این نوع اتصالات گشتاور پیچشی اعمال شده به پیچ ها جهت محکم نمودن اتصال، باعث ایجاد نیروی پیش بار کششی در پیچ می شود. این نیروی پیش بار باعث فشرده شدن اجزای اتصال به هم می شود و علاوه بر ایجاد تنش فشاری در اطراف سوراخ، در اثر اعمال نیروی خارجی به اجزای اتصال باعث تحریک نیروی اصطکاک در سطوح تماس اجزا می گردد. در صورت وجود یا رشد تدریجی ترک در لبه ی سوراخ اتصال پیچ و مهره، در قطعه ای تحت بارگذاری، نیروی پیش بار و نیروی اصطکاک، باعث توزیع تنش پیچیده در اطراف سوراخ شده و ضریب شدت تنش و مولفه ی ثابت تنش (t-stress) اطراف ترک را نیز تحت تأثیر قرار می دهد. در این مطالعه، اثر نیروی پیش بار پیچ بر روی مقاومت شکست و فاکتور شدت تنش موثر ماده ی پلی متیل متاکریلات در مودهای شکست اول و دوم و ترکیبی با زوایای مختلف، به صورت تجربی و عددی بررسی می شود. برای انجام آزمایشات تجربی از چهار گروه نمونه ی مستطیلی دارای ترک مرکزی با نسبت طول ترک 0.5، از جنس پلی متیل متاکریلات استفاده می شود که با قرار گرفتن در فیکسچر آرکان اصلاح شده و با استفاده از یک ماشین کشش استاتیکی، امکان اعمال زوایای بارگذاری مختلف و به دست آوردن مقاومت شکست نمونه ها در مودهای مختلف، به وجود می آید. این چهار گروه عبارتند از نمونه های دارای ترک مرکزی بدون سوراخ، نمونه های دارای ترک مرکزی با سوراخ هایی در حوالی نوک های ترک و بدون پیچ و نمونه های دارای پیچ با دو نوع گشتاور سفت کننده ی 3.5 و 7 نیوتن متر در نزدیکی نوک های ترک. به منظور تعیین مدول الاستیسیته ی ماده ی مورد آزمایش نیز که در بخش بررسی عددی مورد نیاز می باشد، نمونه های استاندارد کشش، طبق استاندارد، از این ماده تهیه شده و مورد آزمایش قرار می گیرند. رابطه ی بین گشتاور سفت کننده ی اعمالی و نیروی پیش بار و ضریب اصططکاک بین سطوح واشر و نمونه نیز به صورت تجربی به دست می آید. در بخش بررسی عددی نیز، مدل سازی شرایط آزمایشات تجربی توسط نرم افزاز المان محدود انسیس، صورت گرفته و نتایج برای محاسبه ی ضرایب هندسه-بار شدت تنش و مولفه های ثابت تنش در حالت های مختلف مورد استفاده قرار می گیرند. نتایج به دست آمده بیان گر اثر مثبت گشتاور سفت کننده ی پیچ و در نتیجه نیروی پیش بار پیچ بر مقاومت شکست نمونه های مورد آزمایش در تمامی زوایای بارگذاری و تأثیر بیشتر افزایش نیروی پیش بار برای بارگذاری های با مود اول غالب می باشد. نتایج، همچنین نشان دهنده ی اختلاف قابل توجه بین نمونه های بدون سوراخ و بدون پیچ در پارامترهایی نظیر ضریب هندسه-بار برای مود دوم و مولفه ی ثابت تنش می باشد. بررسی منحنی های شکست به دست آمده نیز نشان می دهد که فاکتور شدت تنش به تنهایی قادر به پیش بینی و بیان شکست در نمونه های مورد آزمایش نمی باشد و در نظر گرفتن مولفه ی ثابت تنش نیز همراه با آن ضروری به نظر می رسد.