دانلود رایگان ترجمه مقاله مدل شکست ناپذیر برای سیستم های سازگار با پلیمر – هینداوی 2013

مقالات انگلیسی و ترجمه های فارسی رایگان با فرمت PDF آماده دانلود رایگان میباشند

همچنین ترجمه مقاله با فرمت ورد نیز قابل خریداری و دانلود میباشد

مقاله انگلیسی رایگان (PDF)

ترجمه فارسی رایگان (PDF)

خرید ترجمه با فرمت ورد

فهرست مقاله:

1-مقدمه
2- مرور منابع
3- مدل پیش بینی شکست خستگی
4آزمون شبیه سازی و آزمایشی
5-نتیجه گیری

بخشی از ترجمه فارسی مقاله:

1-مقدمه
خستگی، یکی از مکانیسم های شکست اصلی در سازه های مهندسی می باشد(1). بار های سیکلی متغیر از نظر زمانی منجر به شکست اجزا در مقادیر تنش و فشار کم تر از مقاومت خمشی یا نهایی ماده می شود. شکست خستگی اجزا با ظهور و انتشار یک ترک تا زمانی ناپایدار شدن و سپس تبدیل ترک ها به شکست ناگهانی رخ می دهد. عمر خستگی کل، مجموع عمر شروع ترک و عمر انتشار ترک میباشد. پیش بینی عمر خستگی به دلیل ماهیت پیچیده که تحت تاثیر عوامل مختلف، ماهیت آماری پدیده های خستگی و تست های خستگی زمان بر قرار دارند از اهمیت زیادی برخوردار است.
اگرچه بسیاری از مدل های خستگی برای حل مسائل خستگی استفاده شده اند، با این حال دامنه روایی( اعتبار) این مدل ها هنوز به خوبی تعریف نشده است. هیچ روشی قادر به پیش بینی عمر خستگی با مقدار آسیب از طریق تفکیک فاز های شروع ترک و انتشار ترک نمی باشد. روش های مورد استفاده برای پیش بینی عمر شروع ترک عمدتا تجربی هستند(2) و قادر به تعریف آسیب وارد شده به مواد نمی باشند. رویکرد های مبتنی بر کرنش و تنش آسیب وارده به ماده را تعیین نمی کنند زیرا آن ها عمدتا روش های برازش منحنی می باشند. محدودی این روش موجب شده است تا مدل های میکرومکانیک موسوم به رویکرد های محلی بر اساس مکانیک آسیب در محیط پیوسته ایجاد شوند(CDM). رویکرد های محلی بر اساس کاربرد مدل های میکرومکانیک گسیختگی می باشند که در آن تنش/کرنش و آسیب در نوک ترک مربوط به شرایط اساسی و بحرانی لازم برای گسیختگی است. این مدل ها از طریق پارامتر های خاص مواد واسنجی می شوند.
وقتی که این پارامتر ها برای یک ماده خاص تعیین شد، می توان گفت که آن ها مستقل از شکل هندسی و حالت بار گذاری هستند و می توان از آن ها برای ارزیابی جزء ساخته شده از یک ماده استفاده کرد.
برای برخی از ساختار های ( سازه های) سازگار، جا به جایی مطلوب به ندرت رخ می دهد و تئوری های ایستا یا استاتیک برای تجزیه تحلیل کافی می باشند. با این حال، با تعریف مکانیسم های سازگار، شکست و انحراف اعضای انعطاف پذیر برای حرکت و جا به جایی لازم است. معمولا، گفته می شود که مکانیسم باید قادر به باشد تا تحت جا به جایی برای چندین بار قرار گیرد و طراحی ممکن است نیاز به چند میلیون سیکل عمر نامحدود داشته باشد. بار گذاری مکرر منجر به تنش های نوسانی در اعضا و در نهایت شکست خستگی می شود. شکست می تواند در تنش هایی رخ دهد که به طور معنی داری کم تر از تنش هایی است که منجر به شکست استاتیک می شود(3). یک ترک کوچک برای آغاز یک شکست خستگی کافی است. ترک سریعا رشد و پیشرفت می کند زیرا اثر تمرکز تنش اطراف آن بزرگ تر می شود. در صورتی که اندازه سطح تحت تنش کوچک تر شود، بزرگی تنش افزایش می یابد و اگر مساحت باقی مانده باز هم کوچک تر شود، عضو می شکند. یک عضو شکسته شده به دلیل خستگی، دو ناحیه مجزا را نشان می دهد. ناحیه اول ناشی از توسعه پیشرونده ترک است، و ناحیه دوم ناشی از گسیختگی ناگهانی است. شکست غیر منتظره و زود هنگام یک ابزار می تواند منجر به یک طراحی غیر ایمن شود. هم چنین اعتماد مصرف کننده به محصولاتی که زودتر می شکنند کاهش می یابد. به همین دلایل، عمر خستگی مکانیسم سازگار باید تجزیه تحلیل شود.
اگرچه پیش بینی صحیح شکست خستگی سخت است، دانش و درک مناسب از پیش بینی شکست خستگی و پیشگیری در طراحی مکانیسم های سازگار اهمیت دارد. تئوری را می توان برای طراحی ابزار هایی که مقاوم به این تنش های نوسانی می باشند استفاده کرد.
چندین مدل برای پیش بینی شکست خستگی موجود است. مدل های عمر-کرنش وعمر-تنش غالبا در طراحی اجزای مکانیکی استفاده می شوند(3). این تئوری ها برای بخش های تحت تنش های نوسانی قابل پیش بینی و مداوم مناسب هستند. بسیاری از اجزای ماشینی با این تئوری ها هم خوانی دارند زیرا جا به جایی و بار های آن ها از طریق سینماتیک مکانیسم تعریف می شود.
سه سیکل تنش وجود دارد که از طریق آن بار ها به اجزای مورد نظر وارد می شوند. ساده ترین مورد، سیکل تنش معکوس است( شکل 1 الف). این یک موج سینوسی است که در آن تفاوت ماکزیمم تنش و مینیمم تنش، در یک علامت منفی است. مثالی از این نوع سیکل تنش در یک محور است که در هر نیم دور چرخش در موج سینوسی، تنش بر روی نقطه معکوس می شود. رایج ترین نوع سیکل در سازه های مهندسی، در جایی دیده می شود که تنش های ماکزیمم و مینیمم به صورت غیر متقارن هستند( منحنی، یک موج سینوسی است) نه برابر.( شکل 1 ب). این نوع از سیکل تنش موسوم به سیکل تنش مکرر است. نوع نهایی از حالت سیکل تنش، جایی است که در آن تنش و فرکانس به طور تصادفی تغییر می کنند.( شکل 1 ج). یک مثال از این می تواند شوک بدنه باشد که در آن بزرگی فرکانس امواج ایجاد تنش های ماکزیمم و مینیم متغیر می کنند.
پیش بینی عمر قطعات تحت تنش بالاتر از آستانه تحمل، در بهترین حالت یک روش تقریبی است. برای درصد بالایی از سیستم های سازگار مکانیکی و ساختاری در معرض شدت های متغیر سیکل های تنش( اجزای سازگار ساختار هواپیما و خودرو)، پیش بینی عمر خستگی کمی پیچیده تر است. مدل های عمر-کرنش و عمر-تنش نرمال را نمی توان در پیش بینی خستگی استفاده کرد. مدل هایی نظیر مکانیک آسیب در محیط پیوسته را می توان در این وضعیت استفاده کرد.
پلیمر ها غالبا در طراحی مکانیسم های سازگار(3) استفاده می شوند. استفاده از ویژگی های غیر خطی پلیمر ها برای تجزیه تحلیل عملکرد سیستم های سازگار لازم است. پلیمر های ترمو پلاستیک نظیر پلی پروپیلن یک پاسخ ماده ویسکو الاستیک را نشان می دهند(4). با قوانین ساختاری خاص نظیر قوانین پلاستیسیته ترکیبی و ویسکو الاستیسیته، مواد به شکلی تراکم ناپذیر رفتار می کنند(5). رفتار حجمی مواد هایپر الاستیک را می توان به دو دسته طبقه بندی کرد موادی نظیر پلیمر ها دارای تغییرات حجمی اندکی در طی تغییر شکل بوده و و موادی که تقریبا تراکم ناپذیر می باشند.(6). فوم ها یک مثال از مواد تراکم ناپذیر می باشند که تغییرات حجمی بسیار زیادی را طی تغییر شکل و دفورمه شدن تجربه می کنند. این نشان می دهد که بیشتر پلیمر ها تقریبا تراکم ناپذیر یا غیر قابل فشرده سازی هستند. به طور کلی، پاسخ پلیمر به شدت وابسته به دما(7) است. در دما های پایین، پلیمر ها همانند شیشه خمش الاستیک را تجربه می کنند: در دما های بالا، رفتار همانند مایعات ویسکوز است، و در دما های متوسط، رفتار همانند جامدات لاستیکی است. قانون مواد هایپر الاستیک این رفتار لاستیکی را اندازه گیری می کند. پلیمر ها قادر به تغییر شکل زیادی بوده و در معرض منحنی های کرنش-تنش کششی و تراکمی قرار می گیرند(8). ساده ترین توصیف برای این نوع ماده، هایپر الاستییسیته ایزوتروپیک(8) می باشد.
شکست خستگی پلیمر های ترمو پلاستیک به طور کلی در دو مرحله توسعه می یابد(9). اولا، مواد موجب انباشت آسیب خستگی می شوند( یعنی در فاز شروع) که در نهایت منجر به تشکیل شکاف های ملموس می شود. این شکاف ها بزرگ تر شده و تبدیل به ترک می شوند و تا زمان وقوع شکستگی نهایی منتاشر می شوند. به طور کلی، فرایند آسیب در پلیمر ها به صورت تشکیل و توسعه ریز شکاف ها و ترک ها در یک ماده کامل است. ماده به صورت یکسان و ثابت باقی می ماند، با این حال خواص ماکروسکوپی آن با هندسه ماکروسکوپی آن تغییر می کند(10). در پلیمر ها، تشکیل شکاف یکی از دلایل اصلی اسیب به ماده است که هم به صورت فرایند خمش موضعی و هم به صورت اولین مرحله گسیختگی در نظر گرفته می شود. شکاف ها معمولا تحت آسیب های سطحی و خراش ها یا منافذ کوچک ایجاد شده و نقش قابل توجهی در تغییر شکل های آتی و نیز رفتار های مکانیکی کلی پلیمر ها دارند(11). مدل های مکانیک آسیب در محیط پیوسته CDM برای اولین بار توسط کاچنوف معرفی شده و در چارچوب بحث های ترمودینامیک در حصوص اثرات ریز شکاف ها بر روی توسعه شکاف های بعدی و وضعیت تنش و کرنش در مواد توسعه یافت.
در این مقاله، معادله تکامل آسیب ایزوتروپیک برای ویژگی ویسکوالاستیسیته محدود CM های پلیمری پیشنهاد شده است که بر مبنای CDM است. یک مدل آسیب جدید برای ایجاد فرمول عمر خستگی برای این سیستم های سازگار توسعه یافته است. مدل سازگار به صورت یک ماده هایپر الاستیک ایزو تروپیک در نظر کرفته می شود. یک ماده پلیمری موسوم به پلی پروپیلن با چگالی پایین(LDP) برای بدست آوردن عمر خستگی به صورت تابعی از بزرگی تنش تست شد.

بخشی از مقاله انگلیسی:

1. Introduction

Fatigue is one of the major failure mechanisms in engineering structures [1]. Time-varying cyclic loads result in failure of components at stress values below the yield or ultimate strength of the material. Fatigue failure of components takes place by the initiation and propagation of a crack until it becomes unstable and then propagates to sudden failure. The total fatigue life is the sum of crack initiation life and crack propagation life. Fatigue life prediction has become important because of the complex nature of fatigue as it is influenced by several factors, statistical nature of fatigue phenomena and time-consuming fatigue tests. Though a lot of fatigue models have been developed and used to solve fatigue problems, the range of validity of these models is not well defined. No method would predict the fatigue life with the damage value by separating crack initiation and propagation phases. The methods used to predict crack initiation life are mainly empirical [2] and they fail to define the damage caused to the material. Stress- or strainbased approaches followed do not specify the damage caused to the material, as they are mainly curve fitting methods. The limitation of this approach motivated the development of micromechanics models termed as local approaches based on continuum damage mechanics (CDM). The local approaches are based on application of micromechanics models of fracture in which stress/strain and damage at the crack tip are related to the critical conditions required for fracture. These models are calibrated through material specific parameters. Once these parameters are derived for particular material, they can be assumed to be independent of geometry and loading mode and may be used to the assessment of a component fabricated from the same material. For some compliant structures, the desired motion may occur infrequently, and the static theories may be enough for the analysis [3]. However, by the definition of compliant mechanisms, deflection of flexible members is required for the motion. Usually, it is desired that the mechanism be capable of undergoing the motion many times, and design requirements may be many millions of cycle of infinite life. This repeated loading cause fluctuating stresses in the members and can result in fatigue failure. Failure can occur at stresses that are significantly lower than those that cause static failure [3]. A small crack is enough to initiate the fatigue failure. The crack progresses rapidly since the stress concentration effect becomes greater around it. If the stressed area decreases in size, the stress increases in magnitude, and if the remaining area is small, the member can fail. A member failed because of fatigue showing two distinct regions. The first one is due to the progressive development of the crack, while the other one is due to the sudden fracture. Premature or unexpected failure of a device can result in an unsafe design.The consumer confidence may be reduced in products that fail prematurely. For these and other reasons, it is critical that the fatigue life of compliant mechanism be analyzed. Although fatigue failure is difficult to predict accurately, an understanding of fatigue failure prediction and prevention is very helpful in the design of compliant mechanisms. The theory can be used to design devices that will withstand these fluctuating stresses. Several models are available for fatigue failure prediction. The stress-life and strain-life models are commonly used in the design of mechanical components [3]. These theories are appropriate for parts that undergo consistent and predictable fluctuating stresses. Many machine components fit into this category because their motion and loads are defined by kinematics of the mechanism. There are three stress cycles with which loads may be applied to the component under consideration. The simplest being the reversed stress cycle (Figure 1(a)). This is merely a sine wave where the maximum stress and minimum stress differ by a negative sign. An example of this type of stress cycle would be in an axle, in which every half turn or half period as in the case of the sine wave, the stress on a point would be reversed. The most common type of cycle found in engineering applications is where the maximum stress and minimum stress are asymmetric (the curve is a sine wave), not equal, and opposite (Figure 1(b)).

This type of stress cycle is called repeated stress cycle. A final type of cycle mode is where stress and frequency vary randomly (Figure 1(c)). An example of this would be hull shocks, where the frequency magnitude of the waves will produce varying minimum and maximum stresses. Predicting the life of parts stressed above the endurance limit is at best a rough procedure. For the large percentage of mechanical and structural compliant systems subjected to randomly varying stress cycle intensity (e.g., compliant automotive suspension and compliant aircraft structural components, etc.), the prediction of fatigue life is further complicated. The normal stress-life and strain-life models cannot be adopted in the fatigue prediction. Models such as continuum damage mechanics (CDM) can be used in dealing with this situation. Polymers are predominantly used in the design of compliant mechanisms [3]. It is important to use the nonlinear characteristics of polymers to analyse the performance of compliant systems. Thermoplastic polymers like polypropylene exhibit a viscoelastic material response [4]. It has been frequently noted that with certain constitutive laws, such as those of viscoelasticity and associative plasticity, the material behaves in a nearly incompressible manner [5]. The typical volumetric behavior of hyperelastic materials can be grouped into two classes. Materials such as polymers typically have small volumetric changes during deformation and those that are incompressible or nearly-incompressible materials [6]. An example of the second class of materials is foams, which can experience large volumetric changes during deformation, and these are compressible materials. This implies that most polymers are nearly incompressible. In general, the response of a typical polymer is strongly dependent on temperature [7]. At low temperatures, polymers deform elastically like glass; at high temperatures, the behaviour is viscous like liquids; at moderate temperatures, the behaviour is like a rubbery solid. Hyperelastic constitutive laws are intended to approximate this rubbery behaviour. Polymers are capable of large deformations and subject to tensile and compression stress-strain curves [8]. The simplest yet relatively precise description for this type of material is isotropic hyperelasticity [8]. The fatigue failure of thermoplastics polymers generally develops in two phases [9]. First, the material accumulates fatigue damage (i.e., in the initiation phase), which ultimately leads to the formation of visible crazes. The crazes further grow, form cracks and propagate (i.e., in the propagation phase) until the final failure occurs. In general, the damage process in polymers is regarded as the formation and development of microdefects and crazes within an initially perfect material. The material remains the same but its macroscopic properties change with its microscopic geometry [10]. In polymers, craze formation is generally believed to be one of the main causes of material damage, which is both a localized yielding process and the first stage of fracture. Crazes are usually initiated either at surface flaws and scratches or at internal voids and inclusions and affect significantly the subsequent deformation and bulk mechanical behaviors of polymers [11]. The continuum damage mechanics (CDM) first introduced by Kachanov and developed within the framework of thermodynamics discusses systematically the effects of microdefects on the subsequent development of microdefects and the states of stress and strain in materials. It has been applied to fatigue and fracture of different materials. In this paper, an isotropic damage evolution equation for finite viscoelasticity characteristic of polymeric CMs is proposed, which is based on the CDM. A new damage model is developed to establish the fatigue life formula for such compliant systems. The compliant material is idealized as an isotropic hyperelastic material. A commonly used polymeric material, low density polypropylene (LDP) was tested to obtain the fatigue life as a function of the strain amplitude.