بهینه‌سازی هندسی نمونه تست خستگی فراصوتی بر اساس رفتار ترموالاستیک

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه کاشان، کاشان، ایران

چکیده

امروزه به دلیل پیشرفت تکنولوژی تعداد نوسان‌های اعمالی به برخی قطعات به محدوده 107 نوسان و بالاتر می‌رسد اخیراً پژوهشگران به‌منظور مطالعه رفتار خستگی در این قطعات از تست خستگی فراصوتی استفاده می‌کنند. این دستگاه به دلیل فرکانس بالای بارگذاری و در نتیجه دستیابی به تعداد نوسان بالاتر در زمان کوتاه‌تر موردتوجه هست. استاندارد مورد پذیرش همگانی برای این تست وجود ندارد لذا یکی از هندسه‌هایی که اغلب به‌منظور نمونه در این تست مورد استفاده قرار می‌گیرد هندسه به فرم ساعت شنی است. در این پژوهش ضمن بررسی این هندسه به‌منظور دستیابی به هندسه بهینه یا دستیابی به تنش بیشینه، تأثیر پارامترهای هندسی بر افزایش دما در حین ارتعاش در فرکانس بالا یا همان اثر ترموالاستیکی که به‌عنوان یکی از معایب تست خستگی فراصوتی شناخته می‌شود بررسی شده است تا این اثر نیز کمینه گردد. بدین منظور ابعاد هندسه ساعت شنی شکل به‌صورت پارامتر تعریف گردید و تغییرات آن با استفاده از شبیه‌سازی صورت گرفته مورد بررسی قرار گرفت. نتایج نشان می‌دهد که با کاهش شعاع انحنا در کنار ثابت بودن قطر میانی و قطر قسمت استوانه‌ای میزان تنش افزایش می‌یابد و همچنین میزان تغییرات دما کاهش می‌یابد از طرفی افزایش قطر قسمت استوانه‌ای درحالی‌که قطر میانی و میزان انحنا ثابت باشد سبب افزایش میزان تنش و دما می‌گردد. نتایج فوق با استفاده از چیدمان تجربی مورد ارزیابی قرار گرفت و تطابق خوبی در آن‌ها مشاهده گردید.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Geometric Optimization of Ultrasonic Fatigue Test Specimens Based on Thermo-Elastic Behavior

نویسندگان [English]

  • Mohsen Aghaei
  • Saeid Amini
Department of Mechanical Engineering, University of Kashan , Kashan, Iran
چکیده [English]

Nowadays, the number of oscillations applied to some parts reaches the range of 107 and higher. Recently, researchers have used ultrasonic fatigue tests to study the fatigue behavior in these parts. This device is considered because of the high frequency of loading and as a result, achieving a higher number of oscillations in a shorter time. There is no universally accepted standard for this test, therefore, one of the geometries that are often used as a sample in this test is the geometry in the form of an hourglass In this research, while investigating this geometry in order to achieve optimal geometry or achieve maximum stress, the effect of geometric parameters on temperature increase during high-frequency vibration or the thermoelastic effect, which is known as one of the disadvantages of ultrasonic fatigue testing, has been investigated. This effect should also be minimized. For this purpose, the dimensions of the hourglass geometry were defined as parameters and its changes were investigated using the simulation. The results showed by decreasing the radius of curvature, along with the stability of the middle diameter and the diameter of the cylindrical part, the amount of stress increases and also the amount of temperature changes decreases. On the other hand, the diameter of the cylindrical part increases, while the middle diameter and the amount If the curvature is constant, it will increase the amount of stress and temperature. The above results were evaluated using the experimental arrangement and a good match was observed in them.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Ultrasonic fatigue
  • Thermo-elastic
  • Geometry
  • Optimization
  • Simulation

مراجع

[1] Y. Furuya, K. Kobayashi, M. Hayakawa, M. Sakamoto, Y. Koizumi, H. Harada, High-temperature ultrasonic fatigue testing of single-crystal superalloys, Materials Letters, 69 (2012) 1-3.
[2] M. Fitzka, B.M. Schonbauer, R.K. Rhein, N. Sanaei, S. Zekriardehani, S.A. Tekalur, J.W. Carroll, H. Mayer, Usability of Ultrasonic Frequency Testing for Rapid Generation of High and Very High Cycle Fatigue Data, Materials (Basel), 14(9) (2021).
[3] H. Ghadimi, A.P. Jirandehi, S. Nemati, S. Guo, Small-sized specimen design with the provision for high-frequency bending-fatigue testing, Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures, 44(12) (2021) 3517-3537.
[4] S. Heinz, F. Balle, G. Wagner, D. Eifler, Analysis of fatigue properties and failure mechanisms of Ti6Al4V in the very high cycle fatigue regime using ultrasonic technology and 3D laser scanning vibrometry, Ultrasonics, 53(8) (2013) 1433-1440.
[5] I.F. Zuñiga Tello, M. Milković, G.M. Domínguez Almaraz, N. Gubeljak, Ultrasonic and Conventional Fatigue Endurance of Aeronautical Aluminum Alloy 7075-T6, with Artificial and Induced Pre-Corrosion, Metals, 10(8) (2020).
[6] W. Peng, Y. Zhang, B. Qiu, H. Xue, A Brief Review of the Application and Problems in Ultrasonic Fatigue Testing, AASRI Procedia, 2 (2012) 127-133.
[7] C. Bathias, Coupling effect of plasticity, thermal dissipation and metallurgical stability in ultrasonic fatigue, International Journal of Fatigue, 60 (2014) 18-22.
[8] Z.y. Huang, Q. Wang, D. Wagner, C. Bathias, A very high cycle fatigue thermal dissipation investigation for titanium alloy TC4, Materials Science and Engineering: A, 600 (2014) 153–158.
[9] R. Zhang, X. Li, Y. Liu, C. He, Effect of Ultrasonic Peening Treatment on VHCF Behavior of Friction Stir Welded Joints in Aluminum Alloys, IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 611 (2019) 012011.
[10] A. Abboud, A. AlHassan, B. Dönges, J.S. Micha, R. Hartmann, L. Strüder, H.-J. Christ, U. Pietsch, VHCF damage in duplex stainless steel revealed by microbeam energy-dispersive X-ray Laue diffraction, International Journal of Fatigue, 151 (2021).
[11] W. Cui, X. Chen, C. Chen, L. Cheng, J. Ding, H. Zhang, Very High Cycle Fatigue (VHCF) Characteristics of Carbon Fiber Reinforced Plastics (CFRP) under Ultrasonic Loading, Materials (Basel), 13(4) (2020).
[12] A. Illgen, M. Baaske, F. Ballani, A. Weidner, H. Biermann, Influence of ceramic particles and fibre reinforcement in metal-matrix-composites on the VHCF behaviour. Part I: Experimental investigations of fatigue and damage behaviour, in:  Fatigue of Materials at Very High Numbers of Loading Cycles, (2018) 295-318.
[13] A. Tridello, VHCF Response of Two AISI H13 Steels: Effect of Manufacturing Process and Size-Effect, Metals, 9(2) (2019).
[14] M. Zhao, T. Wu, Z. Zhao, L. Liu, G. Luo, W. Chen, Ultrasonic Fatigue Device and Behavior of High-Temperature Superalloy Inconel 718 with Self-Heating Phenomenon, Applied Sciences, 10(23) (2020).
[15] J. Soyama, O.M. Ferri, T. Ebel, K.U. Kainer, Axial fatigue testing of Ti–6Al–4V using an alternative specimen geometry fabricated by metal injection moulding, Powder Metallurgy, 59(5) (2016) 344-349.
[16] H. Zhang, D. Wang, C. Deng, Optimal Preparation Process for Fatigue Specimens Treated by Ultrasonic Peening, Experimental Techniques, 42(2) (2017) 199-207.
[17] A. Tridello, D.S. Paolino, G. Chiandussi, M. Rossetto, Analytical Design of Gigacycle Fatigue Specimens for Size Effect Evaluation, Key Engineering Materials, 577-578 (2013) 369-372.
[18] A. Tridello, D.S. Paolino, M. Rossetto, Ultrasonic VHCF Tests on Very Large Specimens with Risk-Volume Up to 5000 mm3, Applied Sciences, 10(7) (2020).
[19] M. Aghaei, S. Amini, Thermo-elastic heating in VHCF specimen, in:  Eighth International Conference on Very High Cycle Fatigue (VHCF8), Online & On-demand 2021, pp. 1-3.
[20] S. Amini, M. Aghaei, Study the Fatigue Behavior of AISI 1045 Steel Using Ultrasonic Fatigue Test Machine, Amirkabir Journal of Mechanical Engineering, 51(5) (2019) 1017-1024.
نشریه مهندسی مکانیک امیرکبیر
دوره 54، شماره 10
دی 1401
صفحه 2399-2410

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار