استخراج ثابت‌های مدل جانسون-کوک فولاد API-5L و ارزیابی آن در مدلسازی اجزاء محدود

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه مهندسی مکانیک، دانشکده مهندسی، دانشگاه صنعتی کرمانشاه

2 گروه مهندسی مکانیک، دانشکده مهندسی، دانشگاه صنعتی کرمانشاه، کرمانشاه، ایران

چکیده

خطوط لوله فولادی API-5L از اجزای حیاتی در صنایع نفت و گاز هستند که تحت بارگذاری‌های پیچیده مکانیکی و محیطی قرار می‌گیرند و پیش‌بینی رفتار مکانیکی و مکانیزم‌های شکست این فولادها نیازمند مدل‌های پیشرفته است. در این پژوهش، مدل جانسون-کوک به عنوان یکی از پرکاربردترین مدل‌های الاستوپلاستیک و شکست، برای فولاد API-5L مورد کالیبراسیون و ارزیابی قرار گرفته است. به‌منظور استخراج داده‌های تجربی، آزمون‌های کشش تک‌محوری بر روی نمونه‌های استاندارد و شیاردار با شعاع‌های مختلف انجام شد. نتایج تنش-کرنش حقیقی، رفتار الاستیک-پلاستیک ماده و کرنش شکست تحت سطوح متفاوت تنش سه‌محوری را آشکار ساخت. نتایج نشان داد که افزایش تنش سه‌محوری موجب کاهش نمایی کرنش شکست می‌شود و تمرکز کرنش و آسیب در نمونه‌های با شیار کوچک‌تر، در نزدیکی ریشه شیار آغاز می‌شود. برای اعتبارسنجی مدل، شبیه‌سازی اجزای محدود سه‌بعدی انجام گرفت. مقایسه نتایج نشان داد که مدل جانسون-کوک قادر به بازتولید دقیق منحنی نیرو-جابجایی و پیش‌بینی بار حداکثر با خطای ۱ تا ۳ درصد است هرچند در پیش‌بینی جابجایی شکست، اختلاف بیشتری مشاهده شد که ناشی از محدودیت‌های ذاتی مدل در شرایط هندسی خاص است. این مطالعه نشان می‌دهد که کالیبراسیون دقیق مدل جانسون-کوک بر اساس داده‌های آزمایشگاهی، ابزاری کارآمد برای شبیه‌سازی و پیش‌بینی شکست فولادهای لوله‌ای API-5L فراهم می‌آورد و می‌تواند در تحلیل‌های طراحی و ارزیابی ایمنی خطوط انتقال انرژی مورد استفاده قرار گیرد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Extraction of Johnson–Cook model constants for API-5L steel and their evaluation in finite element modeling

نویسندگان [English]

  • ammadreza heidari 1
  • Armin Ahmadian 2
  • Sajad Rasaee 2
1 Mechanical Engineering department, faculty of engineering, kermanshah university of technology, kermanshah, iran
2 Department of Mechanical Engineering, faculty of engineering, Kermanshah University of Technology, Kermanshah, Iran
چکیده [English]

API-5L steel pipelines are vital components in oil and gas industries, subjected to complex mechanical and environmental loadings, and predicting the mechanical behavior and failure mechanisms of these steels requires advanced models. In this research, the Johnson-Cook model, as one of the most widely used elastoplastic and failure models, has been calibrated and evaluated for API-5L steel. To extract experimental data, uniaxial tensile tests were performed on standard and notched specimens with various radii. The results revealed true stress-strain, elastic-plastic behavior of the material, and fracture strain under different levels of stress triaxiality. The results showed that increasing stress triaxiality causes an exponential decrease in fracture strain, and strain concentration and damage in specimens with smaller notches begin near the notch root. For model validation, three-dimensional finite element simulations were conducted. Comparison of results showed that the Johnson-Cook model is capable of accurately reproducing the force-displacement curve and predicting the maximum load with an error of 1 to 3 percent, although a larger discrepancy was observed in predicting fracture displacement, which is due to the inherent limitations of the model in specific geometric conditions. This study demonstrates that precise calibration of the Johnson-Cook model based on experimental data provides an efficient tool for simulating and predicting failure in API-5L tubular steels and can be used in design analyses and safety assessments of energy transmission lines.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Johnson-Cook model
  • triaxiality
  • damage
  • flow stress
  • finite element

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار