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

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

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
  • Armin Ahmadian
  • Sajad Rasaee
Mechanical Engineering department, 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

مراجع

[1] G.R. Johnson, W.H.J.E.f.m. Cook, Fracture characteristics of three metals subjected to various strains, strain rates, temperatures and pressures, 21(1) (1985) 31-48.
[2] G.E. Dieter, J.M. Metallurgy, S.J.M.M. Edition, SI Metric edition, McGraw-Hill Book Company, 49 (1988).
[3] J. Lemaitre, J.-L. Chaboche, Mechanics of solid materials, Cambridge university press, 1994.
[4] F.A.J.J.o.a.m. McClintock, A criterion for ductile fracture by the growth of holes, 35(2) (1968) 363-371.
[5] J.R. Rice, D.M.J.J.o.t.M. Tracey, P.o. Solids, On the ductile enlargement of voids in triaxial stress fields∗, 17(3) (1969) 201-217.
[6] J. Hancock, A.J.J.o.t.M. Mackenzie, P.o. Solids, On the mechanisms of ductile failure in high-strength steels subjected to multi-axial stress-states, 24(2-3) (1976) 147-160.
[7] Y. Bao, Prediction of ductile crack formation in uncracked bodies, Massachusetts Institute of Technology, 2003.
[8] Y. Bao, T.J.E.f.m. Wierzbicki, On the cut-off value of negative triaxiality for fracture, 72(7) (2005) 1049-1069.
[9] Y. Bao, T.J.I.j.o.m.s. Wierzbicki, On fracture locus in the equivalent strain and stress triaxiality space, 46(1) (2004) 81-98.
[10] N. Bonora, G. Testa, A. Ruggiero, G. Iannitti, D.J.F. Gentile, F.o.E. Materials, Structures, Continuum damage mechanics modelling incorporating stress triaxiality effect on ductile damage initiation, 43(8) (2020) 1755-1768.
[11] L. Malcher, F.A. Pires, J.C.J.I.J.o.P. De Sá, An assessment of isotropic constitutive models for ductile fracture under high and low stress triaxiality, 30 (2012) 81-115.
[12] Z. Peng, H. Zhao, X.J.I.J.o.P. Li, New ductile fracture model for fracture prediction ranging from negative to high stress triaxiality, 145 (2021) 103057.
[13] M. Ganjiani, M.J.I.J.o.S. Homayounfard, Structures, Development of a ductile failure model sensitive to stress triaxiality and Lode angle, 225 (2021) 111066.
[14] F. Yu, M.T. Hendry, P.-Y.B. Jar, S. Li, Z.J.T. Li, A.F. Mechanics, A coupled stress-triaxiality-dependent damage viscoplasticity model on crack initiation and propagation in high-strength rail steel, 109 (2020) 102769.
[15] S. Yu, L. Cai, D. Yao, C.J.T. Bao, A.F. Mechanics, Critical ductile fracture criterion based on first principal stress and stress triaxiality, 109 (2020) 102696.
[16] T. Kato, M. Ohata, S. Nogami, H.J.F.E. Tanigawa, Design, Evaluation of impacts of stress triaxiality on plastic deformability of RAFM steel using various types of tensile specimen, 109 (2016) 1631-1636.
[17] M.l. Alves, N.J.J.o.t.M. Jones, P.o. Solids, Influence of hydrostatic stress on failure of axisymmetric notched specimens, 47(3) (1999) 643-667.
[18] E. Østby, K. Jayadevan, C.J.I.J.o.P.V. Thaulow, Piping, Fracture response of pipelines subject to large plastic deformation under bending, 82(3) (2005) 201-215.
[19] S.H. Hashemi, M. Kymyabakhsh, Experimental and Numerical Determination of Fracture Toughness in Gas Pipeline Steel of Grade API X65, Amirkabir Journal of Science & Research (Mechanical Engineering), 45(2) (2013) 1-9, (in Persian).
[20] K. Zhang, H. Badreddine, N. Hfaiedh, K. Saanouni, J.J.I.J.o.D.M. Liu, Enhanced CDM model accounting of stress triaxiality and Lode angle for ductile damage prediction in metal forming, 30(2) (2021) 260-282.
[21] N. Kılıç, S. Bedir, A. Erdik, B. Ekici, A. Taşdemirci, M.J.M. Güden, Design, Ballistic behavior of high hardness perforated armor plates against 7.62 mm armor piercing projectile, 63 (2014) 427-438.
[22] M.A. Iqbal, K. Senthil, P. Sharma, N.J.I.J.o.I.E. Gupta, An investigation of the constitutive behavior of Armox 500T steel and armor piercing incendiary projectile material, 96 (2016) 146-164.
[23] A. Banerjee, S. Dhar, S. Acharyya, D. Datta, N.J.M.S. Nayak, E. A, Determination of Johnson cook material and failure model constants and numerical modelling of Charpy impact test of armour steel, 640 (2015) 200-209.
[24] P. Skoglund, M. Nilsson, A. Tjernberg, Fracture modelling of a high performance armour steel, in:  Journal de Physique IV (Proceedings), EDP sciences, 2006, pp. 197-202.
[25] Y. Bai, X. Teng, T. Wierzbicki, On the application of stress triaxiality formula for plane strain fracture testing,  (2009).
[26] Y. Bai, T.J.I.j.o.p. Wierzbicki, A new model of metal plasticity and fracture with pressure and Lode dependence, 24(6) (2008) 1071-1096.
[27] Y. Bai, X. Teng, T.J.R.C. Wierzbicki, Study on the effect of the third stress invariant on ductile fracture,  (2006).
[28] Y.J.P.M.I.o.T. Bai, Cambridge, USA, Effect of loading history on necking and fracture,  (2007).
 
نشریه مهندسی مکانیک امیرکبیر
دوره 57، شماره 8
آبان 1404
صفحه 1069-1084

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار