پایان نامه تحلیل تنش روتور توربین گازی به کمک مکانیک آسیب پیوسته

فهرست:

فصل 1: مقدمه  1

1-1 مقدمه  2

1-2 مکانیک آسیب پیوسته  4

1-3 هدف از انجام پژوهش    5

1-4 چکیده مباحث مطرح شده در این پایان‌نامه  5

فصل 2: مروری بر تحقیقات انجام شده  7

2-1 مکانیک آسیب پیوسته  8

2-2 اندرکنش خزش– خستگی  13

فصل 3: معادلات حاکمه  19

3-1 مقدمه  20

3-2 ماهیت و متغیرهای آسیب   20

3-3 انواع آسیب   23

3-4 مفاهیم پایه  27

3-4-1 پارامتر آسیب   27

3-4-2 مفهوم تنش مؤثر 28

3-4-3 اصل کرنش‌ معادل  30

3-4-4 ارتباط کرنش و آسیب   30

3-4-5 آستانه آسیب   33

3-5 فرمول بندی ترمودینامیکی آسیب   35

3-5-1 ترمودینامیک آسیب   35

3-5-2 چارچوب کلی  36

3-5-3 پتانسیل حا‌لت برای آسیب همسان  40

3-5-4 قوانین سینتیک رشد آسیب   41

3-6 معادلات الاستو-(ویسکو-)پلاستیسیته کوپل با آسیب   45

3-6-1 معادلات اساسی (ویسکو-)پلاستیسیته بدون کوپل با آسیب   45

3-6-2 معادلات کوپل بین پلاستیسیته و آسیب   47

3-7 مدل‌سازی اندرکنش خزش-خستگی  49

3-8 اندازه‌گیری آسیب   50

3-8-1 روش تغییرات مدول الاستیسیته  53

فصل 4: مدل‌سازی روتور  55

4-1 مقدمه  56

4-2 شرایط کارکرد و هندسه روتور 57

4-2-1 شرایط کارکرد 57

4-2-2 هندسه روتور 60

4-3 شرایط مرزی و بارهای اعمالی  64

4-4 شرایط دمایی  65

4-5 انتخاب المان و شبکه‌بندی مدل  68

4-6 گام‌های حل  72

فصل 5: تعیین خواص مکانیکی جنس روتور  74

5-1 مقدمه  75

5-2 شناسایی جنس روتور توربین گاز 75

5-3 آزمون کشش ساده و دوره‌ای  78

5-3-1 نتایج آزمون‌ کشش    80

5-3-2 تعیین پارامترهای مدل سختی سینماتیکی  83

5-3-3 تعیین پارامترهای مدل آسیب   87

5-3-4 تعیین مقدار بحرانی پارامتر آسیب   91

5-4 آزمون رهایش    97

5-4-1 تعیین پارامترهای مدل ویسکوز نورتن  100

5-5 نتیجه‌گیری  104

فصل 6: نتایج و بررسی   105

6-1 مقدمه  106

6-2 نتایج مربوط به شبیه‌سازی المان محدود 106

6-2-1 وضعیت فعلی روتور 107

6-2-2 تخمین عمر باقیمانده روتور 114

6-2-3 بررسی نتایج  117

6-3 تخمین عمر به کمک آزمون رپلیکا 128

6-3-1 روش رپلیکا 128

6-3-2 انجام آزمون رپلیکا بر روی روتور توربین  129

6-3-3 مشاهده نمونه‌های آزمون‌ رپلیکا توسط SEM   131

فصل 7: نتیجه‏گیری و پیشنهادات   135

7-1 نتیجه گیری  136

7-2 پیشنهادات   137

فهرست منابع  139

منبع:

[1] Lemaitre, J., (1992), A Course on Damage Mechanics, Springer Verlag, Berlin.

[2] مشایخی محمد، پایان نامه دکترای تخصصی مهندسی مکانیک دانشگاه صنعتی اصفهان، "گسترش سه بعدی آسیب در مواد شکل پذیر"، 1385.

[3] Lemaitre, J., Chaboche, J.L. (1990), Mechanics of Solid Materials, Cambridge University Press.

[4] Kachanov, L.M., “Time of the Rupture Process under Creep Conditions”, Izv Akad Nauk  SXR. Otd Tech Nauk, 8, pp. 26-31, 1958.

[5] Rabotnov, Y. N. (1968), “Creep Rupture”, 12th International Congress of App. Mech. Stanford.

[6] Krajcinovic, D., “Damage Mechanics”, Mech. Mater. 8, pp. 117-197,1989.

[7] Lemaitre, J., “Evaluation  of  dissipation and damage in metals”, submitted to dynamic  loading,  Proc.   I.C.M.1 Kyoto Japan (1971).

[8] Hult, J. (1972). Creep  in  continua  and  structures, Topics  in  Applied  Continuum  Mechanics. Springer  Verlag, Vienna.

[9] Leckie, F. and  Hayhurst, D., “Creep  rupture  of  structures”, Proc. R.  Soc.  London A240, 1974.

[10] Fatemi A., Yang, L. (1998). “Cumulative fatigue damage and life prediction theories: a survey of the state of the art for homogeneous materials”, Int. J. Fatigue Vol. 20. No. I, pp. 9-34.

[11] Lemaitre, J. and Chaboche, J.L. (1978). “Aspect pehnomenologique  de la  rupture  par  endommagement”, J.  Mec.  Appl. 2, 317.

[12] Lemaitre, J., and Plumtree, A., “Application of damage concepts to predict creepfatigue failures”, J. Eng. Mat. Tech. Vol. 101, pp. 284-292, 1979.

[13] Chrzanowski,  M.  and Kolczuga, M. (1980). “Continuous damage mechanics  applied  to  fatigue  failure”, Mech. Res. Commun. 7, 41.

[14]  Budiansky,  B.  and O'Connell, R.J. (1976),  “Elastic  moduli  of  a cracked  solid”, Int. J. Solids Struct., Vol. 12, I. 81.

[15] Lemaitre, J. and Dufailly, J., “Modelisation et identification de l'endommagement plastique des metaux”, 3eme Congres Francsais de Mecanique Grenoble, 1977.

[16] Gurson, A.L., “Continuum theory of ductile rupture by void nucleation and growth: part I- yield criteria and flow rules for porous ductile”. ASME, Journal of Engineering Materials and Technology Vol. 99, pp. 2–15, 1977.

[17] Needleman, A., and Tvergaard V., “An analysis of ductile rupture in notched bars”, Journal of Mechanics and Physics of Solids, Vol. 32, 461, 1984.

[18] Chaboche, J.L. (1978). Description thermodynamique et phénoménologique de la viscoplasticité cyclique avec endommagement. PhD Thesis, Université Paris 6, Paris.

[19] Cordebois, J.P. and Sidoroff, F., “Endommagement Anisotrope en Elasticite et Plasticite”, Journal de Mecanique Theorique et Appliquee,  pp. 45-60, 1982.

[20] Krajcinovic, D., and Fonseka, G., “The continuum damage theory of brittle materials. Part 1: General theory”, ASME, J. Appl. Mech. Vol. 48, pp. 809-815, 1981.

[21] Murakami S., “Notion of Continuum Damage Mechanics and Application to Anisotrope Creep Damage Theory”, J. Eng. Mat. Tech., 105, pp. 99-105, 1981.

[22] Ortiz, M., “A constitutive theory for the inelastic behavior of concrete”, Mech. Mat. Vol. 4, pp. 67-93, 1985.

[23] Voyiadjis, G. and Park, T., “The kinematics of damage for finite-strain elastoplastic solids”, International Journal of Mechanical Sciences, Vol. 37, pp. 803–830, 1999.

[24] Ladeveze,  P., “Sur une  Theorie  de I'Endommagement  Anistrope”, Report  LMT-Cachan, n. 34, 1983.

[25] Lemaitre, J., “A continuous damage mechanics model for ductile fracture”, Journal of Engineering Materials and Technology, Vol. 107, pp. 83–89, 1985.

[26] Benallal, A., Billardon, R., and Doghri, I., “An integration algorithm and the corresponding consistent tangent operator for fully coupled elastoplastic and damage equations”, Communications in Applied Numerical Methods Vol. 4, pp. 731-740, 1988.

[27] Dhar, S., Sethuraman, R., and Dixit, P., “A continuum damage mechanics model for void growth and micro crack initiation”, Eng. Fract. Mech. Vol. 53, pp. 917-928, 1996.

[28] Tai, H.W., and Yang, B.X., “A new microvoid-damage model for ductile fracture”, Engineering Fracture Mechanics, Vol. 25 No. 3, pp. 377-384, 1986.

[29] Tai, H.W., “Plastic damage and ductile fracture in mild steels”, Engineering Fracture Mechanics, Vol. 36 No. 4, pp. 853-880.

[30] Chandrakanth, S., and Pandey, P.C., “A new ductile damage evolution model”, International Journal of Fracture, Vol. 60, R73-R76, 1993.

[31] Doghri, I., “Numerical implementation and analysis of a class of metal plasticity models coupled with ductile damage”, Int. J. Num. Methods in Eng., Vol. 38, pp. 3403-3431, 1995.

[32] Singh, AK., and Pandey, PC., “An implicit integration algorithm for plane stress damage coupled elastoplasticity”, Mechanics Research Communications, Vol. 26, pp. 693-700, 1999.

[33] de Souza Neto, E.A., “A fast, one-equation integration algorithm for the Lemaitre ductile damage model”, Commun. Numer. Meth. Eng., Vol. 18, pp. 541–554, 2002.

[34] Mashayekhi, M., Ziaei-Rad, S., “Identification and validation of a ductile damage model for A533 steel”, Journal of Materials Processing Technology, Vol. 177, pp. 291-295, 2006.

[35] Davis, J. R. (1997). Heat-Resistant Materials (ASM Specialty Handbook), ASM International, Materials Park, OH.

[36] Halford, G.R., “Evolution of Creep-Fatigue Life Prediction Models, Creep-Fatigue Interaction at High Temperature”, Vol. 21, G.K. Haritos and O.O. Ochoa, Ed., ASME, pp 43-57, 1991.

[37] Sermage, Lemaitre, Desmorat, “Multiaxial creep–fatigue under anisothermal conditions”, Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures ,Vol. 23, I. 3, pp. 241–252, March 2000.

[38] Dyson, B., “Use of CDM in Materials Modeling and Component Creep Life Prediction”, J. Pressure Vessel Technol., Vol. 122,  I. 3, 281, August 2000.

[39] Kneifl, M., Cerný, I., Bina V., “Damage of low-alloy high temperature steels loaded by low-cycle fatigue and creep”, J. Pressure Vessels and Piping, Vol. 78, I. 11-12, pp. 921-927, November 2001.

[40] JianPing, J., Guang, M., Sun, Y., Xia, S., “An effective continuum damage mechanics model for creep–fatigue life assessment of a steam turbine rotor”, J. Pressure Vessels and Piping, Vol. 80, I. 6, pp. 389-396, June 2003.

[41] Goswami, T, Creep-fatigue life prediction of Cr-Mo steel alloys, TMS Annual Meeting, San Diego, CA, USA, pp. 43-50, March 2003.

[42] Xiao, Y., “A multi-mechanism damage coupling model”, J. Fatigue, Vol. 26, I. 11,  pp. 1241–1250, 2004.

[43] Shang, D.G., Guo-Qin, S., Chu-Liang, Y., Chen, J., Neng, C., “Creep-fatigue life prediction under fully-reversed multiaxial loading at high temperatures”, J. Fatigue, Vol. 29, I. 4, pp. 705-712, April 2006.

[44] Chen, L., Jiang, J., Fan, Z., Chen, X., Yang, T., “A new model for life prediction of fatigue–creep interaction”, J. Fatigue, Vol. 29, I. 4, pp. 615-619, April 2007.

[45] Kim, T., Dong-Hwan, K., Jong-Taek Y., Park, N., “Continuum damage mechanics-based creep–fatigue-interacted life prediction of nickel-based superalloy at high temperature”, Scripta Materialia, Vol. 57, I. 12, pp. 1149-1152, December 2007.

[46] Colombo, F., Mazza, E., Holdsworth, S.R., Skelton, R.P.,  “Thermo-mechanical fatigue tests on uniaxial and component-like 1CrMoV rotor steel specimens”, J. Fatigue, Vol. 30, I. 2, pp. 241-248, February 2008.

[47] Takahashi, Y., “Study on creep-fatigue evaluation procedures for high-chromium steels—Part I: Test results and life prediction based on measured stress relaxation”, J. Pressure Vessels and Piping, Vol. 85, I. 6, pp. 406-422, June 2008.

[48] Fan, Z.C., Chen, X.D., Chen, L. and Jiang, J.L., “A CDM-based study of fatigue–creep interaction behavior”, J. Pressure Vessels and Piping, Vol. 86, I. 9, pp. 628-632, September 2009.

[49] Payten, W.M., Ken, W. and Snowden, U., “A strain energy density method for the prediction of creep–fatigue damage in high temperature components”, Mat. Sci. Engng: A, Vol. 527, I. 7-8, pp. 1920-1925, March 2010.

[50] Zhang, G., Zhaoa, Y., Xuea, F., Meia, J., Wanga, Z., Zhoub, C., Zhanga, L., “Creep–fatigue interaction damage model and its application in modified 9Cr–1Mo steel”, Nuclear Engineering and Design, V. 241, I. 12, pp. 4856–486, December 2011.

[51] Lemaitre, J., Desmorat, R. (2005). Engineering Damage Mechanics, Springer Verlag, Berlin, Heidelberg.

[52] ABAQUS, Inc., Dassault Systemes, ABAQUS Documentations, 2010.

[53] Key to steel, Stahlschlüssel Book, Verlag Stahlschlüssel Wegst GmbH, 2004.

[54] Gorash, Y., “Development of a creep-damage model for non-isothermal long-term strength analysis of high-temperature components operating in a wide stress range”, Ph.D. thesis, Martin-Luther-University, Halle-Wittenberg, July 2008.