جلسه ارزیابی رساله دکتری مهندسی مکانیک- طراحی کاربردی آقای سهیل نیک نفس
موضوع: شبیهسازی چند مقیاسی دانه درشت خستگی در آلومینیوم
ارائه دهنده: سهیل نیکنفس
استاد راهنما: دکتر محمد سیلانی
استاد مشاور: دکتر سعید ضیایی راد
استادان داور: دکتر محمد آرام فرد-دکتر محمد مشایخی-دکتر حسین حسینی تودشکی-دکتر نیما نوری
زمان و مکان: چهارشنبه 2/2/1405 ساعت 9:00- https://nikan.iut.ac.ir/rooms/f9m-krv-lr6-4qi/join
روشهای مکانیک پیوسته توانایی و دقت مناسبی برای شبیهسازی خستگی دارند و هزینه محاسباتی آنها نیز قابل قبول است، اما بررسی فرآیندهای پیچیده غیرخطی مانند هستهزایی، مسیر رشد ترک و اثر مرز دانه در مقیاس ماکرو همچنان چالش برانگیز و وابسته به استخراج متغیرهای مدل به کمک روشهای تجربی یا مقیاس ریز است. با توسعه روشهای دینامیک مولکولی، امکان بررسی فرآیندهای پیچیده یاد شده در مقیاس پایینتر فراهم شده است و با بررسی رفتار ماده در مقیاس نانو و میکرو میتوان درک مناسبی از متغیرهای تاثیرگذار در مدلهای پیوسته و اثر ریز ساختار بر رشد ترک پیدا کرد. تغییر شکل پلاستیک میکرومتری، پیش از رشد ترک در فلزها، شبیهسازی رشد ترک خستگی در مقیاس نانو را با چالشهایی روبرو کرده است، زیرا شبیهسازی ناحیه اتمی با ابعاد میکرومتری در روشهای دینامیک مولکولی، هزینه محاسباتی بالایی دارد. برای کاهش هزینه محاسباتی میتوان از روش دینامیک مولکولی دانه درشت استفاده کرد. این روش، با مدل کردن چندین اتم به صورت یک ابر-اتم، درجه آزادی مدل را کاهش میدهد. استفاده از پتانسیل توسعه یافته مورس در روش دانه درشت، تغییر شکل پلاستیک و رشد نابجاییها را محدود کرده و ناحیه ابر-اتمی کوچکتری برای بررسی خستگی و رشد ترک نیاز است. هر چند در ناحیه رشد ترک نیاز به ریزنمایی بالا است اما در ناحیه دور از ترک برای انتشار موج و اعمال شرط مرزی میتوان از ریزنمایی ضعیفتری استفاده کرد. روش دو مقیاسی همزمان پل زدن دامنه با تقسیم دامنه حل به سه زیر دامنه مقیاس ریز، درشت و زیر دامنه همپوشانی دو مقیاس در کنار کاهش هزینه محاسباتی، مقدار موج بازگشتی به مقیاس ریز را کم کرده و برای مسئلههای دینامیکی مناسب است. با ترکیب دو روش دینامیک مولکولی دانه درشت برای مقیاس ریز و روش پل زدن دامنه برای ایجاد مدل دو مقیاسی، مطالعه شکست ناشی از خستگی در مقیاس میکرو قابل انجام خواهد بود. در این تحقیق روش دو مقیاسی تطبیقی پل زدن دامنه نیز پیادهسازی شد؛ این روش در صورت نزدیک شدن ترک به زیر دامنه مقیاس درشت این زیر دامنه را ریزنمایی کرده و به این ترتیب علاوه بر کاهش بیشتر هزینه محاسباتی با توجه به محدود شدن ناحیه اتمی به پیرامون ترک، رشد ترک در سراسر مدل امکان پذیر است. از دیگر چالشهای شبیهسازی خستگی، جوش خوردگی دو سطح آزاد ترک پس از باربرداری به علت قرار گرفتن ابر-اتمهای دو سطح آزاد در فاصله تاثیرگذاری میدان نیرویی است. برای جلوگیری از بسته شدن ترک و ایجاد دوباره ساختار کریستالی بدون عیب، روش شناسایی سطح آزاد ترک طراحی شده است؛ این روش با شناسایی تغییر انرژی سطح آزاد پس از رشد ترک با غیر فعال کردن میدان نیرویی، مانع از جوش خوردگی خواهد شد. همچنین از روش یاد شده برای شناسایی محل نوک ترک در روش دو مقیاسی تطبیقی استفاده شده است. برای انجام شبیهسازیهای خستگی در مقیاس ریز از نرم افزار متن باز لمپس استفاده و پیادهسازی روشهای دو مقیاسی در قالب متن آن انجام شد. در این پژوهش، ابتدا با ایجاد مدلهای یک مقیاسی دانه درشت مرجع با ساختار تک کریستال، مرز دوقلو، دو کریستالی و پلی کریستال، رشد ترک خستگی شبیهسازی شده و ضریب مادی قانون پاریس و ضریب شدت تنش بحرانی برای آلومینیوم، نیکل و مس جهت مقایسه با دادههای تجربی و مدل دو مقیاسی استخراج شد. همچنین درباره اثر مرز دانه و جهتگیری کریستالی در کاهش یا افزایش سرعت رشد ترک خستگی بحث شده است. در ادامه، روش دو مقیاسی همزمان پل زدن دامنه و روش تطبیقی پیادهسازی و متغیرهای تاثیر گذار بر دقت روشها موشکافی شد. مقایسه مسیر ترک، توزیع تنش، توان قانون پاریس و ضریب شدت تنش بحرانی برای سه فلز یاد شده، بین مدلهای دو مقیاسی و یک مقیاسی، گواهی توانمندی روش دو مقیاسی در کنار کاهش هزینه محاسباتی تا 36 درصد در دو مقیاسی غیر تطبیقی نسبت به یک مقیاسی و تا 46 درصد نسبت به دو مقیاسی غیر تطبیقی برای روش تطبیقی است.
