بررسی تاثیر خواص ماده متغیر تابعی در بهبود عملکرد دیسک ترمز

فهرست مطالب

1  فصل اول مقدمه 1

1-1. مقدمه 1

1-2. تاریخچه مواد متغیر تابعی 2

1-3. تعریف مواد متغیر تابعی 3

1-4. کاربرد مواد متغیر تابعی 8

1-5. FGMها در طبیعت 12

1-6. مزایای مواد متغیر تابعی 13

1-7. مطالعات مروری 14

1-7-1. ورق های مدور FGM 14

1-7-2. بررسی کاربرد مواد متغیر تابعی در دیسک ترمز 17

1-7-3. بررسی شکست مواد متغیر تابعی 18

1-7-4. تحلیل خرابی در دیسک ترمز 20

1-8. ساختار پایان­نامه 22

2  فصل دوم روابط حاکم 24

2-1. ضریب اصطکاک 24

2-2. انتقال حرارت 25

2-3. نحوه توزیع فشار وارد بر پد 26

2-4. معادلات حاکم بر مواد متغیر تابعی 27

2-5. انتگرال J در مواد متغیر تابعی 28

2-5-1. فرمول­بندی 32

2-5-2. فرمول­بندی 33

2-5-3. انتگرال J سه بعدی 34

2-6. میدان­های نوک ترک در مواد متغیر تابعی 36

3  فصل سوم مدل­سازی 37

3-1. سیستم ترمز قطار 37

3-2. هندسه دیسک 38

3-3. پد 40

3-4. دیسکFGM 40

3-5. مدل­سازی مواد متغیر تابعی در نرم­افزار آباکوس 43

3-6. زیربرنامه UMAT 45

4  فصل چهارم نتایج 47

4-1. بررسی صحت کد UMAT 47

4-2. محاسبه ضرایب شدت تنش در ماده متغیر تابعی تحت بارگذاری مکانیکی 48

4-3. تأیید صحت کد UMATH 53

4-4. مقایسه تحلیل حرارتی FGM لایه­ای و کد UMATH 55

4-5. بررسی شکست مواد متغیر تابعی تحت بارگذاری حرارتی 57

4-6. نتایج حاصل از تحلیل دیسک ترمز در آباکوس 58

5  فصل پنجم نتیجه­گیری 67

مراجع 69

پیوست (الف). کلیاتی در مورد طراحی دیسک ترمز به کمک نرم­افزار آباکوس 73

پیوست (ب). بخشی از کد UMAT ماده FGM 85

پیوست (ج). بخشی از کد UMATH مادهFGM 90

پیوست (د). محاسبه ضریب شدت تنش ماده FGM 92

پیوست (ه). تابع وزنی q 94

 

فهرست شکل­ها

شکل (1-1). (الف) شماتيک ماده FGM، (ب) شماتيک کامپوزيت لايه­اي 5

شکل (1-2). انواع مواد FGM بصورت نازک و حجمی 6

شکل (1-3). کاربرد FGMها در الف)ابزارهاي برش، ب) دیسک ترمز، ج) پره توربین. 10

شکل (1-4). کاربرد FGMها در صنايع فضايي مانند الف) فضاپیما، ب) ماهواره. 10

شکل (1-5). الف) ساختمان موتور راکت، ب) تست احتراق 11

شکل (1–6). مواردي از کاربردFGMها در وسايل ورزشي مانند الف) چوب گلف،  ب) تیغه اسکی 11

شکل (1-7). نمونه­هايي از FGMها در طبيعت مانند الف) صدف، ب) ساقه نی 12

شکل (1-8). برگ درخت نارگيل 13

شکل (1-9). دندان ماده­ای با عملکرد درجه­بندی شده است 13

شکل (1-10). ترک میکروسکوپیک در دیسک ترمز قطار 21

شکل (1-11). ترک ماکروسکوپیک در دیسک ترمز قطار 22

شکل (2-1). مسیر انتگرال J حول نوک ترک 29

شکل (2-2). مسیر انتگرال  J 30

شکل (2-3). شماتیک انتگرال خط 33

شکل (2-4). انتگرال J در مقابل ترک سه بعدی 35

شکل (2-5). حجم محدودV، برای محاسبه­ی میانگین انتگرال J درطول ضخامت قطعه………………………35

شکل (3-1). سیستم ترمز قطار 38

شکل (3-2). ديسك ترمز قطار (مدل طراحی شده در آباکوس) 39

شکل (3-3). هندسه پد 40

شکل (3-4).  دیسک FGM 41

شکل (3-5).  دیسک و پد 42

شکل (4-1). مدل تحت بارگذاری در راستای y 47

شکل (4-2). مقایسه تنش در راستای محور y 48

شکل (4-3). مدل تحت بارگذاری خمشی و کششی 49

شکل (4-4). شبکه بندی نوک ترک 50

شکل (4-5). تأثیر پارامتر ناهمگنی 𝛽 در ضرایب شدت تنش نمونه تحت کشش 51

شکل (4-6). تأثیر پارامتر ناهمگنی 𝛽 در ضرایب شدت تنش نمونه تحت خمش 52

شکل (4-7). شرایط مرزی حرارتی مکعب 53

شکل (4-8). توزیع دما در راستای محور y،𝛽=0.5 54

شکل (4-9). توزیع دما در راستای محور y، 𝛽=0 54

شکل (4-10). توزیع دما در راستای محور y،𝛽=0.75 55

شکل (4-11). مقایسه توزیع دما در راستای محور y، مدل لایه­ای و UMATH 56

شکل (4-12). مقایسه توزیع دما در راستای محور y، مدل لایه­ای و UMATH 56

شکل (4-13). مدل ترک لبه­ای تحت بارگذاری حرارتی 57

شکل (4-14). منحنی جابجایی عمودی دیسک ترمز FGM  و دیسک ترمز فولادی در راستای شعاع 59

شکل (4-15). منحنی اعوجاج دیسک ترمز FGM و فولادی 59

شکل (4-16). تعداد نقاط داغ در دیسک فولادی دو ثانیه بعد از زمان توقف 60

شکل (4-17). تعداد نقاط داغ در دیسک FGM دو ثانیه بعد از زمان توقف 60

شکل (4-18). دیسک ترمز فولادی در t=6s 61

شکل (4-19). دیسک ترمز فولادی در t=8s 61

شکل (4-20). دیسک ترمز فولادی در t=10.86s 62

شکل (4-21). دیسک ترمز FGM در t=6s 62

شکل (4-22). دیسک ترمز FGM در t=8s 63

شکل (4-23). دیسک ترمز FGM در t=10.86s 63

شکل (4-24). توزیع تنش در دیسک فولادی 64

شکل (4-25). توزیع تنش در دیسک FGM 64

شکل (4-26). منحنی تغییرات دمای دیسک ترمز FGM در راستای ضخامت 65

شکل (4-27). منحنی تغییرات دمای دیسک فولادی در راستای ضخامت…………………………………………….66

شکل (الف-1). قسمت استوانه­ای 73

شکل (الف-2). دیسک پارتیشن­بندی شده 74

شکل (الف-3). طراحی دیسک به صورت لایه­های روی هم…………………………………………………………………….74

شکل (الف-4). قرار دادن قسمت استوانه­ای روی دیسک 75

شکل (الف-5). طراحی پد 75

شکل (الف-6). دیسک طراحی شده در نرم­افزار 76

شکل (الف-7). قرارگیری پد بر روی دیسک 77

شکل (الف-8). نمونه­ای از مشخصات درstep 78

شکل (الف-9). نمونه­ای از مشخصات درstep 79

شکل (الف-10). نمایش بارگذاری بر روی پد 80

شکل (الف-11). نمایش بارگذاری بر روی پد 81

شکل (الف-12). نمایش نحوه شبکه­بندی دیسک 82

شکل (الف-13). نمایش نحوه شبکه­­بندی پد 82

شکل (الف-14). نمایش نحوه شبکه­بندی قسمتی از دیسک ترمز 83

شکل (الف-15). نمایش نحوه شبکه­بندی دیسک ترمز 84

 

فهرست جداول

جدول (3-1). ترکیب شیمیایی دیسک ترمز قطار (بر حسب درصد وزنی) 39

جدول (3-2). خواص مکانیکی و حرارتی دیسک ترمز 39

جدول (3-3). خواص مکانیکی و حرارتی پد 40

جدول (4-1). ضرایب شدت تنش بدون بعد شده در مدل تحت کشش 51

جدول (4-2). ضرایب شدت تنش بدون بعد شده در مدل تحت خمش 52

 

فهرست علائم و نشانه­ها

 

عنوان                                                                         واحد                             علامت اختصاری

                                                                                                                                                      ماتریس کرنش جابجایی                                           –                                                  B     

      گرمای ویژه                                                        J/kgK                                            C

       ماتریس ساختاری                                                          –                                     D(x)

        مدول الاستیسیته ماده فلزی                                 GPa                                               E_m        مدول الاستیسیته ماده سرامیکی                                  GPa                                               E_c               ضخامت ورق کامپوزیتی                               mm                                                              h

       شار حرارتی ناشی از اصطکاک                                  J                                             I_fr                  شار حرارتی ناشی از همرفت                                              J                                          I_c

      شار حرارتی ناشی از تشعشع                                        J                                                    I_r

       نرخ انرژی آزاد شده در هر نقطه­ی s در سطح ترک    J /mm²                                            J(s)

       انتگرال J در مود اول                                    J /mm²                                                   j₁

       انتگرال J در مود دوم                                       J /mm²                                              j₂          ضریب رسانش گرمایی                                        W/mK                                              K

        ضریب شدت تنش در مود اول                             m MPa                                          K_Ι

       ضریب شدت تنش در مود دوم                            m MPa                                         K_ΙΙ

       بردار نرمال                                                          –                                                n

       خواص سرامیک خالص                                            –                                                    P_t          خواص فلز خالص     P_b                                                       –

        خواص ماده در عرض قطعه                                      –                                                  P_z

        میانگین خواص ماده                                             –                                                P_avg

  شعاع                                                             mm                                                  r

  شعاع چرخ                                                      mm                                                r_w

  دما                                                                                                                       T

 بردار جابجایی                                                    mm                                            u_i

سرعت قطار                                                    km/h                                                V

سرعت هوا                                                        m/s                                                v

تابع انرژی کرنشی                                                 J                                                        W

فاصله از قسمت فلزی در قسمت کامپوزیتی         mm                                                    Z

ضریب انبساط طولی                                            /  1                                               α

پارامتر ناهمگنی                                                     –                                                    β

کرنش برشی                                                         –                                                     γ

مسیر حلقوی حول ترک در قطعه                               –                                                 _εГ

اختلاف دما                                                                                                    Δt

کرنش قائم                                                          –                                                     ε

ضریب اصطکاک                                                    –                                                    μ

ضریب پواسون                                                      –                                                   ν

 چگالی                                                         kg/m³                                               ρ

 تنش قائم                                                       MPa                                                 σ

مولفه­های تنش                                               N/m²                                              _ijσ

تنش برشی                                                       MPa                                                   τ

سرعت زاویه­ای                                                 rad/s                                             ω