Αριθμητική προσομοίωση ζωνών διάτμησης σε δοκιμές δυναμικής συμπίεσης

Πανταζή, Αθηνά; Pantazi, Athina

dc.contributor.author	Πανταζή, Αθηνά	el
dc.contributor.author	Pantazi, Athina	en
dc.date.accessioned	2024-03-22T09:57:11Z
dc.date.available	2024-03-22T09:57:11Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/59035
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.26731
dc.rights	Default License
dc.subject	Αριθμητική προσομοίωση	el
dc.subject	Ζώνες διάτμησης	el
dc.subject	Δοκιμή δυναμικής συμπίεσης	el
dc.subject	Συγκέντρωση τάσεων	el
dc.subject	Αδιαβατικές ζώνες διάτμησης	el
dc.subject	Numerical simulation	en
dc.subject	Shear bands	en
dc.subject	Dynamic compression test	en
dc.subject	Stress concentration	en
dc.subject	Adiabatic shear bands	en
dc.title	Αριθμητική προσομοίωση ζωνών διάτμησης σε δοκιμές δυναμικής συμπίεσης	el
dc.title	Numerical simulation of shear banding at dynamic compression test	en
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Μηχανική	el
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2023-10-13
heal.abstract	Κατά την δυναμική φόρτιση ενός μεταλλικού υλικού, αυτό παραμορφώνεται είτε ελαστικά είτε πλαστικά. Όταν ένα μεταλλικό υλικό παραμορφωθεί στην πλαστική περιοχή, λόγω συγκέντρωσης τάσεων, αυξάνονται οι τοπικές παραμορφώσεις με αποτέλεσμα να μεταβάλλεται τοπικά η μικροδομή του και να σχηματίζονται ζώνες διάτμησης. Για υψηλούς ρυθμούς παραμόρφωσης και υψηλές παραμορφώσεις, τις ζώνες αυτές αναπτύσσονται πολύ υψηλές θερμοκρασίες εντός της μικροδομής, και για αυτό ονομάζονται «αδιαβατικές ζώνες διάτμησης» (Adiabatic Shear Bands, ASB). Λόγω αύξησης θερμοκρασίας η μικροδομή εξασθενεί με αποτέλεσμα οι ASB να περιέχουν πιο εξασθενημένο υλικό απ’ ότι το υλικό εκτός των ζωνών. Για τον λόγο αυτό, είναι πιο εύθραυστες από το περιβάλλον υλικό, άρα να λειτουργούν ως πρόδρομοι παράγοντες σχηματισμού ρωγμών και τελικά το υλικό να αστοχεί. Για τους λόγους αυτούς οι ASB αποτελούν σημαντικό φαινόμενο μελέτης για τους μηχανικούς, ενώ μάλιστα σε πρωταρχικό στάδιο, μείζονος σημασίας είναι η μελέτη της συγκέντρωσης τάσεων. Βάση της βιβλιογραφίας, οι ASB δημιουργούνται όταν εμφανίζεται συγκέντρωση τάσεων κατά την διάρκεια διαφόρων κατεργασιών μετάλλων ή πειραματικών δοκιμών. Ο σκοπός της εργασίας είναι η μελέτη και η ανάλυση της συγκέντρωσης τάσεων, η οποία προκαλεί τον σχηματισμό ASB και στην συνέχεια την ανάπτυξη ρωγμής και την αστοχία του υλικού. Συγκεκριμένα, γίνεται μοντελοποίηση δοκιμής συμπίεσης σε δοκίμιο hat shaped με την βοήθεια του υπολογιστικού προγράμματος Ansys LS-Dyna. Με σκοπό την βέλτιστη αποτύπωση της ζώνης διάτμησης μελετήθηκε υπολογιστικό μοντέλο με χρήση της μεθόδου πεπερασμένων στοιχείων (FEM). Για τις προσομοιώσεις χρησιμοποιούνται τα υλικά χάλυβας 4340, κράμα αλουμινίου 6061 και κράμα τιτανίου Ti-6Al-4V, ενώ κοινή τίθεται η θερμοκρασία πειράματος και η ταχύτητα συμπίεσης. Αφού ολοκληρώθηκαν οι προσομοιώσεις φαίνεται πως στο δοκίμιο από κράμα τιτανίου Ti-6Al-4V εμφανίζεται πιο γρήγορα ρωγμή απ’ ότι στο δοκίμιο από κράμα αλουμινίου 6061. Το δοκίμιο από χάλυβα 4340 δεν παρουσίασε ρωγμή αλλά παραμορφώθηκε πολύ περισσότερο από τα υπόλοιπα δοκίμια με αποτέλεσμα να χάσει το αρχικό του σχήμα. Επιπλέον, στο δοκίμιο κράματος τιτανίου Ti-6Al-4V πραγματοποιείται παραμετρική μελέτη για την θερμοκρασία και εξετάζεται η ευαισθησία ως προς τον εκθέτη κράτυνσης n και τον συντελεστή ρυθμού παραμόρφωσης C. Αποδεικνύεται ότι, με την αύξηση της θερμοκρασίας αυξάνεται ελαφρώς η ισοδύναμη πλαστική παραμόρφωση, ενώ μειώνονται η ισοδύναμη τάση von Mises, η ειδική ενέργεια παραμόρφωσης και το φορτίο παραμόρφωσης. Ακόμα, παρουσιάζεται ότι το φορτίο, η ισοδύναμη πλαστική παραμόρφωση, η ισοδύναμη τάση von Mises και η ειδική ενέργεια παραμόρφωσης μειώνονται καθώς αυξάνεται ο εκθέτης κράτυνσης n, ενώ αυξάνονται καθώς αυξάνεται o συντελεστής ρυθμού παραμόρφωσης C. Επιπλέον, ο χρόνος εμφάνισης ρωγμής και αστοχίας του δοκιμίου αυξάνονται καθώς αυξάνεται η θερμοκρασία. Τα αποτελέσματα αυτά, υποδεικνύουν την ύπαρξη μίας σχέσης μεταξύ των ιδιοτήτων του υλικού και των παραμέτρων του πειράματος με τον σχηματισμό ζωνών διάτμησης, την δημιουργία ρωγμών και την αστοχία.	el
heal.abstract	A material under dynamic loading experiences either elastic or plastic deformation. When a metal or an alloy is deformed in the plastic region, due to stress concentration, the localized deformation increases, resulting in changes in its microstructure in that area and the creation of shear bands. For high deformation and deformation rate, the microstructure in these bands develops very high temperatures and that is why they are called "Adiabatic Shear Bands" (ASB). Due to the increased temperatures, the microstructure becomes weaker and as a result the ASB are more brittle than the surrounding material, hence cracks are formed and eventually the material fails. For these reasons the creation of ASBs is a very important phenomenon that is thoroughly studied by engineers, while at a primary stage, the study of stress concentration is of major importance. According to many reports and studies, ASBs are created when stress concentration occurs during various metal processes or experimental testing. The purpose of this paper is to study and analyse the stress concentration, which causes the formation of ASBs and subsequently the cracking and failure of the material. Specifically, a compression test model of a hat shaped specimen is created and analysed using the computational program Ansys LS-Dyna. In order to optimally capture the shear zone, a computational model was studied using the Finite Element Method (FEM). The materials used in the simulations are steel 4340, aluminium alloy 6061 and titanium alloy Ti-6Al-4V, and the experiment temperature and compression speed are the same for every test. By completing the simulations, it is proven that cracks appear faster on the titanium alloy Ti-6Al-4V specimen than the aluminium alloy 6061 specimen. No cracks appeared on the steel 4340 specimen, but it deformed much more than the others and as a result it totally lost its original shape. Furthermore, a parametric temperature study is carried out for the titanium alloy Ti-6Al-4V and the sensitivity the strain exponent n and the strain rate coefficient C is also investigated. It appears that, when increasing the temperature, the equivalent plastic strain increases slightly, while the equivalent von Mises stress, the strain specific energy and the load decrease. Moreover, the load, the equivalent plastic strain, the equivalent von Mises stress and the strain specific energy decrease as the strain exponent n increases, while they increase as the strain rate coefficient C increases. The time of crack creation and failure of the material also increase as the temperature increases. These results, demonstrate that the material properties and the experimental parameters highly affect the shear band formation, crack formation and material failure.	en
heal.advisorName	Μανωλάκος, Δημήτριος	el
heal.committeeMemberName	Βοσνιάκος, Γεώργιος	el
heal.committeeMemberName	Μπενάρδος, Πανώριος	el
heal.committeeMemberName	Προβατίδης, Χριστόφορος	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών. Τομέας Τεχνολογίας των Κατεργασιών. Εργαστήριο Κατεργασιών των Υλικών (Μηχανουργικό και Μηχανολογικό Εργοστάσιο)	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	109 σ.	el
heal.fullTextAvailability	false