اثر انتقال حرارت جابه‌جایی اجباری بر ضرایب شدت تنش گذرا در ترک‌های نیم‌دایروی طولی در استوانه‌ها

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 عضو هیات علمی / مجتمع دانشگاهی هوافضا، دانشگاه صنعتی مالک اشتر

2 کارشناس ارشد / مجتمع دانشگاهی هوافضا، دانشگاه صنعتی مالک اشتر

3 دانشجوی دکتری / دانشکدة هوافضا، دانشگاه صنعتی شریف

چکیده

در این مقاله ترک نیم‌دایروی واقع در سطح داخلی استوانه تحت بارگذاری مکانیکی و حرارتی گذرا تحلیل شده است. برای این منظور استوانه تحت فشار داخلی و فشار خارجی قرار داده شده است و سطح داخل آن در معرض انتقال حرارت گذرا از نوع جابه‌جایی با سیال و سطح خارجی آن در دمای ثابت محیط قرار دارد. برای حل از روش اجزای محدود سه‌بعدی و المان‌های منفرد بیست گرهی در جبهة ترک استفاده شده است. نتایج ضرایب شدت تنش حرارتی گذرا در کل جبهة ترک در زمان‌های مختلف و به ازای عمق‌های نسبی مختلف ترک و اعداد بیو متنوع که معرف نوع جابه‌جایی اجباری است به‌دست آمده است. جهت صحه‌‌گذاری مدلسازی در حالات خاص بارگذاری با نتایج سایر مقالات مقایسه شده که از دقت خوبی برخوردار است. نتایج نشان می‌دهد در حالت انتقال حرارت از نوع دمای ثابت در سطح داخلی استوانه بیشترین مقادیر ضرایب شدت تنش نسبت به اعداد بیو مختلف رخ می‌دهد، لذا می‌توان گفت که انتخاب این نوع شرط مرزی حرارتی جهت تحلیل مسئله محافظه‌کارانه است. همچنین ملاحظه می‌شود که حل پایدار بیشترین ضرایب شدت تنش را در کل جبهة ترک داراست، لذا چنانچه از تحلیل پایدار به‌جای گذرا در تعیین ضرایب شدت تنش استفاده گردد، این تحلیل دارای قابلیت اطمینان بالایی از منظر واماندگی خواهد بود.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

The effect of forced convective heat transfer on the transient stress intensity factors for longitudinal semi-circular cracks in cylinders

نویسندگان [English]

  • Mehdi Nabavi 1
  • Karim Alipour 2
  • Fazel Rahimi 3
چکیده [English]

The purpose of this paper is to analyze an internal longitudinal semi-circular crack in a hollow cylinder subjected to thermo-mechanical loading. The inner surface of the cylinder was subjected to both internal pressure and forced convective heat transfer loading where the outer one only was subjected to external pressure loading. The temperature at the outer surface has been assumed to be constant. In order to solve the problem, a three-dimensional finite element model with 20-node singular elements around the crack front was employed. Transient thermal stress intensity factors were obtained for some points of the crack front. Transient thermal stress intensity factor variations along the crack front were calculated for different relative depths and Biot numbers which indicate the type of forced convective heat transfer in different times. In the special cases of loading, the results show to be in accordance with those cited in the literature. The results show that the prescribed temperature at the inner surface of the cylinder is the conservative thermal boundary condition and the corresponding stress intensity factors are the maximum values in any Biot numbers. It is observed that the steady state analysis is the most critical one and possesses the highest value of stress intensity factor along the crack front.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Semi-circular crack
  • transient thermal stress
  • three-dimensional finite element method
  • Hollow Cylinder

[1] Newman, Jr. C., I. S. Raju. "Stress-intensity factors for internal surface cracks in cylindrical pressure vessels." Journal of Pressure Vessel Technology 102, 1980, pp. 342-8.

[2] Lee, Y. S., M. Raymund. "Stress intensity factor solutions for internal longitudinal semi-Circular surface flaws in a cylinder under arbitrary loading." Journal of Pressure Vessel Technology 105, 1983, pp. 309-15.

[3] Guozhong, C., Z. Kangda, W. Dongdi. "Stress intensity factors for internal semi-elliptical surface cracks in pressurized thick-walled cylinders using the hybrid boundary element method." Engineering Fracture Mechanics 52(6), 1995, pp. 1055-64.

[4] Chen, D.–H., H. Nisitani, K. Mori. "Stress intensity factors for an internal semi-elliptical surface crack in cylindrical pressure vessels." Journal of Pressure Vessel Technology 117, 1995, pp. 213-21.

[5] Fan, X. G., J. S. Sun, J. Qian. "A combination of the weight function method and the line spring model: A surface-cracked cylindrical shell subjected to stress gradients." International Journal of Solid and Structures 32(20), 1995, pp. 3037-46.

[6] Zheng, X. J., G. Glinka, R. Dubey. "Calculation of stress intensity factors for semi-elliptical cracks in a thick-wall cylinder." International Journal of Pressure Vessel and Piping 62, 1995, pp. 249-58.

[7] Zheng, X. J., A. Kiciak, G. Glinka. "Weight functions and stress intensity factors for internal surface semi-elliptical crack in thick-walled cylinder." Engineering Fracture Mechanics 58(3), 1997, pp. 207-21.

[8] جعفری، علی اصغر، پریسا حسینی ‌تهرانی و محمد راستگو. "محاسبه‌ی ضرایب شدت تنش برای استوانه‌های جدار ضخیم شامل ترک نیم‌دایره‌ای تحت گرادیان حرارتی به روش عددی و تحلیلی." دهمین کنفرانس سالانه و پنجمین کنفرانس بین‌المللی مهندسی مکانیک، تهران.

[9] Kotousov, A., J. W. H. Price. "Elastic analysis of semi-elliptical axial cracks in cylinders under thermal shock using the BS 7910 framework." International Journal of Pressure Vessels and Piping 76, 1999, pp. 831-7.

[10] Hachi, B. K., S. Rechak, Y. Belkacemi, G. Maurice. "Modelling of elliptical cracks in an infinite body and in a pressurized cylinder by a hybrid weight function approach." International Journal of Pressure Vessels and Piping 82, 2005, pp. 917-24.

[11] Nabavi, S. M., A. R. Shahani. "Thermal stress intensity factors for a cracked cylinder under transient thermal loading." International Journal of Pressure Vessels and Piping 86, 2009, pp. 153-63.

[12] نبوی، سید مهدی و رضا آزاد. "بررسی اثر تعداد جملات تابع وزن در دقت ضرایب شدت تنش در استوانه‌های ترک‌دار." بیستمین کنفرانس بین‌المللی سالانه مهندسی مکانیک، دانشگاه شیراز، شیراز، 1391.

[13] Aliha M. R. M., H. Gharehbaghi, R. Ghafoori Ahangar. "Fracture study of a welded aluminum cylinder containing longitudinal crack and subjected to combined residual stress and internal pressure." Presented at the 12th International Aluminum Conference, Montreal, Canada, 2013.

[14] علیپور، کریم، سید مهدی نبوی، مهدی بخشان، فاضل رحیمی، و هادی زارعی قوشابلاغ. "حل تنش‌های حرارتی در استوانه‌ها ناشی از انتقال حرارت جابجائی اجباری در حالت پایا." سیزدهمین کنفرانس انجمن هوافضای ایران، دانشکدة علوم و فنون نوین، دانشگاه تهران، تهران، 1392.

[15] Boley. B. A., J. H. Weiner. Theory of Thermal Stresses. Wiley Inc., 1960.

[16] Cengel. Y. A. Heat Transfer: A Practical Approach. McGraw-Hill, 2003.

[17] Nabavi, S. M., and A. R. Shahani. "Calculation of stress intensity factors for a semi-elliptical crack in a finite-length thick-walled cylinder." Fatigue and Fracture of Engineering Materials and Structures 31(1), 2008, pp. 85-94.

[18] ANSYS Release 11, ANSYS, Inc, Canonsburg, PA, 2009.

[19] Pook, L. P. "Crack profiles and corner point singularities." Fatigue and Fracture of Engineering Materials and Structures 23, 2000, pp. 141-50.

[20] Banks-Sills, L. "Application of the finite element to linear elastic fracture mechanic." Applied Mechanic Review 44(10), 1991, pp. 447-61.

[21] Desjardins, J. L., D. J. Burns, and J. C. Thompson. "A weight function technique for estimating stress intensity factors for cracks in high pressure vessels." Journal of Pressure Vessel Technology 113, 1991, pp. 10-21.

[22] Shahani, A. R., S. M. Nabavi. "Transient thermal stress intensity Factors for an internal longitudinal semi-elliptical crack in a thick-walled cylinder." Engineering Fracture Mechanics 74(16), 2007, pp. 2585-602.