- جمعه ۱۶ آبان ۱۴۰۴
راهنمای مختصر شکست خستگی
شکست خستگی در طراحی ماشین
شکست خستگی به ضعیف‌شدن ماده تا حدی بحرانی اشاره دارد و وقتی این اتفاق می‌افتد که ماده در معرض بارهای مکرر قرار می‌گیرد.
چکیده
شکست خستگی یکی از چالش‌های رایج در طراحی ماشین است. مهندسان و طراحان باید با شکست خستگی آشنایی کامل داشته باشند تا بتوانند یکپارچگی سازه‌ها و اجزای سازه‌ای را در طول عمر آنها تضمین کنند. در این مطلب مفهوم شکست خستگی و چگونگی تأثیر آن بر سیستم‌های مکانیکی را مورد بررسی قرار می‌دهیم. همچنین توضیح می‌دهیم که نرم‌افزارهای تحلیل محاسبات المان محدود یا FEA به مهندسان کمک می‌کنند نقاط شکست خستگی را در طرح‌های سازه‌ای و پیش از فرایند تولید پیش‌بینی کنند.
یکی از حوزه‌های مهم در ماشین‌آلات صنعتی محاسبات مربوط به خستگی و جنس مواد مورد نیاز در اجزای ماشین است. دورهٔ اصول طراحی، انتخاب و محاسبات اجزای ماشین‌آلات صنعتی در دپارتمان علوم مهندسی مجتمع فنی تهران دوره‌ای است که در سه سطح برگزار می‌شود. کسانی که مدرک کارشناسی مهندسی مکانیک و رشته‌های مرتبط مانند صنعت خودرو، هوافضا و مهندسی پزشکی را دارا هستند میتوانند در این دوره شرکت کنند. این دوره طی ۵۰ ساعت آموزش برگزار می‌شود و در پایان می‌توانید گواهینامهٔ آن را نیز دریافت کنید.
شکست خستگی چیست؟
از آغاز انقلاب صنعتی بشر در زندگی روزمرهٔ خود به‌طور فزاینده از ماشین‌آلات استفاده می‌کند و به آنها وابسته شده است. استفادهٔ مگرر از ماشین‌ها باعث می‌شود که سازه‌های مکانیکی در اثر مرور زمان فرسوده شوند. همچنین خستگی ناشی از بارهای تکراری که بر آنها اعمال می‌شود باعث فرسایش آنها می‌شود.
شکست خستگی نقطهٔ شروع و انتشار ترک‌هایی است که به دلیل بارهای دوره‌ای بر سازه وارد می‌شوند و حتی می‌تواند بر خوش‌ساخت‌ترین سازه‌ها نیز اثر بگذارد. اگر به شکست خستگی توجه نکنید، ترک‌های حاصل از آن میتوانند به آسیب‌های بزرگی بر اجزای مکانیکی منجر شود درحالی‌که از بیرون به نظر می‌رسد سازه مشکلی ندارد.
در این مطلب به مرور شکست خستگی می‌پردازیم و نمونه‌های مهم آن را در وضعیت‌های واقعی مطرح می‌کنیم. همچنین می‌بینید که مهندسان باید برای جلوگیری از گسترش این مشکل کدام اصول اساسی را بدانند. و در پایان بررسی می‌کنیم که شکست خستگی چه ارتباطی با نرم‌افزارهای محاسبات المان محدود دارند.
نمونهٔ مهم شکست خستگی در صنعت هوافضا
پیش از پرداختن به اینکه شکست خستگی دقیقاً چه معنایی دارد بد نیست پیامدهای شکست مکانیکی را بررسی کنیم. یکی از نمونه‌های مهم این شکست در جهان واقعی ماجرای مربوط به سقوط هواپیمای دو هویلند کامت است که در سال ۱۹۵۴ سقوط کرد. این هواپیما اولین هواپیمای جت تجاری جهان و گل سرسبد صنعت هوافضا در بریتانیا بود. کامت به نماد مهارت هوانوردی بریتانیا تبدیل شده بود، تا اینکه یک رشته تصادفات سرنوشت آن را تغییر داد.
دو فاجعهٔ مرگبار هواپیمای کامت موضوع تحقیقات چندساله قرار گرفتند و مقامات به این نتیجه رسیدند که خستگی فلز به دلیل نقص در طراحی منجر به کاهش فشار کابین در اواسط پرواز شده است و شرایط را برای انفجار فراهم کرده است. به‌ویژه طراحی مربعی پنجره‌های رو به جلو تنش را در گوشه‌های جمع کرده است و این امر به دلیل پایه‌های پنجره که به‌جای اینکه چسب شوند پرچ شده‌اند تشدید می‌شود.
این تصمیمات نادرست طراحی در کنار هم باعث شده‌اند ترک‌های ناشی از شکست خستگی که در اثر فشار مکرر در کابین ایجاد شده‌اند در نهایت منتشر شوند و هواپیما دچار کاهش شدید فشار شود.
مبانی شکست خستگی
در نمونهٔ فوق دیدیم که اگر هنگام طراحی سازه‌ها به شکست خستگی توجه نکنیم چه اتفاقی می‌افتد. در ادامه به اصول شکست خستگی و ویژگی‌های آن می‌پردازیم. به‌طور خلاصه، شکست خستگی به ضعیف‌شدن ماده تا سطحی بحرانی اشاره دارد و وقتی این اتفاق می‌افتد که ماده در معرض بارهای مکرر قرار می‌گیرد. شکست خستگی طی چند مرحله انجام می‌شود و در پایان به شکست کامل منجر می‌شود.
همان‌طور که گفتیم اولین چیزی که باعث شکست خستگی در سازه می‌شود به معنای واقع کلمه خسته‌شدن و فرسوده‌شدن آن است. سیستم‌های مکانیکی وقتی در معرض بارهای نوسانی قرار می‌گیرند (بارهایی مانند بار چرخ‌ها روی ریل یا فشرده‌شدن و کاهش فشار کابین هواپیما) کم‌کم ترک‌های سطحی یا خراش در نواحی‌ای که تنش بالا دارند (که در نگاه ظاهری قابل شناسایی نیست) ایجاد می‌شود.
این نواحی جاهایی مانند سوراخ‌ها، گوشه‌ها یا بندها هستند. با گذشت زمان و با هر دوره فشار این ترک‌های کوچک به‌تدریج بزرگ‌تر می‌شوند و به این اتفاق «انتشار شکست» می‌گوییم. در نهایت بزرگی شکاف به حدی می‌رسد که امکان شکست ناگهانی سازه به وجود می‌آید.
شکست خستگی در مراحل مختلف اتفاق می‌افتد. در مرحلهٔ «منشأ خستگی» یک ترک سطحی و کوچک پیدا می‌شود و سپس در مرحلهٔ «نشانه‌های انتشار» می‌بینیم که شکست گسترش می‌یابد و در نهایت انتشار شکست باعث «اضافه بار» بر سازه و سپس فروپاشی سازه می‌شود.
دو نوع مهم شکست خستگی عبارت‌اند از خستگی با چرخهٔ بار بالا و خستگی با چرخهٔ بار پایین. خستگی با چرخهٔ بار بالا به بارهایی با فشار کم اشاره دارد که جزئی از سازهٔ مکانیکی هستند و در طی میلیون‌ها دفعه که این فشار اندک وارد می‌شود به شکست خستگی منجر می‌شوند. خستگی با چرخهٔ بار پایین به بارهایی با فشار زیاد اشاره دارد که طی دفعات کمتر (هزاران دفعه) اعمال‌شدن بار به شکست خستگی منجر می‌شوند.
عوامل کاهش خطر شکست خستگی
حال که مفهوم شکست خستگی و اصول کلی آن را به‌طور خلاصه گفتیم، باید این پرسش را مطرح کنیم که مهندسان و طراحان چگونه میتوانند علل شکست خستگی را شناسایی و بررسی کرده و از آنها جلوگیری کنند؟
یک پاسخ واضح این است که باید به ماده‌ای که برای تولید سازه از آن استفاده می‌کنند دقت کنند. مهندسان با انتخاب مواد مناسب میتوانند کاری کنند که اجزای مکانیکی وقتی در معرض طیف گسترده‌ای از بارها و شرایط محیطی متعدد قرار می‌گیرند قدرت تحمل بالایی داشته باشند و دوام بیاورند. به‌علاوه تولیدکنندگان میتوانند تنش‌های جانبی مانند تنش‌های ایجادشده به دلیل جوشکاری و ماشین‌کاری را نیز در فرایند طراحی سازه مد نظر قرار دهند تا به این شیوه شروع ایجاد ترک و شکست خستگی را به تأخیر بیندازند.
افزون بر این، مدیریت وضعیت بارگذاری نیز در کاهش خطر شکست خستگی بسیار مهم است. مهندسان هنگام طراحی اجزا باید مقیاس، جهت و فرکانس بارهای دوره‌ای را ارزیابی کرده و پیش‌بینی کنند که ترک ممکن است از کجا آغاز شود. به همین شیوه باید اثرات تنش‌های مربوط به دما را نیز پیش‌بینی و مدیریت کنند. دماهای شدید و نوسانی به مرور زمان باعث تضعیف مواد می‌شوند و سرعت انتشار شکست خستگی و ترک را افزایش می‌دهند.
یکی از روش‌های رایج که مهندسان در فرایند طراحی از آن استفاده می‌کنند شبیه‌سازی واکنش یک محصول یا ماده در شرایط مختلف است و این کار را با نرم‌افزارهای FEA یا محاسبات المان محدود انجام می‌دهند.
رابطهٔ FEA و تحلیل خستگی
نرم‌افزار تحلیل و محاسبهٔ المان محدود بخش مهمی از جعبه‌ابزار مهندسان است، به‌ویژه وقتی لازم است شکست خستگی را در طراحی‌های مکانیکی خود پیش‌بینی کنند. این نرم‌افزار با ایجاد شبکه‌ای از المان‌های کوچک‌تر که از هندسه‌های پیچیده برگرفته شده است می‌تواند توزیع و انتشار تنش و کشش را در شرایط مختلف و تحت بارهای واقعی محاسبه کند. در ادامه مهندسان میتوانند به کمک این نرم‌افزار نواحی‌ای را که تحت تنش بالا هستند شناسایی کنند. این بخش‌ها در طراحی اغلب همان‌هایی هستند که نخستین ترک‌ها و شکست‌ها در آنها پدیدار می‌شود.
نرم‌افزارهای پیشرفتهٔ FEA میتوانند نتایج شبیه‌سازی خود را با تحلیل خستگی ترکیب کنند و نمودارها و منحنی‌هایی بر حسب میزان فشار و تعداد چرخهٔ بار ارائه دهند. این نمودار تصویر عمر خستگی یک ماده را ترسیم می‌کنند و طراحان با بررسی این نمودارها میتوانند برای انتخاب مادهٔ مناسب بهتر تصمیم‌گیری کنند.
این نرم‌افزار با تحلیل خستگی نواحی مستعد شکست خستگی را برجسته می‌کند. این تحلیل به مهندسان امکان می‌کند بخش‌های در معرض خطر شکست را بهبود ببخشد و این کار را به‌طور هدفمند انجام دهند. در نهایت این شیوه باعث می‌شود اجزا و سازه‌های مکانیکی قابل اعتمادتر و بادوام‌تر باشند.
بهینه‌سازی عملکرد براساس تجربه
ایدهٔ شکست خستگی حوزهٔ مهمی در مطالعات رشته‌های مختلف مهندسی است و در طول زمان این حوزهٔ مطالعاتی کامل‌تر شده است. پیشرفت‌های فناوری که در نرم‌افزارهای قدرتمند نمایان می‌شود به مهندسان کمک می‌کند شکست خستگی را به روش‌های دقیق‌تری نسبت به گذشته تحلیل کنند و در نهایت بتوانند سازه‌های بهتر و ایمن‌تری بسازند.
فجایعی مانند سقوط هواپیمای کامت همیشه برای سفرهای هوایی خطری بالقوه محسوب می‌شوند و شاید نتوان احتمال آنها را به صفر رساند، اما با استفاده از نرم‌افزارهایی مانند FEA و ترکیب آن با برنامه‌های پیشرفتهٔ CAD مهندسان میتوانند چنین خطراتی را تا حد امکان کاهش دهند. درس‌هایی که از شکست خستگی در هواپیمای کامت آموختیم هنوز هم برای ما زنده هستند و نشان می‌دهند چقدر ضروری است که در همان مراحل اولیهٔ طراحی ماشین و اجزای مکانیکی مسئلهٔ امکان شکست خستگی را مد نظر قرار دهیم.
جمع‌بندی
مهندسان با انتخاب مواد مناسب میتوانند کاری کنند که اجزای مکانیکی وقتی در معرض طیف گسترده‌ای از بارها و شرایط محیطی متعدد قرار می‌گیرند قدرت تحمل بالایی داشته باشند و دوام بیاورند. افزون بر این، مدیریت وضعیت بارگذاری نیز در کاهش خطر شکست خستگی بسیار مهم است. مهندسان هنگام طراحی اجزا باید مقیاس، جهت و فرکانس بارهای دوره‌ای را ارزیابی کرده و پیش‌بینی کنند که ترک ممکن است از کجا آغاز شود. به همین شیوه باید اثرات تنش‌های مربوط به دما را نیز پیش‌بینی و مدیریت کنند.
یکی از حوزه‌های مهم در ماشین‌آلات صنعتی محاسبات مربوط به خستگی و جنس مواد مورد نیاز در اجزای ماشین است. دورهٔ اصول طراحی، انتخاب و محاسبات اجزای ماشین‌آلات صنعتی در دپارتمان علوم مهندسی مجتمع فنی تهران دوره‌ای است که در سه سطح برگزار می‌شود. کسانی که مدرک کارشناسی مهندسی مکانیک و رشته‌های مرتبط مانند صنعت خودرو، هوافضا و مهندسی پزشکی را دارا هستند میتوانند در این دوره شرکت کنند. این دوره طی ۵۰ ساعت آموزش برگزار می‌شود و در پایان می‌توانید گواهینامهٔ آن را نیز دریافت کنید.
در دنیای کسب‌وکار امروز، تحصیلات دانشگاهی برای حفظ ارزش شما به‌عنوان نیروی کار بااستعداد و کارآمد کافی نیستند. برای اینکه مزیت رقابتی شخصی خود را حفظ کنید، باید بر آموزش مستمر و مادام‌العمر خود سرمایه‌گذاری کنید. خانواده بزرگ مجتمع فنی تهران هرساله به هزاران نفر کمک می‌کند تا در مسیر شغلی خود پیشرفت کنند.
اگر شاغل هستید و وقت ندارید در دوره‌های آموزشی حضوری شرکت کنید، مجتمع فنی تهران گزینه‌هایی عالی برای آموزش مجازی، آنلاین، آفلاین و ترکیبی ارائه می‌دهد. با شرکت در دوره‌های کوتاه‌مدت مجتمع فنی تهران و دریافت مدارک معتبر و بین‌المللی می‌توانید با اعتماد به نفس مسیر ترقی را طی کنید و در سازمان خود به مهره‌ای ارزشمند تبدیل شود.
نویسنده: ریتیک کوتاری
مترجم: بهناز دهکردی
منبع: MachineDesign
پرسش‌های متداول
شکست خستگی چیست؟
شکست ماده در اثر اعمال نیروهای متناوب را شکست خستگی می‌گویند. خستگی ماده وقتی اتفاق می‌افتد که تخت تنش‌ها و فشارهای تکراری یا نوسانی قرار بگیرد و در نهایت ممکن است به شکست ناگهانی قطعه منجر شود. شکست خستگی به این دلیل خطرناک است که بدون مقدمه اتفاق می‌افتد و اغلب نشانه‌های آن قابل رؤیت نیست. شکست زودهنگام قطعات صنعتی اغلب به دلیل شکست خستگی اتفاق می‌افتد. خستگی در اغلب موارد با جوانه‌زدن ترک در سطح قطعه یا نواحی تحت تنش و انتشار آن به سایر نواحی تنش همراه است.
نرم‌افزار FEA چیست؟
مجموعه نرم‌افزارهایی که برای تحلیل سازه‌ای مورد استفاده قرار می‌گیرند و بیشتر مهندسانی که در حوزهٔ طراحی و مدل‌سازی قطعات صنعتی و اجزای مکانیکی فعالیت دارند از آنها استفاده می‌کنند. این نرم‌افزارها میتوانند ساده‌سازی هندسی و مش‌بندی را انجام دهند و کار مهندسان را ساده کنند. شبیه‌سازی و طراخی دینامیک سیالات نیز از جمله قابلیت‌های این نرم‌افزارهاست. مهندسان از امکان شبیه‌سازی دوبعدی یا سه‌بعدی این نرم‌افزارها و شیوه‌های نمایش تجسمی آنها استفاده می‌کنند تا نقاط فشار، تنش، کشش و میزان بار بخش‌های مختلف را در قطعات مکانیکی بررسی کرده و براساس این دانش و انتخاب مواد درست قطعات صنعتی بادوام‌تر و بهتری طراحی کنند.
شکست خستگی چه انواعی دارد؟
دو نوع مهم شکست خستگی عبارت‌اند از خستگی با چرخهٔ بار بالا و خستگی با چرخهٔ بار پایین. خستگی با چرخهٔ بار بالا به بارهایی با فشار کم اشاره دارد که جزئی از سازهٔ مکانیکی هستند و در طی میلیون‌ها دفعه که این فشار اندک وارد می‌شود به شکست خستگی منجر می‌شوند. خستگی با چرخهٔ بار پایین به بارهایی با فشار زیاد اشاره دارد که طی دفعات کمتر (هزاران دفعه) اعمال‌شدن بار به شکست خستگی منجر می‌شوند.
