مدلسازی عددی تشخیص تنش پسماند موضعی در ورق‌های نازک به‌وسیله مود نامتقارن بنیادی امواج فراصوتی لمب

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجو/دانشکده مهندسی مکانیک و انرژی، دانشگاه شهید بهشتی تهران، ایران

2 دانشکده مهندسی مکانیک و انرژی - دانشگاه شهید بهشتی

3 دانشکده مهندسی مکانیک و انرژی- دانشگاه شهید بهشتی

10.30494/jndt.2021.277475.1069

چکیده

تنش‌های پسماند در فرایندهای مختلفی نظیر تغییر شکل‌های پلاستیک، تغییرات دما و یا تغییرات ساختاری رخ می‌دهد. مرسوم‌ترین موارد تشکیل تنش پسماند، فرایندهای جوشکاری و شکل‌دهی فلزات می‌باشد. تنش پسماند تأثیر قابل توجهی بر روی رفتار خستگی و طول عمر سازه‌های بارگذاری شده دارد. به همین علت در مرحله اول اندازه‌گیری تنش پسماند و در گام بعدی اقدام برای کاهش و یا حذف آن با روش‌های معمول از اهمیت بسزایی برخوردار می‌باشد. در پژوهش حاضر از امواج لمب به منظور ارزیابی تنش پسماند موضعی در ورق‌های نازک فولادی استفاده شده است. یک مدل غیرخطی هایپرالاستیک به صورت دوبعدی در نرم افزار اجزاء محدود آباکوس شبیه‌سازی شد و موج لمب بر روی آن منتشر گردید. بارگذاری برای ایجاد تنش پسماند یکبار عمود بر جهت انتشار موج و باردیگر موازی با جهت انتشار موج به صورت موضعی به ورق نازک اعمال شده است. رفتار مود A0 در فرکانس‌های مختلف و مقادیر متفاوت تنش بررسی گردید و مشخص شد که مود A0 نسبت به تغییرات تنش حساس بوده و تغییر نتایج آن نسبت به تغییر فشار پسماند دارای روند مشخصی است. همچنین با افزایش فرکانس حساسیت به تنش پسماند کاهش می‌یابد. بنابراین فرکانس 50 کیلوهرتز به عنوان فرکانس مطلوب در ارزیابی تنش های پسماند موضعی یک ورق فولادی به ضخامت 2/1 میلیمتر انتخاب می‌گردد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Numerical modeling of local residual stress detection in thin plates using the fundamental antisymmetric mode of ultrasonic Lamb waves

نویسندگان [English]

  • Behzad Maddah Alghalandis 1
  • Hossein Sahhaf Naeini 2
  • Mohammad Hossein Soorgee 3
  • Seyyed Ebrahim Mousavi Torshizi 3
1 Student/Mechanical and Energy Systems Engineering, Shahid Beheshti University of Tehran, Iran
2 Faculty of Mechanical and Energy Engineering
3 Faculty of Mechanical and Energy Eng. Shahid Beheshti University
چکیده [English]

Residual stresses occur in different processes such as plastic deformation, temperature variation and structural changes. Welding and metal deformation are conventional processes which lead to residual stress. Residual stress plays a key role in the characterization of welded structures, and it has a significant effect on fatigue behavior as well as the lifespan of loaded structures. Therefore, at the first step, measuring residual stress, and in the next level taking action to reduce or eliminate it by usual methods are of extreme significance. In this study, Lamb waves were applied to evaluate the local residual stress in thin steel plates. A two-dimensional hyperelastic nonlinear model on which a Lamb wave propagated was simulated in ABAQUS CAE finite element software. In order to create residual stress, loading was applied to the thin plate either perpendicular or parallel to the wave motion direction. In different frequencies and stresses, the behavior of A0 mode was scrutinized. Results indicated that A0 mode was sensitive to stress changes, and its changes against the residual stress followed a specific trend. In addition, sensitivity to residual stress decreases with increasing frequency. Hence, the frequency of 50 kHz is selected as the optimal frequency in local residual stress evaluation in thin steel plates.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Residual Stress
  • Lamb waves
  • Acoustoelasticity
  • Thin plates
  • Finite element method
 [1]     Sattari-Far, I.a. and M. Farahani, Effect of the weld groove shape and pass number on residual stresses in butt-welded pipes. International Journal of Pressure Vessels and Piping, 2009..
[2]     معماریان، ح؛ خدمتی، م؛ مطالعه و بررسی روشهای تعیین تنش پسماند در روق‌های جوشکاری شده، یازدهمین همایش ملی صنایع دریایی ایران. 1388.
[3]     Yang, Y., Damage Detection Using Second Harmonic Generation of Low-Frequency Guided Waves, in School of Civil, Environmental and Mining Engineering. 2019: University of Adelaide.
[4]     Javadi, Y., M. Akhlaghi, and M.A. Najafabadi, Using finite element and ultrasonic method to evaluate welding longitudinal residual stress through the thickness in austenitic stainless steel plates. Materials & Design, 2013.
[5]     Hughes, D.S. and J. Kelly, Second-order elastic deformation of solids. Physical review, 1953.
[6]     Murnaghan, F.D., Finite deformation of an elastic solid. 1951: Wiley.
[7]     Su, Z. and L. Ye, Identification of damage using Lamb waves: from fundamentals to applications. 2009: Springer Science & Business Media.
[8]     Egle, D. and D. Bray, Measurement of acoustoelastic and third‐order elastic constants for rail steel. The journal of the Acoustical Society of America, 1976.
[9]     Leon-Salamanca, T., Ultrasonic measurement of residual stress in steels using critically refracted longitudinal waves(LCR).1988:TexasA&M University.
[10]  صفی‌خانلو، ح؛ علی میرزایی، س؛ احمدی نجف آبادی، م؛ بررسی رفتار امواج طولی بحرانی و امواج لمب با تغییرات تنش در نمونه Al 1050. مهندسی مکانیک مدرس, 2020.
[11]  Mohabuth, M.A., Investigation of Lamb Wave Propagation in Pre-stressed Plates with Applications to Structural Health Monitoring, in School of Mechanical Engineering. 2018: University of Adelaide.
[12]  Rose, J.L., Ultrasonic guided waves in solid media. 2014: Cambridge university press.
[13]  Pruell, C., et al., A nonlinear-guided wave technique for evaluating plasticity-driven material damage in a metal plate. NDT & E International, 2009.
[14]  Chen, B.-Q., M. Hashemzadeh, and C.G. Soares, Numericaland experimental studies on temperature and distortion patterns in butt-welded plates. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2014.