جلسه دفاعیه دکتری آقای محمد صابریان دانشجوی دکتری رشته مهندسی مکانیک گرایش طراحی کاربردی تحت عنوان " بهینه­سازی شکلی در ورق مستطیلی فولاد آلیاژ 1045 به منظور افزایش طول عمر خستگی پرچرخه" در روز دوشنبه مورخ 16/07/1403 ساعت 16 در دانشکده مهندسی مکانیک دانشگاه سمنان برگزار گردید.

این رساله تحت راهنمایی آقای دکتر علی قدوسیان و آقای دکتر احمد قاسمی  انجام شده است و توسط داوران محترم آقای دکتر محمود شریعتی (داور خارجی) و آقایان دکتر میثم شکوری و دکتر امیر نجیبی (داوران داخلی) مورد ارزیابی قرار گرفته است. 

چکیده :

یکی از مسائل مهم در سازه­ها انتشار و پیش­روی ترک می­باشد که تاثیر مستقیم در کیفیت و پایداری سازه­ها خواهد داشت به طوری که اگر ترک موجود در سازه در جهت بحرانی پیش رود منجر به  شکست سازه می­گردد. بنابراین پیش­بینی مسیر ترک به منظور تعیین عمر و همچنین میزان پایداری سازه بسیار ضروری است. از سوی دیگر، ایجاد گشودگی در یک سازه می‌توانند ترک را منحرف نماید. گشودگیها ممکن است در موقعیت‌های مختلف نسبت به نوک ترک قرار گرفته و شعاع و اشکال مختلفی را داشته باشند.

این پژوهش به بهینه‌سازی برای جلوگیری از رشد ترک خستگی با استفاده از ایجاد گشودگی روی سازه می­پردازد. برای این منظور سه مسئله بهینه­سازی برای تعیین موقعیت بهینه گشودگی با شعاع ثابت، شعاع بهینه برای گشودگی دایره­ای با موقعیت ثابت و هندسه بهینه گشودگی در محدوده تعریف شده ارائه گردیده و تأثیر هر یک از آنها بررسی شده و برای شبیه­سازی عددی از روش المان محدود توسعه­یافته و برای بهینه­سازی از الگوریتم دسته ذرات استفاده شده است به طوری که توسط کد پایتون به یکدیگر متصل شده­اند. در نهایت نیز نتایج حاصل از شبیه­سازی عددی و الگوریتم بهینه‌سازی از طریق انجام آزمون­های آزمایشگاهی روی یک صفحه فولادی آلیاژ AISI 1045  با ترک لبه­ای به منظور افزایش طول عمر خستگی صحت­سنجی شده است.

نتایج بدست آمده از این پژوهش نشان می­دهد که ایجاد گشودگی در سازه موجب کاهش نرخ رشد ترک شده و با ایجاد گشودگی بر روی سازه در موقعیت بهینه، طول عمر خستگی به طور قابل توجهی بهبود یافته و تقریباً 287 درصد افزایش یافته است. همچنین در مقایسه با بهینه­سازی هندسه گشودگی (در شرایط هندسی و بارگذاری این پژوهش)، ایجاد گشودگی در موقعیت بهینه منجر به بهبود 26 درصدی طول عمر خستگی و ایجاد گشودگی با شعاع بهینه منجر به بهبود 11 درصدی آن شده است. بررسی­های صورت­گرفته نشان می دهد که شبیه­سازی عددی ارائه شده در این پژوهش مسیر رشد ترک را با دقت خوبی پیش­بینی نموده و با نتایج آزمایشگاهی نیز مطابقت خوبی دارد.

 کلمات کلیدی:

الگوریتم دسته ذرات، المان محدود توسعه­یافته، انتشار ترک، خستگی پرچرخه، طول عمر خستگی

:Abstract

Crack propagation and growth in structures is a significant issue that can directly impact their quality and stability. If a crack in a structure propagates in a critical direction, it can lead to the structure's failure. Therefore, it is crucial to predict the crack path to determine the structure's life and stability. Additionally, creating a cutout in a structure can divert the crack path. Cutouts can be located in different positions relative to the crack tip and have different radii and shapes. This research aims to optimize the arresting fatigue crack growth process by creating cutouts on the structure. To achieve this goal, the study presents three optimization problems. The first problem determines the optimal position of the cutout with a fixed radius. The second problem identifies the optimal radius for the circular cutout with a fixed position. The third problem investigates the optimal shape of the cutout within a defined range. The study also examines the effect of each optimization solution. For simulation purposes, a general finite element method has been developed. Additionally, the particle swarm optimization method has been utilized for optimization. Finally, the simulation and optimization methods are connected to the extended finite element method using Python code. After conducting numerical simulations and an optimization algorithm, experiments were carried out on an AISI 1045 steel plate with an edge crack to improve its fatigue life. This research indicates that creating a cutout in the structure reduces the crack growth rate. By placing the cutout in the optimal position, the fatigue life of the structure is significantly improved, increasing it by approximately 287%. These findings validate the results obtained from the numerical simulation and the optimization algorithm. Also, compared to the optimization of the shape of the cutout (in the geometric and loading conditions of this research), creating a cutout in the optimal position has led to a 26% improvement in fatigue life, and creating it with an optimal radius has led to an 11% improvement. The present analysis demonstrates that the numerical model proposed in this study can accurately predict the specimens' fatigue life and crack growth path, as evidenced by comparison with experimental data.

Keywords:Particle swarm optimization, Extended finite element method, Crack propagation, High Cycle Fatigue, Fatigue life

این رساله با درجه خیلی خوب مورد پذیرش هیات داوران قرار گرفت و تاکنون تعداد 2 مقاله ISI (با ضرایب تاثیر 2/2 و 9/3) از نتایج این تحقیق استخراج و منتشر شده است.