مهندسی گاز ایران

شبیه‌سازی سه‌بعدی و بررسی تأثیر دما در ترک‌های شبه‌بیضوی محوری و محیطی در مخازن استوانه‌ای

نوع مقاله : مقاله ترویجی

نویسندگان

1 کارشناسی ارشد، گروه مهندسی مکانیک، واحد شوشتر، دانشگاه آزاد اسلامی، شوشتر، ایران

2 استادیار، گروه مکانیک، واحد شوشتر، دانشگاه آزاد اسلامی، شوشتر، ایران

چکیده

در طول مدت عمر یک مخزن، ایجاد معایبی همچون ترک‌ها امری اجتناب‌ناپذیر است که به‌دلایلی نظیر خوردگی یا بارگذاری خستگی و... به وجود می‌آیند. یکی از انواع عمدۀ ترک‌های ایجاد‌شده، ترک‌های شبه‌بیضوی هستند. هدف از این تحقیق، بررسی این نوع از ترک‌ها در یک مدل مخزن استوانه‌ای از جنس استیل با استاندارد ASME و تأثیرات ترمومکانیکی آن است. برای شبیه‌سازی ترک از دو نسبت a/c و a/t که معرف ابعاد ترک هستند، استفاده شده است. در اینجا برای به‌دست‌آوردن ضرایب شدت تنش از شبیه‌سازی ترک و مخزن در نرم‌افزار المان محدود ANSYS، در محیط workbench استفاده شده است. برای محاسبۀ ضرایب شدت تنش در نقاط مختلف واقع بر جبهۀ ترک مختصات موضعی ایجاد شد و بر اساس کانتورهای مختلف در نودهای اطراف نوک ترک یا میزان بازشدگی در صفحۀ ترک مقادیر ضرایب شدت تنش را بر اساس معیار مدنظر محاسبه شد. با استفاده از مقادیر ضرایب شدت تنش به‌دست‌آمده در ابعاد مشخص مخزن و ترک و همچنین شرایط بارگذاری و جنس مخزن، نقاط بحرانی ترک مشخص شد. با توجه به نتایج به‌دست‌آمده از مراحل قبل و با کمک‌ معادلۀ پاریس، عمر مخزن و تعداد سیکل بارگذاری مشخص شد و در نهایت نتایج به‌دست‌آمده از ضریب شدت تنش با نتایج ضریب شدت تنش بر اثر اختلاف دمای جدارۀ مخزن مقایسه شد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Three-Dimensional Simulation and the Effect of Temperature on Axial and Peripheral Quasielliptical Cracks in Cylindrical Tanks

نویسندگان [English]

  • Hadi Raki 1
  • Jalil Jamali 2

1 M.Sc., Mechanical Engineering Department, Shoushtar Branch, Islamic Azad University, Shoushtar, Iran

2 Assistant Professor, Mechanical Department, Islamic Azad University, Shoushtar Branch, Shoushtar, Iran

چکیده [English]

During the life of a reservoir, defects such as cracks are inevitable due to reasons such as corrosion or fatigue loading, and so on. One of the most common types of cracks is the half-elliptic cracks. The purpose of this study is to investigate this type of cracks in the ASME standard steel cylinder tank model and its thermomechanical effects. In order to simulate the cracks, two a/c and a/t ratios representing the dimensions of the cracks are used. Here, in order to obtain stress intensity coefficients from the crack and tank simulation in the ANSYS finite element software, the workbench environment has been used. In order to calculate the stress intensity coefficients, it was necessary to create local coordinates in different points on the crack front and calculate the stress intensity coefficients based on the different contours in the nodes around the crack tip or the crack opening in the crack front, based on the desired criterion. Regarding to the values of the stress intensity coefficients obtained from the specific dimensions of cracks in the reservoir, as well as the loading conditions and the shape of the reservoir, we can determine the criticality of the crack. According to the results obtained from the previous steps and with the help of the Paris equation, the reservoir life and the number of loading cycles were determined. Finally, the results of the stress coefficient were compared with the results of the stress intensity factor due to the difference in the temperature of the reservoir wall.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Pressure Vessel
  • Fatigue Life Assessment
  • Half-Elliptic Cracks
  1. Cesari, F., "A simple procedure to evaluate the stress intensity factor in internally pressurized cylinders", International journal of pressure vessels and piping, 21(1), pp. 49-65, (1985).
  2. Erdogan, F., and Sih, G.C., "On the crack extension in plates under plane loading and transverse shear", Journal of basic engineering, 85(4), pp. 519-525, (1963).
  3. Kirthan, L.J., Hegde, R., Suresh, B.S. and Kumar, R.G. , "Computational analysis of fatigue crack growth based on stress intensity factor approach in axial flow compressor blades", Procedia Materials Science, 5, pp. 387-397, (2014).
  4. Murtaza, U. T and Hyder, M. J. , " The effects of thermal stresses on the elliptical surface cracks in PWR reactor pressure vessel", Theoretical and Applied Fracture Mechanics, 75, pp. 124-136, (2015).
  5. Meriem-Benziane, M., Abdul-Wahab, S.A., Zahloul, H., Babazian, B., Hadj-Meliani, M. and Pluvinage, M., "Finite Element Analysis of the Integrity of An API X65 Pipeline With a Longitudinal Crack Repaired With Single- And Double-Bonded Composites", Journal of Composite Part B: Engineering, Vol. 77, pp. 431-439, (2015).
  6. Nasri, K., and Zenasni, M., "Fatigue crack growth simulation in coated materials using X-FEM", Comptes Rendus Mécanique, 345(4), pp. 271-280, (2017).
  7. Pathak, H., Singh, A., and Singh, I. V., "Numerical simulation of 3D thermo-elastic fatigue crack growth problems using coupled FE-EFG approach", Journal of The Institution of Engineers (India): Series C, 98(3), pp. 95-312, (2017).
  8. Pathak, H., Singh, A., and Singh, I. V. , " Numerical simulation of 3D thermo-elastic fatigue crack growth problems using coupled FE-EFG approach ", Journal of The Institution of Engineers (India): Series C, 98(3), pp. 295-312, (2017).
  9. Salam, I., Abid, M., and Malik, M.A., "Crack Growth Prediction in A Thick Cylinder Under Fatigue Loading – an FEA", International Journal of Pressure Applications Engineering & Development, Vol. 3., pp. 51-55, (2007).
  10. Shigley, J.E., Mischke, C.R. and Budynas, R.G., "Mechanical Engineering Design 7th ed", McGraw-Hill Companies, New York, (2004).
  11. structural steel fatigue data at zero mean stress, ASME BPV code, section 8, div 2, Table 5-110.1,(1998).
  12. Shahani, A. R and Habibi, S. E. , " Stress intensity factors in a hollow cylinder containing a circumferential semi-elliptical crack subjected to combined loading", International journal of Fatigue, 29(1), pp. 128-140, (2007).
مهندسی گاز ایران
دوره 7، شماره 1 - شماره پیاپی 11
شهریور 1399
صفحه 37-46
  • تاریخ دریافت: 05 اردیبهشت 1401
  • تاریخ پذیرش: 05 اردیبهشت 1401