مواد و ساخت پیشرفته

رویدادهای حاصل از نیروی ضربه به طور گسترده در علم مهندسی مکانیک وجود دارد. یک ضربه معمولاً نیروی تماس بسیار کوتاه و قوی بر روی اجزای مکانیکی ایجاد می‌کند و باعث ایجاد تنش‌های بالا و ارتعاش ساختاری با دامنه پیک بالا می‌شود. برای مواد فلزی، ضربه می­تواند تغییر شکل پلاستیک ایجاد کند، حتی اگر سرعت ضربه بسیار کم باشد. تغییر شکل پلاستیک منجر به اتلاف انرژی، تغییر شکل دائمی، سایش موضعی، آسیب ناشی از ضربه و شکست ساختاری می­شود. از این رو، رفتارهای ضربه الاستیک-پلاستیک به طور گسترده مورد بررسی قرار گرفته است. تسلیم پلاستیک، فرآیند ضربه را به دو فاز تغییر شکل مجزا، فاز الاستیک و الاستیک-پلاستیک تقسیم می‌کند. بار/فرورفتگی مورد نیاز برای تسلیم و محل شروع پلاستیسیته در تحلیل­ های مهندسی بسیار مهم است. این پارامترهای حیاتی در شروع تسلیم معمولاً برای توصیف رفتار تسلیم پلاستیک برای مدل‌های نظری توسعه‌یافته به منظور پیش‌بینی سریع رفتارهای کلیدی ضربه الاستیک-پلاستیک با سرعت پایین ضروری هستند. برای تماس­های استاتیک، رفتار تسلیم پلاستیک به خوبی مطالعه شده است و پارامترهای بحرانی در آغاز تسلیم با راه حل­های نظری توسعه­یافته میدان­های تنشی حل می­شوند. برای یک کره در تماس با یک نیمه فضای الاستیک-پلاستیک، تسلیم پلاستیک در نقطه ای زیر سطح تماس در محور تقارن نیم فاصله زمانی شروع می­شود که حداکثر فشار در مرکز تماس به حدود 1.6 برابر تنش تسلیم می­رسد. با این حال، در رابطه با تاثیر یک کره صلب بر یک محیط الاستیک-پلاستیک، مشکل تماس غیر ثابت با یک دامنه متغیر با سرعت کره متغیر و سرعت ناشناخته پیشین مرز منطقه تماس وجود دارد. میدان تنش در مراحل اولیه یک ضربه را نمی­توان به صورت تحلیلی حل کرد، و از طرفی رفتار تسلیم پلاستیک برای ضربه­ها به طور جامع بررسی نشده است.

یک مطالعه جدید، به بررسی رفتار تسلیم پلاستیک در مراحل مافوق صوت، فراصوت و زیر صوت ضربه پرداخته است. برای این منظور، ضربه ­های بدون اصطکاک یک کره صلب بر روی یک نیمه ­فضای کاملاً پلاستیکی الاستیکی با مدل‌های المان محدود (FE) بدون فرض حرکت کره صلب با سرعت ثابت شبیه‌سازی شده است. و به دنبال آن ویژگی­‌های دینامیکی میدان تنش و تحولات ناحیه پلاستیک اولیه بر اساس شبیه‌سازی طیف وسیعی از مواد و سرعت‌های ضربه تحلیل می‌شوند. تسلیم پلاستیک در تمام مراحل ضربه رخ می­دهد. بررسی حاضر نشان می‌دهد که امواج ناشی از ضربه و انبساط سریع ناحیه تماس تأثیر زیادی بر مناطق با تنش بالا و حالت‌های تکامل ناحیه پلاستیک اولیه دارد. بر اساس این بررسی، یک روش تعیین شروع عملکرد پایدار برای جلوگیری از اختلالات باربرداری موضعی مشاهده شده در ابتدای منطقه پلاستیکی اصلی پیشنهاد شده است. پارامترهای حیاتی در آغاز عملکرد استخراج شده و وابستگی آنها به سرعت ضربه نرمال شده تحلیل شده است.  همچنین با در نظر گرفتن محدودیت تسلیم پلاستیک، یک معیار سرعت جدید برای حل پارامترهای ضربه بحرانی توسط نظریه ضربه شبه استاتیک پیشنهاد شده است.

نتایج نهایی حاصل از این بررسی نشان می‌دهد که ضربه با سرعت ضربه نسبی بالا باعث کاهش سطح تسلیم پلاستیک می‌شود و نیروی ضربه و فرورفتگی دینامیکی مورد نیاز برای تسلیم را کاهش می‌دهد.

منبع:

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0020740322006543