A multi-region nonlinear model for fatigue life prediction of 3D woven composites under combined tension and bending fatigue
यह शोध पत्र एक कस्टम द्वि-अक्षीय (biaxial) प्रयोगात्मक मंच द्वारा समर्थित, एक नवीन बहु-क्षेत्र गैररेखीय मॉडल का प्रस्ताव और सत्यापन करता है, जो क्षति को संवर्धित (enhanced), अस्पष्ट (fuzzy) और कमजोर (weakened) क्षेत्रों में वर्गीकृत करके, संयुक्त तनाव और बेंडिंग थकान के तहत 3D बुने हुए कंपोजिट के थकान जीवन की सटीक भविष्यवाणी करता है।
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एयरो-इंजन फैन ब्लेड्स आधुनिक विमानों के धड़कते हुए हृदय हैं, जो विमानों को आकाश में उठाने के लिए थ्रस्ट उत्पन्न करने हेतु अविश्वसनीय गति से घूमते हैं। इन इंजनों को अधिक कुशल और हल्का बनाने के लिए, इंजीनियर तेजी से 'थ्री-डायमेंशनल वोवन कंपोजिट्स' (त्रिविमीय बुने हुए सम्मिश्र) नामक एक विशेष वर्ग की सामग्रियों की ओर मुड़ रहे हैं। पारंपरिक सामग्रियों के विपरीत, जो कागज की शीट की तरह परतों में होती हैं, ये सम्मिश्र एक जटिल, आपस में जुड़े हुए कपड़े की तरह बनाए जाते हैं जहाँ रेशे पूरे हिस्से की मोटाई में बुने होते हैं, जिससे एक ऐसी संरचना बनती है जो अविश्वसनीय रूप से मजबूत और अलग होने से प्रतिरोधी होती है। हालाँकि, ये ब्लेड केवल एक स्थिर लय में नहीं घूमते; वे बलों के एक अराजक मिश्रण का सामना करते हैं। जैसे ही इंजन घूमता है, ब्लेड सेंट्रीफ्यूगल पावर (अपकेंद्री शक्ति) से एक भारी, धीमी खिंचाव वाली शक्ति का सामना करते हैं, जबकि साथ ही वायु विक्षोभ (टर्बुलेंस) और यांत्रिक शोर से होने वाले तीव्र, उच्च-आवृत्ति वाले कंपन से भी जूझते हैं। धीमे, भारी तनाव और तेज़, हल्के कंपन का यह संयोजन टूट-फूट का एक अनूठा प्रकार पैदा करता है जिसे अनुमान लगाना कठिन है। यदि इंजीनियर सटीक रूप से यह पूर्वानुमान नहीं लगा पाते कि ये ब्लेड कब विफल होंगे, तो इसके परिणाम उड़ान सुरक्षा के लिए विनाशकारी हो सकते हैं।
द दशकों से, वैज्ञानिक सरल नियमों का उपयोग करके यह अनुमान लगाने की कोशिश कर रहे हैं कि ऐसी मिश्रित स्थितियों में सामग्रियां कितने समय तक चलती हैं, जो यह मान लेते हैं कि क्षति एक सीधी, अनुमानित रेखा में जुड़ती है। विचार यह था कि धीमी खींच से होने वाली थोड़ी सी क्षति और तेज़ झटके से होने वाली थोड़ी सी क्षति बस आपस में जुड़कर टूटने के बिंदु तक पहुँच जाएगी। लेकिन वास्तविक दुनिया की सामग्रियां, विशेष रूप से ये जटिल बुने हुए कपड़े, इतनी सफाई से व्यवहार नहीं करते हैं। धीमी खींच और तेज़ झटके के बीच की अंतःक्रिया अव्यवस्थित और नॉन-लीनियर (गैर-रैखिक) है, जिसका अर्थ है कि उनके द्वारा मिलकर पहुंचाई गई क्षति अक्सर उनके हिस्सों के योग से कहीं अधिक होती है। नानजिंग यूनिवर्सिटी ऑफ एयरोनॉटिक्स एंड एस्ट्रोनॉटिक्स के शोधकर्ताओं ने इस पहेली को हल करने के लिए इस बात का मॉडल विकसित करने की दिशा में काम किया कि ये सामग्रियां कैसे क्षय होती हैं। उन्होंने पहचान लिया कि क्षति की प्रक्रिया समान नहीं है; इसके बजाय, यह कंपन की तीव्रता के सापेक्ष खींचने वाले बल के आधार पर विभिन्न चरणों में बदलती रहती है।
इन बदलावों को समझने के लिए, टीम ने सबसे पहले एक विशेष परीक्षण मशीन बनाई जो एक ही समय में दोनों प्रकार के तनाव लगाने में सक्षम थी। उन्होंने एक अद्वितीय फिक्स्चर डिजाइन किया जो एक नमूने को भारी टेंसाइल लोड (तनाव भार) के तहत पकड़ सकता था और साथ ही उसे उच्च-आवृत्ति वाले कंपनों के साथ अगल-बगल हिला सकता था, जिससे यह सुनिश्चित हो सके कि दोनों बल एक-दूसरे में हस्तक्षेप न करें। उन्होंने दो प्रकार के नमूनों का परीक्षण किया: सामग्री के ठोस ब्लॉक और बीच में छेद वाले ब्लॉक, जो उन तनाव सांद्रता (स्ट्रेस कंसन्ट्रेशन) की नकल करते हैं जहाँ ब्लेड इंजन हब से जुड़ते हैं। इन नमूनों को तब तक चलाने के बाद जब तक वे विभिन्न तनाव और कंपन के संयोजन के तहत टूट नहीं गए, शोधकर्ताओं ने एक समृद्ध डेटा एकत्र किया जो सटीक रूप से दिखाता है कि विभिन्न स्थितियों के तहत सामग्रियां कितनी समय तक टिकी रहीं।
डेटा से पता चला कि कंपन की तीव्रता और सामग्री के जीवनकाल के बीच का संबंध एक सरल वक्र नहीं है। इसके बजाय, शोधकर्ताओं ने व्यवहार के तीन विशिष्ट क्षेत्रों की पहचान की। पहले क्षेत्र में, जहाँ खींचने वाले बल की तुलना में कंपन बहुत कमजोर होते हैं, कंपन का लगभग कोई प्रभाव नहीं होता है और सामग्री मुख्य रूप से भारी खींच के कारण विफल होती है। दूसरे क्षेत्र में, जैसे-जैसे कंपन मजबूत होते हैं, सामग्री एक "धुंधली" (fuzzy) अवस्था में प्रवेश करती है जहाँ क्षति अनिश्चित और अनुमान लगाने में कठिन हो जाती है; कंपन खींच के साथ इस तरह से अंतःक्रिया करते हैं कि वे टूट-फूट को तेज कर देते हैं, लेकिन विफलता का सटीक बिंदु धुंधला हो जाता है। अंत में, तीसरे क्षेत्र में, जहाँ कंपन पर्याप्त मजबूत होते हैं, अंतःक्रिया भयंकर हो जाती है, जिससे सामग्री उम्मीद से कहीं अधिक तेजी से विफल होती है। मुख्य खोज यह थी कि विशिष्ट सीमाएँ (थ्रेशोल्ड) हैं जहाँ सामग्री का व्यवहार इन क्षेत्रों में से एक से दूसरे में बदल जाता है।
इस जटिलता को पकड़ने के लिए, शोधकर्ताओं ने एक नया गणितीय मॉडल बनाया जो इन तीन क्षेत्रों के साथ अलग-अलग व्यवहार करता है। कमजोर कंपन क्षेत्र के लिए, उन्होंने एक सीधा गणना का उपयोग किया। मजबूत कंपन क्षेत्र के लिए, उन्होंने एक ऐसे सूत्र का उपयोग किया जो क्षति के तीव्र त्वरण को ध्यान में रखता है। लेकिन पेचीदा मध्य क्षेत्र के लिए, जहाँ परिणाम अनिश्चित है, उन्होंने 'फजी लॉजिक' (fuzzy logic) की एक अवधारणा का उपयोग किया। यह दृष्टिकोण मॉडल को यह स्वीकार करने की अनुमति देता है कि "सुरक्षित" और "खतरनाक" के बीच की सीमा एक तीखी रेखा नहीं बल्कि एक क्रमिक संक्रमण है, ठीक उसी तरह जैसे गोधूलि बेला न तो पूरी तरह दिन है और न ही पूरी तरह रात। इस फजी लॉजिक का उपयोग करके, मॉडल क्षति होने की संभावना की डिग्री को निर्धारित कर सकता था, बजाय इसके कि वह एक कठोर हाँ-या-ना वाला उत्तर दे।
जब टीम ने अपने नए मॉडल का वास्तविक प्रयोगात्मक डेटा के विरुद्ध परीक्षण किया, तो यह आज के इंजीनियरिंग में उपयोग किए जाने वाले पारंपरिक तरीकों की तुलना में काफी अधिक सटीक साबित हुआ। पुराने तरीके अत्यधिक सतर्क थे, जो भविष्यवाणी करते थे कि ब्लेड वास्तव में विफल होने से बहुत पहले ही विफल हो जाएंगे, जिससे अनावश्यक और महंगी मरम्मत हो सकती थी। अन्य मौजूदा मॉडल कभी-कभी बहुत आशावादी थे, जो खतरे को पूरी तरह से पहचानने में विफल रहते थे। हालाँकि, नए मल्टी-रीजन मॉडल ने ब्लेड के जीवनकाल की उच्च सटीकता के साथ भविष्यवाणी की, जिससे इसकी त्रुटियाँ एक बहुत ही संकीली सीमा के भीतर रहीं। इसने सफलतापूर्वक गणना की कि सामग्री विभिन्न तनाव स्तरों और कंपन आवृत्तियों के तहत कैसे व्यवहार करती है, जिससे इंजीनियरों को सुरक्षित, लंबे समय तक चलने वाले फैन ब्लेड डिजाइन करने के लिए एक विश्वसनीय उपकरण प्राप्त हुआ।
अध्ययन ने यह भी प्रकाश डाला कि सूक्ष्म स्तर पर सामग्री वास्तव में कैसे टूटती है। कमजोर कंपन क्षेत्र में, क्षति अलग-थलग होती है, जिसमें रेशों को जोड़ने वाले रेजिन में छोटे दरारें बनती हैं लेकिन वे दूर तक नहीं फैलतीं। जैसे-जैसे कंपन बढ़ते हुए धुंधले क्षेत्र में पहुँचते हैं, ये दरारें आपस में जुड़ने लगती हैं, और रेशे रेजिन से कई स्थानों पर अलग होने लगते हैं, जिससे भार स्थानांतरित करने की संरचना की क्षमता कमजोर हो जाती है। एक बार जब कंपन मजबूत क्षेत्र में पहुँच जाते हैं, तो क्षति व्यापक हो जाती है, जिसमें सामग्री के बड़े हिस्से अपनी अखंडता खो देते हैं क्योंकि दरारें परतों के माध्यम से तेजी से फैलती हैं। क्षति के इस विस्तृत विकास की समझ इस बात की पुष्टि करती है कि नया मॉडल केवल एक सांख्यिकीय युक्ति नहीं है बल्कि सामग्री के भीतर होने वाले वास्तविक भौतिक परिवर्तनों को दर्शाता है।
अंततः, यह शोध उन्नत विमान इंजनों के डिजाइन के लिए एक स्पष्ट मार्ग प्रदान करता है। सरल, रैखिक धारणाओं को त्यागकर और इन सामग्रियों के विफल होने की जटिल, परिवर्तनशील प्रकृति को अपनाकर, इंजीनियर अब अधिक विश्वास के साथ थकान जीवन (fatigue life) का पूर्वानुमान लगा सकते हैं। इसका अर्थ है कि वे सुरक्षा से समझौता किए बिना हल्के वजन के डिजाइन की सीमाओं को आगे बढ़ा सकते हैं, जिससे यह सुनिश्चित होगा कि अगली पीढ़ी के विमान अधिक कुशलता और विश्वसनीयता के साथ उड़ सकें। यह कार्य प्रदर्शित करता है कि एयरोस्पेस इंजीनियरिंग की उच्च-जोखिम वाली दुनिया में भी, भौतिक दुनिया की अनिश्चितता और जटिलता को स्वीकार करना बेहतर, अधिक सटीक समाधानों की ओर ले जाता है।
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