دانشكده مکانيک
پايان‌نامه براي دريافت درجه کارشناسي ارشد
در رشته مهندسي مکانيک گرايش ساخت‌و‌توليد
بررسي اثر حضور الگوهايي از معايب ساخت در طراحي مخازن کامپوزيتي
نام دانشجو:
اميررضا‌ترابي‌پوده
استاد راهنما:
دكتر مجيد الياسي
استاد مشاور:
دکتر محمود ذبيح پور
بهمن1393
کپي فرم صورت جلسه دفاع دانشگاه صنعتي نوشيرواني که مهمور به تحصيلات تکميلي است
نام دانشكده:
نام دانشجو:
عنوان پايان‌نامه يا رساله:
تاريخ دفاع:
رشته:
گرايش:
رديفسمتنام و نام خانوادگيمرتبه دانشگاهيدانشگاه يا مؤسسهامضا1استاد راهنما2استاد راهنما3استاد مشاور4استاد مشاور5استاد مدعو خارجي6استاد مدعو خارجي7استاد مدعو داخلي8استاد مدعو داخلي
تأييديه‌ي صحت و اصالت نتايج و مالکيت مادي ومعنوي
باسمه تعالي
اينجانب امير رضا ترابي پوده به شماره دانشجويي 914130018 دانشجوي رشته مهندسي ساخت و توليد مقطع تحصيلي کارشناسي ارشد تأييد مي‌نمايم كه كليه‌ي نتايج اين پايان‌نامه ارشد تحت عنوان بررسي اثر حضور الگوهايي از معايب ساخت در کپسول کامپوزيتي به استاد راهنمايي دکتر مجيد الياسي حاصل كار اينجانب و بدون هرگونه دخل و تصرف است و موارد نسخه‌برداري‌شده از آثار ديگران را با ذكر كامل مشخصات منبع ذكر كرده‌ام. درصورت اثبات خلاف مندرجات فوق، به تشخيص دانشگاه مطابق با ضوابط و مقررات حاكم (قانون حمايت از حقوق مؤلفان و مصنفان و قانون ترجمه و تكثير كتب و نشريات و آثار صوتي، ضوابط و مقررات آموزشي، پژوهشي و انضباطي …) با اينجانب رفتار خواهد شد و حق هرگونه اعتراض درخصوص احقاق حقوق مكتسب و تشخيص و تعيين تخلف و مجازات را از خويش سلب مي‌نمايم. در ضمن، مسؤوليت هرگونه پاسخگويي به اشخاص اعم از حقيقي و حقوقي و مراجع ذي‌صلاح (اعم از اداري و قضايي) به عهده‌ي اينجانب خواهد بود و دانشگاه هيچ‌گونه مسؤوليتي در اين خصوص نخواهد داشت. در ضمن تمام دستاوردهاي مادي و معنوي حاصله از پايان نامه ارشد متعلق به دانشگاه صنعتي نوشيرواني بابل مي‌باشد و اينجانب هيچ گونه ادعايي در قبال آن ندارم.

نام و نام خانوادگي:
امضا و تاريخ:
مجوز بهره‌برداري از پايان‌نامه
بهره‌برداري از اين پايان‌نامه در چهارچوب مقررات كتابخانه و با توجه به محدوديتي كه توسط استاد راهنما به شرح زير تعيين مي‌شود، بلامانع است:
? بهره‌برداري از اين پايان‌نامه/ رساله براي همگان بلامانع است.
? بهره‌برداري از اين پايان‌نامه/ رساله با اخذ مجوز از استاد راهنما، بلامانع است.
? بهره‌برداري از اين پايان‌نامه/ رساله تا تاريخ ……………………………… ممنوع است.
نام استاد يا اساتيد راهنما:
تاريخ:
امضا:
تقديم به:
تقديم به همه عزيزاني که مرا، ياري رساندند.
تشكر و قدرداني:
سپاسگزارم از استاد راهنما و مشاور گرانقدرم جناب آقاي دکتر مجيد الياسي و جناب آقاي دکتر محمود ذبيحپور. بزرگواراني که روشنايي بخش ظلمت انديشهام در اين مسير بودند و لطف‌شان همواره سرشار از مهر و يقينشان ياريبخشم در نگارش اين پژوهش بود. بزرگ استاداني که با خلوص نيت، دنيايي از حقيقت و معرفت را به من آموختند و وسعت ديد و دقت نظرشان روشنگر مسير در انجام اين پژوهش بود. به رسم احترام و ادب زيبندهترين تجليل‏ها را نثار مقام والاي استاديشان ميدارم، که به راستي آموزگار علم و اخلاقند. باشد که ثمره کار جبراني هرچند کوچک بر زحمات اين عزيزان باشد و همينطور سپاس از تمامي اساتيدم که در لحظه هاي گهربار زندگيشان همواره لحظههايي براي آموختن مهرباني، گنجينه نهادند.
سپاس از حضور و همراهي مهندس عليرضا ابراهيمي و حسن يوسفي نژاد که در تمامي مراحل، بنده را پشتيباني کردند. چنين‌‌هم برخود لازم ميدانم از همکاري جناب آقاي دکتر ظهير امامي مدير عامل محترم شرکت فراپاکس، جناب آقاي مهندس ستايش معاونت محترم و همچنين مسؤلين شرکتهاي فراپاکس، فراسان، فراتک و شرکت نيرو ماشين شمال قدرداني نمايم. در پايان بايد از کوشش‌هاي بي‌دريغ و بي کم و کاست جناب آقاي دکتر عليزاده مدير محترم پژوهشکده شمال تشکر و قدرداني نمايمم.
چکيده
در چند دهه اخير، استفاده از مواد مرکب به دليل داشتن خواصي ويژه از جمله سفتي و استحکام ويژه بالا، در صنايع مختلف روندي رو به رشد را داشته است. اخيرا لوله‌ها و مخازن کامپوزيتي يکي از توليدات مهم صنايع هوايي، دريايي و پالايشگاه‌ها مي‌باشند و تا به امروز فرآيند رشته‌پيچي مناسب‌ترين روش در توليد آن‌ها محسوب مي‌شود.
عمده عيوب ايجاد شده در فرآيند رشته‌پيچي شامل خطاي زاويه الياف و عدم يکنواختي در توزيع رزين (درصد حجمي الياف) مي‌باشد. اين عيوب بر رفتار مکانيکي قطعات توليد شده تاثير يسزايي مي‌گذارد. در نتيجه در اين پژوهش به بررسي تاثير خطاي زاويه الياف و عدم يکنواختي در توزيع رزين بر رفتار کمانشي لوله و مخازن کامپوزيتي تحت فشار خارجي هيدرواستاتيک يکنواخت پرداخته شده است.
ساخت دستگاه در دقت‌هاي بالا، مشمول صرف هزينه‌هاي بسيار بالا مي‌باشد که ابتدا بايد پاسخي براي سوال “چه ميزان دقت لازم است؟” پيدا کرد. در اين پژوهش، کمانش لوله و مخزن کامپوزيتي تحت فشار خارجي به صورت تجربي و شبيه‌سازي اجزاي محدود مورد مطالعه قرار گرفته است. در اين راستا از لوله و مخزن کامپوزيتي به قطرهاي 150 و 500 ميلي‌متر و طول 5/1متر از جنس E-glass/Epoxy استفاده شده است. تاثير خطاي زاويه الياف و درصد حجمي الياف بر رفتار کمانشي اين قطعات مورد مطالعه قرار گرفت.
در بررسي خطاي زاويه، بيشترين اثر خطا در لايه چيني [30±] ديده شد و کمترين اثر خطا در لايه چيني [60±] مشاهده شد. اثر خطاي (5±) درجه در دستگاه‌ پيچش الياف سبب اختلاف 10 درصدي در فشار کمانشي مخزن مي‌شود. در لوله‌ها و مخازن توليد شده با نسبت طول به قطر 4 اثر خطا سبب مي‌شود فشار کمانشي تا 12 درصد کاهش يابد و همچنين در نسبت قطر به ضخامت 50 باعث مي‌شود فشار کمانشي تا 37 درصد کاهش يابد.
واژه‌هاي كليدي: کمانش مخزن و لوله کامپوزيتي، دستگاه پيچش الياف، فرآيند رشته‌پيچي، خطاي زاويه و درصد حجمي الياف
فهرست مطالب
فصل 1: مقدمه1
1-1 مقدمه2
1-2 نگاهي به کامپوزيت‌ها2
1-3 پوسته‌هاي کامپوزيتي5
1-4 فرآيند رشته‌پيچي6
1-4-1 رشته‌پيچي مرطوب9
1-4-2رشته‌پيچي خشک10
1-5 خطاهاي ساختي10
1-6 الگوهاي رشته‌پيچي12
1-6-1 رشته‌پيچي محيطي12
1-6-2 رشته‌پيچي مارپيچي12
1-6-3 رشته‌پيچي قطبي13
1-7 کمانش پوسته‌هاي کامپوزيتي14
1-8 اهداف پژوهش17
فصل 2: مروري بر منابع20
2-1 مقدمه21
2-2 پژوهش هاي انجام شده پيرامون کمانش پوسته هاي استوانه‌اي کامپوزيتي22
فصل 3: مراحل شبيه‌سازي37
3-1 مقدمه38
3-2 معرفي نرم‌افزار شيبه سازي38
3-3 تحليل المان محدود مخزن کامپوزيتي در نرم‌افزار آباکوس39
3-3-1 ايجاد مدل هندسي قطعات در محيط ترسيم40
3-3-2 تعريف مشخصات ماده در محيط تعريف خواص ماده41
3-3-3 مونتاژ قطعات در محيط مونتاژ44
3-3-4 تعريف مراحل انجام تحليل در محيط گام44
3-3-5 تعريف برهم کنش‌ها در محيط تماس44
3-3-6 تعريف بارگذاري و شرايط مرزي در محيط بارگذاري45
3-3-7 تحليل المان بندي روي مخزن در محيط شبکه بندي45
3-3-8 تحليل فرآيند در محيط تحليل47
3-3-9 مشاهده نتايج تحليل در محيط نتايج47
3-4 فرضيات پژوهش48
فصل 4: مراحل آزمايشگاهي49
4-1 مقدمه50
4-2 ساخت لوله و مخزن کامپوزيتي50
4-2-1 خصوصيات لوله کامپوزيتي51
4-2-2 خصوصيات مخزن کامپوزيتي51
4-3 تست فشار خارجي هيدرواستاتيک52
4-3-1 مخزن تحت فشار53
4-3-2 کپسول گاز ازت53
4-4 مراحل آزمايشگاهي54
4-5 جمع بندي57
فصل 5: نتايج58
5-1 مقدمه59
5-2 نتايج آزمون فشار خارجي هيدرواستاتيک59
5-2-1 بررسي کمانش در لوله کامپوزيتي60
5-2-2 بررسي کمانش در مخزن کامپوزيتي62
5-3 اثر خطاي ساختي در مخزن مورد مطالعه با کمک شبيه‌سازي65
5-3-1 اثر خطاي زاويه در کمانش مخزن کامپوزيتي66
5-3-2 اثر خطاي درصد حجمي در کمانش مخزن کامپوزيتي66
5-4 اثر زاويه در کمانش مخازن کامپوزيتي67
5-5 اثر درصد حجمي بر کمانش مخازن کامپوزيتي68
5-6 اثر معايب ساخت در طول‌ها و قطرهاي مختلف69
5-6-2 اثر خطاي زاويه در کمانش مخازن 45± رشته‌پيچي شده70
5-6-3 اثر خطاي زاويه در کمانش مخازن 60± رشته‌پيچي شده72
فصل 6: نتيجه گيري و پيشنهادات75
6-1 مقدمه76
6-2 نتيجه گيري76
6-3 پيشنهادات78
مراجع79
فهرست شکل ها
شکل (1-1) شکل‌هاي مختلف مواد مرکب[3]3
شکل (1-2) خصوصيات مکانيکي کامپوزيت و اجزاي تشکيل دهنده آن[3]3
شکل (1-3) انواع آرايش تقويت کننده در کامپوزيت[3]. الف) تقويت کننده ذره اي ب) تقويت کننده با الياف و ويسکرز ج) تقويت کننده با الياف پيوسته4
شکل (1-4) طرح کلي از توليد يک مخزن کامپوزيتي6
شکل (1-5) دستگاه پيچش الياف[6]7
شکل (1-6) انواع قطعات توليد شده با دستگاه پيچش الياف[7]8
شکل (1-7) انواع بستر رزين الف) نوع غلتکي، ب) نوع غوطه‌وري[6]9
شکل (1-8) نماي شماتيک خطاي دستگاه رشته‌پيچي با 5 درجه خطا11
شکل (1-9) بررسي خطاي زاويه در حين فرآيند ساخت[7]11
شکل (1-10) خطاي درصد حجمي در حين فرآيند ساخت[9]11
شکل (1-11) نمودار بار تغيير مکان محوري انتهاي استوانه با نقطه حدي A، نقطه دوگانگي B و مسير پس دوگانگي BD[5]15
شکل (1-12) منحني هاي بار تغيير مکان، بيانگر نقاط حدي و دوگانگي[5]16
شکل (1-13) ساختار مطالعه بر روي لوله کامپوزيتي18
شکل (1-14) ساختار مطالعه بر روي مخزن کامپوزيتي19
شکل (2-1) رابطه فشار و جابجايي[11]24
شکل (2-2) تجهيزات آزمايشگاه[11]24
شکل (2-3) منحني رابطه تغييرات نيرو به تغييرات جابجايي الف) مخزن [90/30±]، ب) مخزن [90/45±] و ج) مخزن [90/60±][12]26
شکل (2-4) رابطه زاويه و فشار بحراني کمانش در تحليل‌هاي عددي[12]26
شکل (2-5) لايه چيني مواد مرکب[13]27
شکل (2-6) اثر بارگذاري کمانشي در نمونه مطالعاتي وو مين (الف) در طول 30 ميلي‌متر (ب) درطول 60 ميلي‌متر[13]27
شکل (2-7) رابطه کمانش با نسبت قطر به ضخامت[14]28
شکل (2-8) رابطه کمانش با نسبت طول به قطر[14]29
شکل (2-9) نمودار تغييرات بار به جابجايي الف) مخزن [90/30±]، ب) مخزن [90/45±] و ج) [90/60±][15]30
شکل (2-10) منحني فشار کرنش الف) کرنش محوري ب) کرنش جانبي[16]31
شکل (2-11) مدل شبيه‌سازي و تجربي الف) مدل سازي کمانش ب) نماي ايزومتريک از کمانش پوسته کامپوزيتي ج) نماي روبرو از کمانش پوسته کامپوزيتي[16]31
شکل (2-12) اثر ضخامت بر تنشهاي فشاري در لوله‌هاي رشته‌پيچي با زواياي (45±، 55± و 75±)[17]32
شکل (2-13) منحني تنش کرنش لوله ]75±[ الف) تنش کرنش محوري ب) تنش کرنش جانبي[17]32
شکل (2-14) تغييرات نسبت بار کمانشي الف) ]0/45/45-/0[ ب) ]45/45-/45-/45[[18]33
شکل (2-15) منحني تغييرات ضخامت بر فشار کمانش[20]34
شکل (2-16) مقايسه نتايج تعوري و تجربي الف) کرنش محوري ب) کرنش محيطي[21]34
شکل (2-17) مقايسه آناليز کمانش خطي وغير خطي براي يک سازه mm195[23]35
شکل (2-18) مقايسه نتايج بار کمانشي تجربي و شبيه‌سازي الف) براي شعاع هاي مختلف ب) براي طول هاي مختلف[23]36
شکل (3-1) مدل سه بعدي مخزن کامپوزيتي41
شکل (3-2) تعريف خصوصيات مکانيکي مواد کامپوزيتي در نرم‌افزار42
شکل (3-3) تعيين المان در مدل سازي مواد کامپوزيتي در نرم‌افزار42
شکل (3-4) زاويه چيني و تعيين خصوصيات هر لايه در مدل سازي مواد کامپوزيت در نرم‌افزار43
شکل (3-5) تعيين مختصات و قرارگيري زاويه‌ لايه‌هاي [54±]43
شکل (3-6) اعمال بارگذاري و شرايط مرزي در مدل45
شکل (3-7) همگرايي مش در لوله کامپوزيتي46
شکل (3-8) نتايج بدست آمده از شبيه‌سازي مخزن کامپوزيتي47
شکل (4-1) نمونه‌هاي مطالعاتي در اين پژوهش الف) لوله کامپوزيتي ب) مخزن کامپوزيتي50
شکل (4-2) درپوش‌هاي ارتالون استفاده شده در لوله کامپوزيتي51
شکل (4-3) درپوش فلزي. الف) درپوش و واشر آب‌بندي ب) درپوش تقويت شده با شمش آهني52
شکل (4-4) مخزن تست. الف) مخزن تست و شير ورودي گاز ازت ب) فشار سنج و شير خروجي گاز ازت53
شکل (4-5) کپسول گاز ازت54
شکل (4-6) قرار گيري لوله کامپوزيتي در مخزن تست55
شکل (4-7) نحوه قرار گيري مخزن کامپوزيتي در مخزن تست56
شکل (5-1) نمودار فشار جابجايي در لوله کامپوزيتي60
شکل (5-2) کمانش لوله کامپوزيتي پس از انجام آزمايش61
شکل (5-3) لوله کامپوزيتي تحت فشار خارجي هيدرواستاتيک61
شکل (5-4) لوله کامپوزيتي شبيه‌سازي شده با المان محدود62
شکل (5-5) نمودار فشار جابجايي در مخزن کامپوزيتي با استفاده از شبيه‌سازي63
شکل (5-6) کرنش‌هاي طولي و جانبي در مخزن کامپوزيتي به کمک شبيه‌سازي64
شکل (5-7) مخزن کامپوزيتي پس از آزمون فشار خارجي هيدرواستاتيک 3 مگاپاسکال64
شکل (5-8) مخزن کامپوزيتي بعد از اعمال فشار خارجي هيدرواستاتيک 3 مگاپاسکال65
شکل (5-9) مخزن کامپوزيتي تحت فشار خارجي هيدرواستاتيک 5 مگاپاسکال65
شکل (5-10) اثر خطاي زاويه در نمودار فشار جابجايي به کمک نرم‌افزار شبيه‌سازي66
شکل (5-11) اثر خطاي درصد حجمي در نمودار فشار جابجايي به کمک شبيه‌سازي67
شکل (5-12) اثر زاويه در فشار بحراني کمانش68
شکل (5-13) اثر درصد حجمي بر کمانش مخازن کامپوزيتي به کمک شبيه‌سازي69
شکل (5-14) اثر خطاي زاويه رشته‌پيچي در مخازن [30±] برحسب نسبت طول به قطر70
شکل (5-15) اثر خطاي زاويه رشته‌پيچي در مخازن [30±] برحسب نسبت قطر به ضخامت70
شکل (5-16) اثر خطاي زاويه رشته‌پيچي در مخازن [45±] برحسب نسبت طول به قطر71
شکل (5-17) اثر خطاي زاويه رشته‌پيچي در مخازن [45±] برحسب نسبت قطر به ضخامت71
شکل (5-18) اثر خطاي زاويه رشته‌پيچي در مخازن [60±] برحسب نسبت طول به قطر72
شکل (5-19) اثر خطاي زاويه رشته‌پيچي [60±] برحسب نسبت قطر به ضخامت73
شکل (5-20) شبيه‌سازي مخازن کامپوزيتي الف) مخزن کامپوزيتي با لايه‌چيني [30±] بر حسب نسبت طول به قطر 4 و قطر به ضخامت 50 ب) مخزن کامپوزيتي با لايه‌چيني مخزن کامپوزيتي با لايه‌چيني [45±] بر حسب نسبت طول به قطر 4 و قطر به ضخامت 50 ج) مخزن کامپوزيتي با لايه‌چيني [60±] بر حسب نسبت طول به قطر 4 و قطر به ضخامت 5074
فهرست جدول ها
جدول (1-1) خواص الياف شيشه و رزين اپوکسي [4]5
جدول (1-2) مزايا و معايب فرآيند رشته‌پيچي[6]8
جدول (1-3) شماتيک الگوهاي پيچيش لوله‌ها و مخازن کامپوزيتي13
جدول (2-1) نتايج بدست آمده از تست مخزن کامپوزيتي کربن اپوکسي[10]22
جدول (2-2) نتايج بدست آمده از تست مخزن کامپوزيتي شيشه اپوکسي[10]23
جدول (2-3) نتايج بدست آمده از کمانش در نرم‌افزار اجزاي محدود کمانش[11]23
جدول (2-4) نتايج مطالعه حل عددي و نمونه تجربي مخزن کربن اپوکسي[12]25
جدول (2-5) نتايج آزمون تجربي و کرنش سنج بر روي لايه چيني‌هاي مختلف[15]30
جدول (2-6) نتايج مطالعه ليو و همکارانش[24]36
جدول (4-1) خصوصيات مکانيکي لوله کامپوزيتي51
جدول (4-2) خصوصيات مکانيکي مخزن کامپوزيتي52
جدول (4-3) اعمال فشار سيال بر لوله کامپوزيتي55
جدول (4-4) اعمال فشار سيال بر مخزن کامپوزيتي56
جدول (5-1) نتايج آزمون تجربي و شبيه‌سازي اجزاي محدود59
جدول (6-1) اثر خطاي زاويه در نسبت طول به قطرهاي (5/0 ، 1، 2، 4)77
جدول (6-2) اثر خطاي زاويه در مخازن با نسبت قطر به ضخامت‌هاي (10، 15، 25، 50)77
مقدمه
مقدمه
لوله‌ها و مخازن کامپوزيتي از توليدات مهم صنايع هوايي، دريايي و پالايشگاه‌ها محسوب مي‌شوند و فرآيند رشته‌پيچي از مناسب‌ترين روش‌ها در توليد آن‌ها به شمار مي‌آيد. در قطعات ساخته شده به روش رشته‌پيچي، تحت بارگذاري‌هاي خارجي سبب کمانش شده که در تخريب و کاهش عمر سازه اثر گذار است. در اين پايان نامه، مطالعه اي بر معايب ساخت دستگاه پيچش اليافي صورت گرفته که قادر به توليد مخازني تا قطرهاي 4 متر و طول‌هاي 12 متر مي‌باشد. قسمت عمده اين عيوب در فرآيند رشته‌پيچي بر روي دستگاه پيچش الياف تمرکز دارد.
نگاهي به کامپوزيت‌ها
کامپوزيت1 به معني ماده مرکب و مواد کامپوزيتي به معني مواد مرکب مي‌باشد. ماده مرکب از ترکيب چندين ماده با ويژگي ها و خصوصيات مختلف بوجود مي‌آيد. مطالعه تاريخ نشان مي‌دهد که اولين بار ساخت مواد مرکب توسط بشر، در دوره پارسنگي2 مي‌باشد و همچنين حدود 5000 سال قبل از ميلاد مسيح در خاورميانه از پليمر براي قيراندود کردن قايق ها استفاده شده است. اما مهمترين تحولات در مواد مرکب بين سالهاي 1847 تا 1946 اتفاق افتاد که دانشمندان مفهوم جديدي از آن ارايه کردند[1].
تا قبل از ورود کامپوزيت به صنعت، فلزات و آلياژهاي آن‌ها مورد توجه صنايع فضايي و دريايي بودند اما امروزه بخش مهمي از اين صنايع به آن‌ها وابسته ‌است. آلياژ ها نمونه اي از مواد مرکب هستند منتها از ترکيب مواد در مقياس ميکروسکوپي بوجود مي‌آيند، آلياژهاي فلزي در مقياس ماکروسکوپي، بعنوان يک ماده هموژن فرض مي‌شوند. مقياس ماکروسکوپي يعني هر کدام از مواد تشکيل دهنده ماده پس از ترکيب، با چشم غير مسلح ديده مي‌شوند. شکل (1-1) ترکيب تقويت کننده و زمينه را نشان مي‌دهد[2].
در صنايع مکانيک ماده کامپوزيت به مفهوم ترکيب دو جزء تقويت کننده3 و زمينه4 مي‌باشد. هر جزء متحمل وظيفه اي است که جزء اصلي يا تقويت کننده، وظيفه تحمل نيرو را دارد و در واقع خصوصيات اصلي کامپوزيت به اين جزء وابسته است. جزء ديگر، زمينه نام دارد که پايه کامپوزيت است و وظيفه اصلي آن انتقال و تقسيم نيرو مي‌باشد[2]. در شکل (1-2) خصوصيات مکانيکي الياف و رزين و ترکيب اين دو ماده را نشان مي‌دهد.
شکل‌هاي مختلف مواد مرکب[3]
خصوصيات مکانيکي کامپوزيت و اجزاي تشکيل دهنده آن[3]
از خصوصيات مواد مرکب مي‌توان به توانايي در انتخاب جنس و اجزاي تشکيل دهنده اشاره کرد. مواد کامپوزيتي علاوه بر خصوصيت مذکور توانايي تقويت ماده در جهت دلخواه را دارند از طرفي ديگر خصوصيات مکانيکي ماده تقويت کننده و زمينه در کامپوزيت‌ها، خصوصيات ويژه‌اي را در اختيار طراح مي‌گذارد که عبارتند از:
نسبت استحکام به وزن بالاسختي متوسططول عمر زيادمقاوم در برابر حرارتمقاوم در برابر خوردگيمقاوم در برابر سايشطبيعتاً تمام اين خصوصيات به صورت بهينه در يک ماده مرکب يافت نمي‌شود چرا که گاهاً بعضي از اين خصوصيات اثراتي متقابل روي هم دارند. به هر حال بر اساس عملکرد يک سازه مي‌توان خصوصيات را اولويت بندي و بهينه نمود[2].
تقويت کننده‌ها بر اساس جنس و ساختار ظاهري تقسيم بندي مي‌شوند. تقويت کننده‌ها بر اساس جنس به شيشه، گرافيت و آراميد دسته بندي مي‌شوند و بر اساس ساختار ظاهري به دو گروه که مي‌توان به کامپوزيت هاي تقويت شده با الياف5 و کامپوزيت‌هاي تقويت شده با ذرات6 اشاره کرد. زمينه هم بر اساس جنس و نوع عملکرد به دسته بندي هاي گوناگوني طبقه بندي شده است. يک نمونه از گروه‌بندي مواد کامپوزيت در شکل (1-3) نشان داده شده است.
(الف)
(ب)
(ج)انواع آرايش تقويت کننده در کامپوزيت[3]. الف) تقويت کننده ذره اي ب) تقويت کننده با الياف و ويسکرز ج) تقويت کننده با الياف پيوسته
در اين پژوهش از الياف شيشه پيوسته با زمينه اپوکسي استفاده شده است. از خصوصيات الياف شيشه مي‌توان به استحکام بالا، قيمت پايين، مقاومت شيميايي بالا و خواص عايقي مناسب اشاره کرد. از معايب آن مي‌توان به مدول الاستيک پايين، پيوند ضعيف به پليمرها، وزن مخصوص بالا، حساسيت به سايش (که باعث کاهش استحکام کششي مي‌شود) و مقاومت در برابر خستگي پايين اشاره نمود. الياف شيشه انتخاب شده در اين پژوهش از خانواده (E) انتخاب شده که اين حرف معرف واژه الکتريکال به اين دليل ذکر مي‌شود که اين نوع الياف براي کاربردهاي الکتريکي طراحي شده است. البته مصارف ديگري مانند کاربردهاي تزييني و حتي سازه‌اي نيز دارد. با اين وجود استحکام کششي مناسب الياف شيشه باعث شده تا اين الياف در مخازن تحت فشار داخلي و خارجي، موشک و ديگر سازه‌ها نيز مورد استفاده قرار گيرد. ساخت الياف شيشه معمولا از سنگ شيشه و الياف توسط ذوب کردن سنگ شيشه با کنترل دقيق درجه حرارت حاصل مي‌شود[4].
رزين اپوکسي نقش تقويت کننده را در نمونه‌هاي ساخته شده بر عهده دارد. رزين‌هاي اپوکسي، در دسته بندي زمينه هاي پليمري قرار دارند که از ساير زمينه‌هاي پليمري گران قيمت‌تر است ولي مشهورترين و پرکاربردترين نوع ماتريس‌ها در PMCها محسوب مي‌شود. نزديک به 70 درصد ماتريس‌هاي پليمري مورد استفاده در صنايع هوافضا، از اپوکسي تشکيل شده‌اند. دلايل اصلي کاربرد فراوان اين رزين‌ها در استحکام بالا، ويسکوزيته پايين، فراريت کم در طول فرآيند پخت7 و نرخ انقباض کم مي‌باشد. از مزاياي مهم آن‌ها نيز مي‌توان به بهبود در خواص الکتريکي و شيميايي اشاره کرد[4].
خواص الياف شيشه و رزين اپوکسي [4]
خصوصياتواحدالياف شيشهرزين اپوکسيگرانش مخصوص8-54/228/1مدول يانگ9GPa4/7279/3استحکام کششي نهايي10MPa344772/82
پوسته‌هاي کامپوزيتي
در بيان پوسته هاي کامپوزيتي بايد گفت که هر ماده اي که استحکام بالا و خصوصيت مناسبي در برابر تنش هاي کششي داشته باشد مورد توجه صنايع لوله سازي و مخازن قرار گرفته مي‌گيرد. سازمان ASME طبق استانداردهاي خاص ليستي از بهترين مواد با محدوديت دما و فشار را براي توليد لوله و مخازن تحت فشار ارايه کرد، که نام کامپوزيت‌ها در اين ليست به چشم مي‌خورد. پوسته‌هاي کامپوزيتي را مي‌توان بر اساس جنس، ابعاد و فرم ظاهري طبقه بندي نمود و همچنين نسبت‌هاي بين طول، قطر و ضخامت در طبقه بندي آن موثر است.
امروزه يکي از کاربردهاي مهم پوسته هاي کامپوزيتي، در توليد لوله و مخازن تحت فشار خارجي است. اين لوله‌ها و مخازن علاوه بر فشار داخلي سيال در برابر فشارهاي خارجي، استحکام خوبي دارند و مي‌توان از آن‌ها در فشار خارجي بالا استفاده کرد. کاربرد لوله‌هاي کامپوزيتي در خطوط انتقال نفت از سکوها به پالايشگاه و کاربرد مخازن کامپوزيتي در صنايع دريايي و حمل نقل مي‌باشد[5]. شکل (1-4) يک طرح کلي از توليد يک مخزن کامپوزيتي را نشان مي‌دهد که عيوب ساخت در مراحل نصب و راه‌اندازي دستگاه و فرآيند رشته‌پيچي رخ مي‌دهد.
طرح کلي از توليد يک مخزن کامپوزيتي
فرآيند رشته‌پيچي
امروزه دستگاه‌هاي پيچش الياف، سرعت و دقت در توليد محصولات کامپوزيتي را افزايش داده‌اند. هر دستگاه پيچش الياف داراي يک تعداد محور يا درجه آزادي مشخص است که هرچه تعداد اين محورها بيشتر باشد، امکان توليد قطعات با شکل‌هاي پيچيده‌تر ميسر خواهد شد. شکل (1-5) دستگاه پيچش الياف را نشان مي‌دهد. اين فرآيند نه تنها براي اشکال متقارن تک محوري بلکه براي مقاطع منشوري و حتي اشکال پيچيده نيز استفاده مي‌شود. شکل (1-6) نمونه‌اي از توليدات دستگاه پيچش الياف مي‌باشد. رشته‌پيچي به دو صورت مرطوب و خشک انجام مي‌شود که در ادامه توضيح داده مي‌شود.
تعريف کامل تر از فرآيند رشته‌پيچي را اينگونه مي‌توان مطرح کرد: پيچش الياف به دور مندرل11 به صورت محيطي، مارپيچي، قطبي و طولي، که در هر بار چرخيدن، پوششي به اندازه ضخامت الياف روي بدنه مندرل در جهت طولي ايجاد مي‌شود. بعد از اتمام عمل پيچش الياف، قطعه را جهت پخت در داخل کوره قرار مي دهند.
دستگاه پيچش الياف[6]
مندرل‌ها از فلزات، پلاستيک ها، سراميک ها و يا ترکيبي از اين مواد ساخته مي‌شوند. سطح خارجي آن‌ها بايد صاف و سخت باشد. همچنين مندرل تحت فشار ناشي از کشش الياف، نبايد خراب شود يا تغيير فرم دهد. مندرل‌ها به دو قسمت جدا شونده و جدا نشونده تقسيم مي‌شوند. در مندرل‌هاي جدا نشونده، مانند مخازن استوانهاي، مندرل به عنوان يک لايه آب بندي عمل مي‌کند. هدايت کننده‌هاي الياف وظيفه کنترل نيروي کششي و نظم دهي به الياف را به هنگام پيچيده شدن به دور مندرل دارند. بستر رزين قسمتي مهم در دستگاه پيچش الياف است. در اين بخش ميزان ترکيب يک کامپوزيت تعيين مي‌شود. درشکل (1-7) نمونه‌هايي از بستر رزين نشان داده شده است.
انواع قطعات توليد شده با دستگاه پيچش الياف[7]
رشته‌پيچي به دو صورت مرطوب و خشک انجام مي‌شود که هرکدام خصوصيات مربوط به خود را دارند. دستگاه‌هاي رشته‌پيچي شامل دو نوع افقي و عمودي هستند که بسته به نوع فرآيند توليد، انتخاب مي‌شوند. بارزترين مزايا و معايب فرآيند رشته‌پيچي در جدول (1-2) آورده شده است.
مزايا و معايب فرآيند رشته‌پيچي[6]
مزيت هامحدوديت هاتوليد مخازن يکپارچه و بدون درزتوليد قطعات با شکل هاي محدبتوجيه اقتصادي در توليدات بالاالياف نمي‌تواند به راحتي در جهت طولي قطعه خوابانده شود.رزين اضافي در سازه داخل نمي‌شودهزينه مندرل براي قطعات بزرگ بالاست.بخاطر استفاده از رشته هاي زياد الياف، هزينه پارچه بافي اوليه حذف مي‌شودسطح خارجي، صافي سطح مناسبي ندارد.
رشته‌پيچي مرطوب
در روش پيچش مرطوب يا اصطلاحا تر پيچي، الياف قبل از پيچيده شدن روي مندرل با عبور از يک بستر رزين، ابتدا به رزين آغشته مي‌شود و بعد بر روي مندرل پيچيده مي‌شود. مزيت اين روش، هزينه کم نسبت به روش خشک پيچي است. مزيت ديگر اين روش، کاهش حباب هوا در لايه‌هاي مخزن است. رزين مرطوب، حباب‌هاي هوا را به سمت بيرون سازه هدايت مي‌کند. معايب اين روش کند بودن فرآيند، عدم کنترل دقيق بر روي توزيع رزين و اتلاف آن مي‌باشد. کند بودن فرآيند به اين علت است که در هنگام خيس خوردن الياف، رزين بايد کاملا به داخل الياف نفوذ کند. زيرا هر دو تاري که بين آن‌ها رزين نباشد، محلي براي شروع شکست سازه مي‌باشد. اتلاف رزين هم به دو صورت انجام مي‌گيرد. اليافي که از داخل حمام بيرون مي‌آيد خيس است و ممکن است رزين از آن‌ها بچکد. همچنين در پايان فرآيند رزين باقيمانده در ظرف خشک شده و غير قابل استفاده مي‌گردد. براي خيساندن الياف با رزين، دو روش غوطه‌وري و غلتکي وجود دارد. در روش غوطه وري، الياف از زير قرقره هايي در داخل بستر رزين رد مي‌شود، در روش غلتکي يک قرقره از زير، رزين را با خودش بالا مي آورد و الياف را خيس مي کند. در اين روش رزين کمتري به الياف مي خورد و همچنين الياف در حين خيس خوردن دچار خمش زياد نمي‌شود[6].
(الف)
(ب)انواع بستر رزين الف) نوع غلتکي، ب) نوع غوطه‌وري[6]
رشته‌پيچي خشک
در روش خشک پيچي از اليافي استفاده مي‌شود که قبلا به طور کامل با رزين خيس خورده و اشباع شده‌است. اين الياف از پيش آماده شده را مستقيم بر روي مندرل مي پيچيند. البته لازم است که مندرل تا حدودي گرم شود. مزاياي اين روش سرعت زياد و کنترل ميزان رزين مي‌باشد. معايب اين روش گران بودن آن، به دليل پر هزينه بودن مواد اوليه و همچنين مشکلات مربوط به مدت زمان مجاز نگهداري الياف مي‌باشد.
خطاهاي ساختي
در طول فرآيند توليد لوله‌ها و مخازن كامپوزيتي، عيوبي رخ مي‌دهد که اين عيوب از مراحل ابتدايي ساخت الياف و رزين تا مرحله نهايي پختن کامپوزيت اتفاق مي‌افتد. از جمله عيوبي که ديده شده، مي‌توان به خطاي دستگاه پيچش الياف اشاره کرد.
دستگاه هاي رشته‌پيچي به دو شيوه کار مي‌کنند. در شيوه اول مندرل ثابت بوده و الياف با پيچش حول مندرل، بر روي آن پيچيده مي‌شود. در شيوه دوم الياف ثابت بوده و با چرخش مندرل، الياف به دور آن پيچيده مي‌شود[6].
همچنين در فرآيند رشته‌پيچي، تقويت کننده بسته به نوع آرايش و شکل ظاهري، تحت يک زاويه مشخص به دور مندرل پيچيده مي‌شود. بعلت وجود خطاي اپراتور و خطاي دستگاه، زاويه مشخص شده نيز با خطا همراه مي‌شود. تغييرات زاويه سبب تغييرات در خصوصيات رفتاري ماده مي‌شود. اين تغييرات رفتار ماده را در فشارهاي خارجي تحت تاثير قرار مي‌دهد. درصد نسبت تقويت کننده به زمينه را درصد حجمي تقويت کننده مي‌گويند[8]. در فرآيندهاي تر پيچي، درصد حجمي با خطا همراه است. اين خطا نيز در خصوصيات و رفتار مواد اثر گذار است.
شکل (1-8) شماتيک خطاي زاويه رشته‌پيچي را نشان مي‌دهد. در اين پژوهش از يک دستگاه رشته‌پيچي براي توليد لوله و مخزن کامپوزيتي استفاده شد که قابليت توليد لوله و مخازن تاقطر 4 متر و طول‌هاي 12متر را دارد. جابجايي محورهاي اين دستگاه توسط سرعت پيشروي تعيين مي‌شود و جابجايي‌ها مستقل از سرعت پيشروي نيستند از اينرو توليد مخزن با زاويه مورد نظر طراح با خطا همراه است.
نماي شماتيک خطاي دستگاه رشته‌پيچي با 5 درجه خطا
در شکل (1-9) نمونه اي از خطاي زاويه را در مقياس صنعتي نشان داده است. همچنين در شکل (1-10) نمونه‌اي از خطاي درصد حجمي را نشان مي‌دهد که توزيع رزين توسط اپراتور صورت مي‌گيرد که توزيع يکنواخت آن براي اپراتور ميسر نيست.
بررسي خطاي زاويه در حين فرآيند ساخت[7]
خطاي درصد حجمي در حين فرآيند ساخت[9]
الگوهاي رشته‌پيچي
در توسعه ساختارهايي با کارايي بالا، الياف به صورت سه الگوي پايه اي روي مخزن پيچيده مي‌شود. اين الگوها، شامل رشته‌پيچي محيطي، مارپيچي و قطبي مي‌باشد. الياف پيچي محيطي مستلزم روش ها و تکنيک هاي پيچيده نمي‌باشد. انواع الگوهاي رشته‌پيچي در جدول (1-3) نشان داده شده است.
رشته‌پيچي محيطي
اين نوع الياف پيچي تحت عنوان پيچش کمر پيچ شناخته مي‌شود و در حقيقت پيچش حلقوي مانند مارپيچي، که زاويه 90 درجه با محور طولي مخزن پيدا مي‌کند. الياف پيچي محيطي صرفا توانايي استحکام در برابر تنش هاي محيطي را دارا مي‌باشد. در مخازني که يک مندرل آن‌ها يک آستر فلزي است از اين نوع الياف پيچي استفاده مي‌شود[6].
رشته‌پيچي مارپيچي
براي توليد بخش‌هايي که توان خوبي در برابر نيروهاي طولي داشته باشند بايد مواد در جهت طولي نيز روي مخزن قرار گيرند. در اين نوع رشته‌پيچي، مندرل با سرعت ثابتي مي‌چرخد و الياف با حرکات رفت و برگشتي رو مندرل پيچيده مي‌شود و حرکت الياف با سرعتي انجام مي‌شود که زواياي دلخواه مارپيچي حاصل مي‌گردد. در اين الگو کنترل دقيق به منظور توزيع يکنواخت الياف روي مخزن مورد نياز است. در مخازن با آستر فلزي و مخازن تمام کامپوزيتي علاوه بر الياف پيچي محيطي از الياف پيچي مارپيچي استفاده مي‌شود. به اين دسته از مخازن کامپوزيتي که تنها با الياف پيچيده مي‌شوند، تمام پيچي مي‌گويند[6].
رشته‌پيچي قطبي
در اين الگو الياف از يک قطب به قطب ديگر پيچيده مي‌شود. در ميان سه الگوي ذکر شده، الياف پيچي مارپيچي کاربرد متنوع تري دارد و تقريبا براي هر قطر و طولي مي‌توان با تغيير پارامترها اين الگو را به کاربرد، حتي مي‌توان همه لوله‌هاي کامپوزيتي و مخازن تحت فشار را به وسيله الياف پيچي مارپيچي توليد کرد[6].
شماتيک الگوهاي پيچيش لوله‌ها و مخازن کامپوزيتي
الگوي پيچشيشماتيک الگوي پيچشيالياف پيچي محيطيالياف پيچي مارپيچيالياف پيچي قطبي
کمانش پوسته‌هاي کامپوزيتي
سازه‌هاي از نوع پوسته بصورت‌هاي مختلف مثل مخازن، بدنه هواپيما، بدنه زير دريايي و سقف‌ها مورد استفاده قرار مي‌گيرند. يک پوسته را مي‌توان به عنوان يک جسم جامد محصور بين دو سطح منحني تعريف کرد. فاصله بين اين دو سطح ضخامت پوسته است.
توسعه کاربرد اين سازه‌ها در زمينه‌هاي مختلف مطالعه دقيق‌تر رفتار مکانيکي آن‌ها را سبب شده است. يکي از مسايل مهم در رفتار مکانيکي پوسته‌ها، مبحث کمانش مي‌باشد. اگر به يک ساختمان پوسته‌اي نيروي فشاري وارد آيد و بتدريج بر مقدار اين نيرو افزوده گردد موقعي خواهد رسيد که به ازاي مقدار خاصي از نيرو در پوسته تغيير فرم هاي قابل ملاحظه‌اي پديد خواهد آمد و ساختمان پوسته‌اي حالت اوليه تعادل خود را از دست خواهد داد. اين وضعيت که کمانش پوسته ناميده مي‌شود از نقطه نظر عملي در طرح و آناليز پوسته ها حايز اهميت است. بررسي پايداري پوسته‌ها به علت دو خصوصيت فرم‌هاي پوسته‌اي قابل توجه است يکي آنکه نسبت ضخامت پوسته به ديگر ابعاد آن بسيار کم است و ديگر آنکه انواع سازه‌هاي پوسته‌اي تحت اثر نيروهايي قرار مي‌گيرند که اين نيروها در آن‌ها، ميدان تنش فشاري ايجاد مي‌کند به دو دليل فوق پوسته در معرض خطر کمانش قرار مي‌گيرد. البته در پوسته‌ها ايجاد کمانش هميشه مترادف با زوال و از بين رفتن ساختمان پوسته‌اي نيست و غالبا پوسته‌ها پس از کمانش هنوز هم قابليت تحمل بار را خواهند داشت ولي از نظر مهندسي معمولا ايجاد کمانش مقدمه اي براي زوال فرم پوسته بحساب مي آيد.
در آناليز استاتيکي سازه‌هاي کامل12 دو پديده‌اي که عمدتا کمانش ناميده مي‌شود عبارت است از کلپس13 دو نقطه ماکزيمم بار – تغيير مکان و کمانش دوگانگي14، اين دو نوع ناپايداري در شکل هاي (1-11) و (1-12) تشريح شده است.
استوانهاي که تحت بار فشاري محوري در شکل (1-11) نشان داده شده است تقريبا در طول مسير تعادل OA در شرايط متقارن محوري تغيير شکل مي‌دهد تا جائيکه به بار ماکزيمم يا حدي ?L در نقطه A برسد. در نقطه A بار قابل تحمل استوانه با افزايش تغيير مکآن‌ها کاهش مي‌يابد و سازه کمانش خواهد نمود. در اينجا دو مسير براي آن قابل پيش بيني است:
مسير OABC که طي آن رشد تغيير شکل‌هاي بزرگ حالت تقارن محوري حفظ مي‌شود.
مسير OABD که در ابتدا تغيير فرم متقارن رخ مي‌دهد ولي در نقطه B، فرم تغيير شکل به فرم نامتقارن تبديل مي‌شود.
در اين مسير، در بار کمانش يا نقطه دوگانگي روي مسير بار-تغيير مکان، تغيير فرم‌ها روي مسير جديدي با الگوي متفاوت با مسير طي شده شروع به رشد مي‌کند، تخريب سازه يا رشد نامحدود اين تغيير فرم در صورتي روي خواهد داد که شيب منحني بار تغيير مکان پس از نقطه دوگانگي مقداري منفي داشته باشد، در اين حالت بار وارده مستقل از مقادير تغيير مکان خواهد بود.
بار حدي در نقطه A روي مي‌دهد و کمانش دوگانگي در نقطه B حاصل مي‌گردد مسير OABC متناظر با تغيير شکل متقارن محوري سازه است و اصطلاحا مسير اوليه يا اساسي پيش کمانش ناميده مي‌شود مسير BD، مسير پس دوگانگي15 و متناظر با تغيير شکل نا متقارن مي‌باشد.
نمودار بار تغيير مکان محوري انتهاي استوانه با نقطه حدي A، نقطه دوگانگي B و مسير پس دوگانگي BD[5]
حالتي که معمولا در کمانش اتفاق مي افتد در شکل (1-12) نشان داده شده است که در آن نقطه B مابين A و O واقع شده است. در اين نقطه پيش از آنکه بارگذاري قطعه به بار ماکزيمم ?L برسد مود تغيير شکل‌هاي نامتقارن شروع شده و سازه فرو خواهد ريخت.
منحني هاي بار تغيير مکان، بيانگر نقاط حدي و دوگانگي[5]
بايد خاطر نشان کرد که کلمه کمانش براي اغلب اشخاص عادي تصور نوعي از شکست را در ذهن تداعي مي‌کند و تصاويري به ذهن خطور مي‌کند که حاکي از تغيير شکل‌هاي بزرگ مي‌باشد. از ديدگاه علمي مهندسي فاز جالب توجه پديده کمانش، عموما پيش از هنگامي است که تغيير شکل‌ها بزرگ شروع شده باشد. يعني در واقع هنگاميکه با چشم غير مسلح سازه بدون تغيير فرم و يا با تغيير فرم بسيار ملايم بنظر مي‌رسد.
از روش‌هاي قابل استفاده براي بررسي پايداري الاستيک مي‌توان به روش استاتيکي، نقصاني، انرژي، ارتعاشي و کيفيتي اشاره کرد. در روش استاتيکي مقادير ويژه بار بحراني (Pcrit) را تعيين مي‌کند. بار بحراني در اينجا باري است که به ازاي آن سيستم معادلات تعادل در يک موقعيت جابجا شده داراي حل‌هاي متعدد (بي نهايت) باشد. مقادير ويژه بدست آمده، طيف کامل بار بحراني را نشان مي‌دهند. براي مقاصد علمي کمترين مقدار ويژه مورد نياز مي‌باشد[5].
اهداف پژوهش
بررسي معايب ساخت در توليد لوله‌ها و مخازن هدف اصلي اين پژوهش مي‌باشد. اما بررسي رفتار کمانشي در لوله‌ها و مخازن با طول‌ها و قطرهاي متفاوت و همچنين بررسي کمانش غير خطي در مطالعه نمونه آزمايشگاهي از ديگر نکاتي است که در اين پايان نامه به آن‌ها پرداخته شده است. همچنين تعيين دقت محورها و اجزاي دستگاه رشته‌پيچي در اين پژوهش مورد بررسي قرار مي‌گيرد.
مروري بر منابع
مقدمه
در ساخت مخازن کامپوزيتي با فرآيند رشته‌پيچي، پارامترهاي متعددي براي بهينه‌سازي مخزن وجود دارد که از مهمترين آن‌ها ميتوان به هندسه مخزن و خصوصيات مکانيکي ماده اشاره کرد. هدف توليد يک مخزن بهينه، با ثابت نگهداشتن پارامترهاي هندسي و جنس ماده اوليه است از اين رو بايد به پارامترهايي مانند ضخامت و درصد حجمي الياف در هر لايه و همچنين زاويه ترتيب قرارگيري زوايا اشاره کرد. در ساخت مخازن با فرآيند رشته‌پيچي، پارامترهاي مذکور تحت خطاهايي قرار مي‌گيرند. در اين فصل، مروري بر تحقيقات انجام شده از پژوهشگران در رابطه با مهمترين پارامترهاي موثر بر آرايش لايه‌ها و تاثير آن‌ها بر رفتار کمانشي مخزن شده است.
اولين مطالعات انجام شده در زمينه کمانش پوسته‌ها به قرن نوزدهم ميلادي مربوط مي‌شود که به دليل عدم وجود يک فرمول بندي مشخص در پايداري، بطور قابل ملاحظه‌اي متفاوت بودند. لوي16 مساله پايداري حلقه دوار با پهناي واحد تحت فشار خارجي يکنواخت را بررسي کرد و رابطه (2-1) را براي فشار بحراني يک رينگ حلقوي را به صورت زير ارايه کرد[5] :
Pcrit = (E/4)×(t/a)3
(که در اين رابطه (t) ضخامت رينگ و (a) شعاع رينگ است.)
ميسز17 در بررسي تعيين فشار بحراني براي يک لوله که در دو انتها داراي تکيه گاه ساده است دريافت که فشار بحراني نه تنها تابع مدول الاستيسيته و نسبت ارتفاع به شعاع رينگ مي‌باشد بلکه تابع طول به شعاع رينگ نيز مي‌باشد[5].
در سال‌هاي اخير بيشترين کار صورت گرفته بر روي تحليل پوسته‌ها با روش‌هاي عددي بوده که در اين صورت ساده‌سازي معادلات داراي اهميت کمتر شده است با اين وجود ساده‌سازي نسبي معادلات براي بدست آوردن آزمون مقدماتي براي پايداري پوسته توصيه مي‌گردد.
پژوهش هاي انجام شده پيرامون کمانش پوسته هاي استوانه‌اي کامپوزيتي
مساگر و همکاران [10] به مطالعه‌اي عددي و تجربي بهينه سازي استوانه‌هاي جدار نازک کامپوزيتي تحت فشار خارجي با ضخامت و چيدمان مختلف در لايه‌ها پرداختند. آن‌ها با فرمول‌سازي و بهينه‌سازي مساله به کمک الگوريتم ژنتيک، هشت مخزن را با ضخامت‌هاي مختلف بررسي کردند و اختلاف بين حل عددي و تجربي آن‌ها در کمانش برابر 5 درصد و در شکست برابر 3 درصد بود. روش بهينه‌سازي استفاده شده در اين مطالعه، سبب افزايش 20 درصدي استحکام مخزن در برابر فشار بحراني کمانش شد.
تحقيقات آن‌ها بر روي چهار مخزن از جنس کربن اپوکسي و چهار مخزن از جنس شيشه اپوکسي در ضخامت‌هاي مختلف انجام شد که نتايج نشان مي‌دهد با افزايش تعداد لايه چيني‌ها، ضخامت مخزن افزايش مي‌يابد. همچنين ضخامت از پارامترهاي موثر در بار کمانشي محسوب مي‌شود که افزايش آن منجربه افزايش بار کمانشي مي‌شود که نتايج مطالعات آن‌ها در جداول (2-1) و (2-2) آورده شده است.
نتايج بدست آمده از تست مخزن کامپوزيتي کربن اپوکسي[10]
نمونه عدديتعداد لايهضخامتلايه چينيفشار کمانش ([?N/…/2?/1?])
(MPa)فشار کمانش
([N55])
(MPa)بهينه سازي (%)1102/6[90/60/305/60/902]5/222/145/582131/8[90/75/308/75/902]4/382/266/4631610[902/60/308/45/75/903]3/625/44404199/11[904/309/60/75/904]3/901/657/38نتايج بدست آمده از تست مخزن کامپوزيتي شيشه اپوکسي[10]
نمونه عدديتعداد لايهلايه چينيفشار کمانش ([?N/…/2?/1?])
(MPa)فشار کمانش
([N55])
(MPa)بهينه سازي (%)110[903/45/302/904]115/84/29213[90/45/307/60/903]4/195/152/25316[902/309/45/904]9/33281/21419[903/3010/60/905]5/522/438/20کيم و همکاران [11] تغييرات بار کمانش در سيلندر کامپوزيتي رشته‌پيچي شده جداره ضخيم تحت فشار هيدرواستاتيک خارجي را مطالعه کردند. آن‌ها هفت مخزن با ضخامت‌هاي يکسان و با تعداد لايه‌هاي مختلف را شبيه‌سازي کردند که نتايج بدست آمده در جدول (2-3) نشان مي‌دهد با افزايش تعداد لايه ها در ضخامت‌ ثابت 8 ميلي‌متر، رفتار مخزن در برابر فشار کمانشي، تغيير چنداني نداشت.
نتايج بدست آمده از کمانش در نرم‌افزار اجزاي محدود کمانش[11]
مشخصات مخزنفشار کمانش(MPa)خطاي اختلاف با تست (%)نمونه عدديضخامت لايه 30-/30+تعداد لايهمدل پوستهمدل ساليدخطا پوستهخطا ساليد1–98/586/51/393/3626/6133/435/47/02/133/3262/38/38/156/11465/1417/422/439/1583/0829/432/42/05/0641/01633/435/47/02/1721/03233/435/47/02/1نمونه آزمايشگاهي6/613/4-
بررسي رفتار کمانش از رابطه تغييرات افزايشي نيرو به تغييرات افزايشي جابجايي حاصل مي‌شود. آن‌ها طي يک نمونه آزمايشگاهي، اين رابطه را به شکل نمودار در شکل (2-1) نشان دادند که کرنش‌ها پس از فشار بحراني افزايش يافته‌اند. نمونه مطالعاتي در فشار 3/4 مگاپاسکال کمانش کرد و شبيه‌سازي‌ نمونه‌هاي 2 و 4 مطابقت قابل قبولي با نتايج تجربي داشتند. براي آزمون تجربي از تجهيزات آزمايشگاهي نشان داده شده در شکل (2-2) استفاده شد.
رابطه فشار و جابجايي[11]
تجهيزات آزمايشگاه[11]
ژانگ و همکاران [12] با روش هاي تئوري و تجربي، مطالعه اي بر کمانش پوسته‌هاي استوانه‌اي رشته‌پيچي شده انجام دادند. تحليل هاي عددي توسط روش‌هاي ASME Code 2007 و NASA SP8007 و نرم‌افزار انسيس انجام گرفت که با نتايج تجربي مقايسه شد. در استانداردهاي ASME Code 2007 و NASA SP8007 فشار بحراني با در نظر گرفتن ضريب ايمني طراحي شد. همانطور که نتايج پژوهش آن‌ها در جدول (4-2) نشان مي‌دهد سه مخزن مورد مطالعه در زواياي مختلف، فشارهاي کمانشي مختلفي را تحمل کرده‌اند. تغييرات زاويه موجب به تغييرات فشار کمانشي شده است. طبق بررسي اين محققان، زاويه 60 درجه نسبت به زواياي 45 و 30 درجه در برابر فشارهاي خارجي و کمانش استحکام بيشتري دارند.
نتايج مطالعه حل عددي و نمونه تجربي مخزن کربن اپوکسي[12]
فشار بحراني کمانش (MPa)شماره آزمايشلايه چينيتحليل خطي ANSYSتحليل غيرخطي ANSYSASME 2007NASA
SP-8007نمونه آزمايشگاهي1[90/30±]33/433/434/21/33/42[90/45±]58/561/514/27/46/53[90/60±]18/721/757/29/41/7
در شکل (2-3) نمودار نيرو جابجايي براي سه نمونه مطالعاتي توسط آزمون تجربي و نرم‌افزار اجزاي محدود نشان داده شده است. همانطور که در شکل (2-3- الف) مشاهده مي‌شود تغييرات نمودار فشار جابجايي در زاويه 30 درجه با يک کاهش فشار همراه است که در



قیمت: تومان


پاسخ دهید