2-2 پژوهش های انجام شده پیرامون کمانش پوسته های استوانه‌ای کامپوزیتی22
فصل 3: مراحل شبیه‌سازی37
3-1 مقدمه38
3-2 معرفی نرم‌افزار شیبه سازی38
3-3 تحلیل المان محدود مخزن کامپوزیتی در نرم‌افزار آباکوس39
3-3-1 ایجاد مدل هندسی قطعات در محیط ترسیم40
3-3-2 تعریف مشخصات ماده در محیط تعریف خواص ماده41
3-3-3 مونتاژ قطعات در محیط مونتاژ44
3-3-4 تعریف مراحل انجام تحلیل در محیط گام44
3-3-5 تعریف برهم کنش‌ها در محیط تماس44
3-3-6 تعریف بارگذاری و شرایط مرزی در محیط بارگذاری45
3-3-7 تحلیل المان بندی روی مخزن در محیط شبکه بندی45
3-3-8 تحلیل فرآیند در محیط تحلیل47
3-3-9 مشاهده نتایج تحلیل در محیط نتایج47
3-4 فرضیات پژوهش48
فصل 4: مراحل آزمایشگاهی49
4-1 مقدمه50
4-2 ساخت لوله و مخزن کامپوزیتی50
4-2-1 خصوصیات لوله کامپوزیتی51
4-2-2 خصوصیات مخزن کامپوزیتی51
4-3 تست فشار خارجی هیدرواستاتیک52
4-3-1 مخزن تحت فشار53
4-3-2 کپسول گاز ازت53

شما می توانید تکه های دیگری از این مطلب را با جستجو در همین سایت بخوانید

4-4 مراحل آزمایشگاهی54
4-5 جمع بندی57
فصل 5: نتایج58
5-1 مقدمه59
5-2 نتایج آزمون فشار خارجی هیدرواستاتیک59
5-2-1 بررسی کمانش در لوله کامپوزیتی60
5-2-2 بررسی کمانش در مخزن کامپوزیتی62
5-3 اثر خطای ساختی در مخزن مورد مطالعه با کمک شبیه‌سازی65
5-3-1 اثر خطای زاویه در کمانش مخزن کامپوزیتی66
5-3-2 اثر خطای درصد حجمی در کمانش مخزن کامپوزیتی66
5-4 اثر زاویه در کمانش مخازن کامپوزیتی67
5-5 اثر درصد حجمی بر کمانش مخازن کامپوزیتی68
5-6 اثر معایب ساخت در طول‌ها و قطرهای مختلف69
5-6-2 اثر خطای زاویه در کمانش مخازن 45± رشته‌پیچی شده70
5-6-3 اثر خطای زاویه در کمانش مخازن 60± رشته‌پیچی شده72
فصل 6: نتیجه گیری و پیشنهادات75
6-1 مقدمه76
6-2 نتیجه گیری76
6-3 پیشنهادات78
مراجع79
فهرست شکل ها
شکل (1-1) شکل‌های مختلف مواد مرکب[3]3
شکل (1-2) خصوصیات مکانیکی کامپوزیت و اجزای تشکیل دهنده آن[3]3
شکل (1-3) انواع آرایش تقویت کننده در کامپوزیت[3]. الف) تقویت کننده ذره ای ب) تقویت کننده با الیاف و ویسکرز ج) تقویت کننده با الیاف پیوسته4
شکل (1-4) طرح کلی از تولید یک مخزن کامپوزیتی6
شکل (1-5) دستگاه پیچش الیاف[6]7
شکل (1-6) انواع قطعات تولید شده با دستگاه پیچش الیاف[7]8
شکل (1-7) انواع بستر رزین الف) نوع غلتکی، ب) نوع غوطه‌وری[6]9
شکل (1-8) نمای شماتیک خطای دستگاه رشته‌پیچی با 5 درجه خطا11
شکل (1-9) بررسی خطای زاویه در حین فرآیند ساخت[7]11
شکل (1-10) خطای درصد حجمی در حین فرآیند ساخت[9]11
شکل (1-11) نمودار بار تغییر مکان محوری انتهای استوانه با نقطه حدی A، نقطه دوگانگی B و مسیر پس دوگانگی BD[5]15
شکل (1-12) منحنی های بار تغییر مکان، بیانگر نقاط حدی و دوگانگی[5]16
شکل (1-13) ساختار مطالعه بر روی لوله کامپوزیتی18
شکل (1-14) ساختار مطالعه بر روی مخزن کامپوزیتی19
شکل (2-1) رابطه فشار و جابجایی[11]24
شکل (2-2) تجهیزات آزمایشگاه[11]24
شکل (2-3) منحنی رابطه تغییرات نیرو به تغییرات جابجایی الف) مخزن [90/30±]، ب) مخزن [90/45±] و ج) مخزن [90/60±][12]26
شکل (2-4) رابطه زاویه و فشار بحرانی کمانش در تحلیل‌های عددی[12]26
شکل (2-5) لایه چینی مواد مرکب[13]27
شکل (2-6) اثر بارگذاری کمانشی در نمونه مطالعاتی وو مین (الف) در طول 30 میلی‌متر (ب) درطول 60 میلی‌متر[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 تغییرات بار به جابجایی الف) مخزن [90/30±]، ب) مخزن [90/45±] و ج) [90/60±][15]30
شکل (2-10) منحنی فشار کرنش الف) کرنش محوری ب) کرنش جانبی[16]31
شکل (2-11) مدل شبیه‌سازی و تجربی الف) مدل سازی کمانش ب) نمای ایزومتریک از کمانش پوسته کامپوزیتی ج) نمای روبرو از کمانش پوسته کامپوزیتی[16]31
شکل (2-12) اثر ضخامت بر تنشهای فشاری در لوله‌های رشته‌پیچی با زوایای (45±، 55± و 75±)[17]32
شکل (2-13) منحنی تنش کرنش لوله ]75±[ الف) تنش کرنش محوری ب) تنش کرنش جانبی[17]32
شکل (2-14) تغییرات نسبت بار کمانشی الف) ]0/45/45-/0[ ب) ]45/45-/45-/45[[18]33
شکل (2-15) منحنی تغییرات ضخامت بر فشار کمانش[20]34
شکل (2-16) مقایسه نتایج تعوری و تجربی الف) کرنش محوری ب) کرنش محیطی[21]34
شکل (2-17) مقایسه آنالیز کمانش خطی وغیر خطی برای یک سازه mm195[23]35
شکل (2-18) مقایسه نتایج بار کمانشی تجربی و شبیه‌سازی الف) برای شعاع های مختلف ب) برای طول های مختلف[23]36
شکل (3-1) مدل سه بعدی مخزن کامپوزیتی41
شکل (3-2) تعریف خصوصیات مکانیکی مواد کامپوزیتی در نرم‌افزار42
شکل (3-3) تعیین المان در مدل سازی مواد کامپوزیتی در نرم‌افزار42
شکل (3-4) زاویه چینی و تعیین خصوصیات هر لایه در مدل سازی مواد کامپوزیت در نرم‌افزار43
شکل (3-5) تعیین مختصات و قرارگیری زاویه‌ لایه‌های [54±]43
شکل (3-6) اعمال بارگذاری و شرایط مرزی در مدل45
شکل (3-7) همگرایی مش در لوله کامپوزیتی46
شکل (3-8) نتایج بدست آمده از شبیه‌سازی مخزن کامپوزیتی47
شکل (4-1) نمونه‌های مطالعاتی در این پژوهش الف) لوله کامپوزیتی ب) مخزن کامپوزیتی50
شکل (4-2) درپوش‌های ارتالون استفاده شده در لوله کامپوزیتی51
شکل (4-3) درپوش فلزی. الف) درپوش و واشر آب‌بندی ب) درپوش تقویت شده با شمش آهنی52
شکل (4-4) مخزن تست. الف) مخزن تست و شیر ورودی گاز ازت ب) فشار سنج و شیر خروجی گاز ازت53
شکل (4-5) کپسول گاز ازت54
شکل (4-6) قرار گیری لوله کامپوزیتی در مخزن تست55
شکل (4-7) نحوه قرار گیری مخزن کامپوزیتی در مخزن تست56
شکل (5-1) نمودار فشار جابجایی در لوله کامپوزیتی60
شکل (5-2) کمانش لوله کامپوزیتی پس از انجام آزمایش61
شکل (5-3) لوله کامپوزیتی تحت فشار خارجی هیدرواستاتیک61
شکل (5-4) لوله کامپوزیتی شبیه‌سازی شده با المان محدود62
شکل (5-5) نمودار فشار جابجایی در مخزن کامپوزیتی با استفاده از شبیه‌سازی63
شکل (5-6) کرنش‌های طولی و جانبی در مخزن کامپوزیتی به کمک شبیه‌سازی64
شکل (5-7) مخزن کامپوزیتی پس از آزمون فشار خارجی هیدرواستاتیک 3 مگاپاسکال64
شکل (5-8) مخزن کامپوزیتی بعد از اعمال فشار خارجی هیدرواستاتیک 3 مگاپاسکال65
شکل (5-9) مخزن کامپوزیتی تحت فشار خارجی هیدرواستاتیک 5 مگاپاسکال65
شکل (5-10) اثر خطای زاویه در نمودار فشار جابجایی به کمک نرم‌افزار شبیه‌سازی66
شکل (5-11) اثر خطای درصد حجمی در نمودار فشار جابجایی به کمک شبیه‌سازی67
شکل (5-12) اثر زاویه در فشار بحرانی کمانش68
شکل (5-13) اثر درصد حجمی بر کمانش مخازن کامپوزیتی به کمک شبیه‌سازی69

شکل (5-14) اثر خطای زاویه رشته‌پیچی در مخازن [30±] برحسب نسبت طول به قطر70
شکل (5-15) اثر خطای زاویه رشته‌پیچی در مخازن [30±] برحسب نسبت قطر به ضخامت70
شکل (5-16) اثر خطای زاویه رشته‌پیچی در مخازن [45±] برحسب نسبت طول به قطر71
شکل (5-17) اثر خطای زاویه رشته‌پیچی در مخازن [45±] برحسب نسبت قطر به ضخامت71
شکل (5-18) اثر خطای زاویه رشته‌پیچی در مخازن [60±] برحسب نسبت طول به قطر72
شکل (5-19) اثر خطای زاویه رشته‌پیچی [60±] برحسب نسبت قطر به ضخامت73
شکل (5-20) شبیه‌سازی مخازن کامپوزیتی الف) مخزن کامپوزیتی با لایه‌چینی [30±] بر حسب نسبت طول به قطر 4 و قطر به ضخامت 50 ب) مخزن کامپوزیتی با لایه‌چینی مخزن کامپوزیتی با لایه‌چینی [45±] بر حسب نسبت طول به قطر 4 و قطر به ضخامت 50 ج) مخزن کامپوزیتی با لایه‌چینی [60±] بر حسب نسبت طول به قطر 4 و قطر به ضخامت 5074
فهرست جدول ها
جدول (1-1) خواص الیاف شیشه و رزین اپوکسی [4]5
جدول (1-2) مزایا و معایب فرآیند رشته‌پیچی[6]8
جدول (1-3) شماتیک الگوهای پیچیش لوله‌ها و مخازن کامپوزیتی13
جدول (2-1) نتایج بدست آمده از تست مخزن کامپوزیتی کربن اپوکسی[10]22
جدول (2-2) نتایج بدست آمده از تست مخزن کامپوزیتی شیشه اپوکسی[10]23
جدول (2-3) نتایج بدست آمده از کمانش در نرم‌افزار اجزای محدود کمانش[11]23
جدول (2-4) نتایج مطالعه حل عددی و نمونه تجربی مخزن کربن اپوکسی[12]25
جدول (2-5) نتایج آزمون تجربی و کرنش سنج بر روی لایه چینی‌های مختلف[15]30
جدول (2-6) نتایج مطالعه لیو و همکارانش[24]36
جدول (4-1) خصوصیات مکانیکی لوله کامپوزیتی51
جدول (4-2) خصوصیات مکانیکی مخزن کامپوزیتی52
جدول (4-3) اعمال فشار سیال بر لوله کامپوزیتی55
جدول (4-4) اعمال فشار سیال بر مخزن کامپوزیتی56
جدول (5-1) نتایج آزمون تجربی و شبیه‌سازی اجزای محدود59
جدول (6-1) اثر خطای زاویه در نسبت طول به قطرهای (5/0 ، 1، 2، 4)77
جدول (6-2) اثر خطای زاویه در مخازن با نسبت قطر به ضخامت‌های (10، 15، 25، 50)77
مقدمه
مقدمه
لوله‌ها و مخازن کامپوزیتی از تولیدات مهم صنایع هوایی، دریایی و پالایشگاه‌ها محسوب می‌شوند و فرآیند رشته‌پیچی از مناسب‌ترین روش‌ها در تولید آن‌ها به شمار می‌آید. در قطعات ساخته شده به روش رشته‌پیچی، تحت بارگذاری‌های خارجی سبب کمانش شده که در تخریب و کاهش عمر سازه اثر گذار است. در این پایان نامه، مطالعه ای بر معایب ساخت دستگاه پیچش الیافی صورت گرفته که قادر به تولید مخازنی تا قطرهای 4 متر و طول‌های 12 متر می‌باشد. قسمت عمده این عیوب در فرآیند رشته‌پیچی بر روی دستگاه پیچش الیاف تمرکز دارد.
نگاهی به کامپوزیت‌ها
کامپوزیت1 به معنی ماده مرکب و مواد کامپوزیتی به معنی مواد مرکب می‌باشد. ماده مرکب از ترکیب چندین ماده با ویژگی ها و خصوصیات مختلف بوجود می‌آید. مطالعه تاریخ نشان می‌دهد که اولین بار ساخت مواد مرکب توسط بشر، در دوره پارسنگی2 می‌باشد و همچنین حدود 5000 سال قبل از میلاد مسیح در خاورمیانه از پلیمر برای قیراندود کردن قایق ها استفاده شده است. اما مهمترین تحولات در مواد مرکب بین سالهای 1847 تا 1946 اتفاق افتاد که دانشمندان مفهوم جدیدی از آن ارایه کردند[1].
تا قبل از ورود کامپوزیت به صنعت، فلزات و آلیاژهای آن‌ها مورد توجه صنایع فضایی و دریایی بودند اما امروزه بخش مهمی از این صنایع به آن‌ها وابسته ‌است. آلیاژ ها نمونه ای از مواد مرکب هستند منتها از ترکیب مواد در مقیاس میکروسکوپی بوجود می‌آیند، آلیاژهای فلزی در مقیاس ماکروسکوپی، بعنوان یک ماده هموژن فرض می‌شوند. مقیاس ماکروسکوپی یعنی هر کدام از مواد تشکیل دهنده ماده پس از ترکیب، با چشم غیر مسلح دیده می‌شوند. شکل (1-1) ترکیب تقویت کننده و زمینه را نشان می‌دهد[2].
در صنایع مکانیک ماده کامپوزیت به مفهوم ترکیب دو جزء تقویت کننده3 و زمینه4 می‌باشد. هر جزء متحمل وظیفه ای است که جزء اصلی یا تقویت کننده، وظیفه تحمل نیرو را دارد و در واقع خصوصیات اصلی کامپوزیت به این جزء وابسته است. جزء دیگر، زمینه نام دارد که پایه کامپوزیت است و وظیفه اصلی آن انتقال و تقسیم نیرو می‌باشد[2]. در شکل (1-2) خصوصیات مکانیکی الیاف و رزین و ترکیب این دو ماده را نشان می‌دهد.
شکل‌های مختلف مواد مرکب[3]
خصوصیات مکانیکی کامپوزیت و اجزای تشکیل دهنده آن[3]
از خصوصیات مواد مرکب می‌توان به توانایی در انتخاب جنس و اجزای تشکیل دهنده اشاره کرد. مواد کامپوزیتی علاوه بر خصوصیت مذکور توانایی تقویت ماده در جهت دلخواه را دارند از طرفی دیگر خصوصیات مکانیکی ماده تقویت کننده و زمینه در کامپوزیت‌ها، خصوصیات ویژه‌ای را در اختیار طراح می‌گذارد که عبارتند از:
نسبت استحکام به وزن بالاسختی متوسططول عمر زیادمقاوم در برابر حرارتمقاوم در برابر خوردگیمقاوم در برابر سایشطبیعتاً تمام این خصوصیات به صورت بهینه در یک ماده مرکب یافت نمی‌شود چرا که گاهاً بعضی از این خصوصیات اثراتی متقابل روی هم دارند. به هر حال بر اساس عملکرد یک سازه می‌توان خصوصیات را اولویت بندی و بهینه نمود[2].
تقویت کننده‌ها بر اساس جنس و ساختار ظاهری تقسیم بندی می‌شوند. تقویت کننده‌ها بر اساس جنس به شیشه، گرافیت و آرامید دسته بندی می‌شوند و بر اساس ساختار ظاهری به دو گروه که می‌توان به کامپوزیت های تقویت شده با الیاف5 و کامپوزیت‌های تقویت شده با ذرات6 اشاره کرد. زمینه هم بر اساس جنس و نوع عملکرد به دسته بندی های گوناگونی طبقه بندی شده است. یک نمونه از گروه‌بندی مواد کامپوزیت در شکل (1-3) نشان داده شده است.
(الف)
(ب)
(ج)انواع آرایش تقویت کننده در کامپوزیت[3]. الف) تقویت کننده ذره ای ب) تقویت کننده با الیاف و ویسکرز ج) تقویت کننده با الیاف پیوسته
در این پژوهش از الیاف شیشه پیوسته با زمینه اپوکسی استفاده شده است. از خصوصیات الیاف شیشه می‌توان به استحکام بالا، قیمت پایین، مقاومت شیمیایی بالا و خواص عایقی مناسب اشاره کرد. از معایب آن می‌توان به مدول الاستیک پایین، پیوند ضعیف به پلیمرها، وزن مخصوص بالا، حساسیت به سایش (که باعث کاهش استحکام کششی می‌شود) و مقاومت در برابر خستگی پایین اشاره نمود. الیاف شیشه انتخاب شده در این پژوهش از خانواده (E) انتخاب شده که این حرف معرف واژه الکتریکال به این دلیل ذکر می‌شود که این نوع الیاف برای کاربردهای الکتریکی طراحی شده است. البته مصارف دیگری مانند کاربردهای تزیینی و حتی سازه‌ای نیز دارد. با این وجود استحکام کششی مناسب الیاف شیشه باعث شده تا این الیاف در مخازن تحت فشار داخلی و خارجی، موشک و دیگر سازه‌ها نیز مورد استفاده قرار گیرد. ساخت الیاف شیشه معمولا از سنگ شیشه و الیاف توسط ذوب کردن سنگ شیشه با کنترل دقیق درجه حرارت حاصل می‌شود[4].
رزین اپوکسی نقش تقویت کننده را در نمونه‌های ساخته شده بر عهده دارد. رزین‌های اپوکسی، در دسته بندی زمینه های پلیمری قرار دارند که از سایر زمینه‌های پلیمری گران قیمت‌تر است ولی مشهورترین و پرکاربردترین نوع ماتریس‌ها در PMCها محسوب می‌شود. نزدیک به 70 درصد ماتریس‌های پلیمری مورد استفاده در صنایع هوافضا، از اپوکسی تشکیل شده‌اند. دلایل اصلی کاربرد فراوان این رزین‌ها در استحکام بالا، ویسکوزیته پایین، فراریت کم در طول فرآیند پخت7 و نرخ انقباض کم می‌باشد. از مزایای مهم آن‌ها نیز می‌توان به بهبود در خواص الکتریکی و شیمیایی اشاره کرد[4].
خواص الیاف شیشه و رزین اپوکسی [4]
خصوصیاتواحدالیاف شیشهرزین اپوکسیگرانش مخصوص8-54/228/1مدول یانگ9GPa4/7279/3استحکام کششی نهایی10MPa344772/82
پوسته‌های کامپوزیتی
در بیان پوسته های کامپوزیتی باید گفت که هر ماده ای که استحکام بالا و خصوصیت مناسبی در برابر تنش های کششی داشته باشد مورد توجه صنایع لوله سازی و مخازن قرار گرفته می‌گیرد. سازمان ASME طبق استانداردهای خاص لیستی از بهترین مواد با محدودیت دما و فشار را برای تولید لوله و مخازن تحت فشار ارایه کرد، که نام کامپوزیت‌ها در این لیست به چشم می‌خورد. پوسته‌های کامپوزیتی را می‌توان بر اساس جنس، ابعاد و فرم ظاهری طبقه بندی نمود و همچنین نسبت‌های بین طول، قطر و ضخامت در طبقه بندی آن موثر است.
امروزه یکی از کاربردهای مهم پوسته های کامپوزیتی، در تولید لوله و مخازن تحت فشار خارجی است. این لوله‌ها و مخازن علاوه بر فشار داخلی سیال در برابر فشارهای خارجی، استحکام خوبی دارند و می‌توان از آن‌ها در فشار خارجی بالا استفاده کرد. کاربرد لوله‌های کامپوزیتی در خطوط انتقال نفت از سکوها به پالایشگاه و کاربرد مخازن کامپوزیتی در صنایع دریایی و حمل نقل می‌باشد[5]. شکل (1-4) یک طرح کلی از تولید یک مخزن کامپوزیتی را نشان می‌دهد که عیوب ساخت در مراحل نصب و راه‌اندازی دستگاه و فرآیند رشته‌پیچی رخ می‌دهد.
طرح کلی از تولید یک مخزن کامپوزیتی
فرآیند رشته‌پیچی
امروزه دستگاه‌های پیچش الیاف، سرعت و دقت در تولید محصولات کامپوزیتی را افزایش داده‌اند. هر دستگاه پیچش الیاف دارای یک تعداد محور یا درجه آزادی مشخص است که هرچه تعداد این محورها بیشتر باشد، امکان تولید قطعات با شکل‌های پیچیده‌تر میسر خواهد شد. شکل (1-5) دستگاه پیچش الیاف را نشان می‌دهد. این فرآیند نه تنها برای اشکال متقارن تک محوری بلکه برای مقاطع منشوری و حتی اشکال پیچیده نیز استفاده می‌شود. شکل (1-6) نمونه‌ای از تولیدات دستگاه پیچش الیاف می‌باشد. رشته‌پیچی به دو صورت مرطوب و خشک انجام می‌شود که در ادامه توضیح داده می‌شود.
تعریف کامل تر از فرآیند رشته‌پیچی را اینگونه می‌توان مطرح کرد: پیچش الیاف به دور مندرل11 به صورت محیطی، مارپیچی، قطبی و طولی، که در هر بار چرخیدن، پوششی به اندازه ضخامت الیاف روی بدنه مندرل در جهت طولی ایجاد می‌شود. بعد از اتمام عمل پیچش الیاف، قطعه را جهت پخت در داخل کوره قرار می دهند.
دستگاه پیچش الیاف[6]
مندرل‌ها از فلزات، پلاستیک ها، سرامیک ها و یا ترکیبی از این مواد ساخته می‌شوند. سطح خارجی آن‌ها باید صاف و سخت باشد. همچنین مندرل تحت فشار ناشی از کشش الیاف، نباید خراب شود یا تغییر فرم دهد. مندرل‌ها به دو قسمت جدا شونده و جدا نشونده تقسیم می‌شوند. در مندرل‌های جدا نشونده، مانند مخازن استوانهای، مندرل به عنوان یک لایه آب بندی عمل می‌کند. هدایت کننده‌های الیاف وظیفه کنترل نیروی کششی و نظم دهی به الیاف را به هنگام پیچیده شدن به دور مندرل دارند. بستر رزین قسمتی مهم در دستگاه پیچش الیاف است. در این بخش میزان ترکیب یک کامپوزیت تعیین می‌شود. درشکل (1-7) نمونه‌هایی از بستر رزین نشان داده شده است.
انواع قطعات تولید شده با دستگاه پیچش الیاف[7]
رشته‌پیچی به دو صورت مرطوب و خشک انجام می‌شود که هرکدام خصوصیات مربوط به خود را دارند. دستگاه‌های رشته‌پیچی شامل دو نوع افقی و عمودی هستند که بسته به نوع فرآیند تولید، انتخاب می‌شوند. بارزترین مزایا و معایب فرآیند رشته‌پیچی در جدول (1-2) آورده شده است.
مزایا و معایب فرآیند رشته‌پیچی[6]
مزیت هامحدودیت هاتولید مخازن یکپارچه و بدون درزتولید قطعات با شکل های محدبتوجیه اقتصادی در تولیدات بالاالیاف نمی‌تواند به راحتی در جهت طولی قطعه خوابانده شود.رزین اضافی در سازه داخل نمی‌شودهزینه مندرل برای قطعات بزرگ بالاست.بخاطر استفاده از رشته های زیاد الیاف، هزینه پارچه بافی اولیه حذف می‌شودسطح خارجی، صافی سطح مناسبی ندارد.
رشته‌پیچی مرطوب
در روش پیچش مرطوب یا اصطلاحا تر پیچی، الیاف قبل از پیچیده شدن روی مندرل با عبور از یک بستر رزین، ابتدا به رزین آغشته می‌شود و بعد بر روی مندرل پیچیده می‌شود. مزیت این روش، هزینه کم نسبت به روش خشک پیچی است. مزیت دیگر این روش، کاهش حباب هوا در لایه‌های مخزن است. رزین مرطوب، حباب‌های هوا را به سمت بیرون سازه هدایت می‌کند. معایب این روش کند بودن فرآیند، عدم کنترل دقیق بر روی توزیع رزین و اتلاف آن می‌باشد. کند بودن فرآیند به این علت است که در هنگام خیس خوردن الیاف، رزین باید کاملا به داخل الیاف نفوذ کند. زیرا هر دو تاری که بین آن‌ها رزین نباشد، محلی برای شروع شکست سازه می‌باشد. اتلاف رزین هم به دو صورت انجام می‌گیرد. الیافی که از داخل حمام بیرون می‌آید خیس است و ممکن است رزین از آن‌ها بچکد. همچنین در پایان فرآیند رزین باقیمانده در ظرف خشک شده و غیر قابل استفاده می‌گردد. برای خیساندن الیاف با رزین، دو روش غوطه‌وری و غلتکی وجود دارد. در روش غوطه وری، الیاف از زیر قرقره هایی در داخل بستر رزین رد می‌شود، در روش غلتکی یک قرقره از زیر، رزین را با خودش بالا می آورد و الیاف را خیس می کند. در این روش رزین کمتری به الیاف می خورد و همچنین الیاف در حین خیس خوردن دچار خمش زیاد نمی‌شود[6].
(الف)
(ب)انواع بستر رزین الف) نوع غلتکی، ب) نوع غوطه‌وری[6]
رشته‌پیچی خشک
در روش خشک پیچی از الیافی استفاده می‌شود که قبلا به طور کامل با رزین خیس خورده و اشباع شده‌است. این الیاف از پیش آماده شده را مستقیم بر روی مندرل می پیچیند. البته لازم است که مندرل تا حدودی گرم شود. مزایای این روش سرعت زیاد و کنترل میزان رزین می‌باشد. معایب این روش گران بودن آن، به دلیل پر هزینه بودن مواد اولیه و همچنین مشکلات مربوط به مدت زمان مجاز نگهداری الیاف می‌باشد.
خطاهای ساختی
در طول فرآیند تولید لوله‌ها و مخازن کامپوزیتی، عیوبی رخ می‌دهد که این عیوب از مراحل ابتدایی ساخت الیاف و رزین تا مرحله نهایی پختن کامپوزیت اتفاق می‌افتد. از جمله عیوبی که دیده شده، می‌توان به خطای دستگاه پیچش الیاف اشاره کرد.
دستگاه های رشته‌پیچی به دو شیوه کار می‌کنند. در شیوه اول مندرل ثابت بوده و الیاف با پیچش حول مندرل، بر روی آن پیچیده می‌شود. در شیوه دوم الیاف ثابت بوده و با چرخش مندرل، الیاف به دور آن پیچیده می‌شود[6].
همچنین در فرآیند رشته‌پیچی، تقویت کننده بسته به نوع آرایش و شکل ظاهری، تحت یک زاویه مشخص به دور مندرل پیچیده می‌شود. بعلت وجود خطای اپراتور و خطای دستگاه، زاویه مشخص شده نیز با خطا همراه می‌شود. تغییرات زاویه سبب تغییرات در خصوصیات رفتاری ماده می‌شود. این تغییرات رفتار ماده را در فشارهای خارجی تحت تاثیر قرار می‌دهد. درصد نسبت تقویت کننده به زمینه را درصد حجمی تقویت کننده می‌گویند[8]. در فرآیندهای تر پیچی، درصد حجمی با خطا همراه است. این خطا نیز در خصوصیات و رفتار مواد اثر گذار است.
شکل (1-8) شماتیک خطای زاویه رشته‌پیچی را نشان می‌دهد. در این پژوهش از یک دستگاه رشته‌پیچی برای تولید لوله و مخزن کامپوزیتی استفاده شد که قابلیت تولید لوله و مخازن تاقطر 4 متر و طول‌های 12متر را دارد. جابجایی محورهای این دستگاه توسط سرعت پیشروی تعیین می‌شود و جابجایی‌ها مستقل از سرعت پیشروی نیستند از اینرو تولید مخزن با زاویه مورد نظر طراح با خطا همراه است.
نمای شماتیک خطای دستگاه رشته‌پیچی با 5 درجه خطا
در شکل (1-9) نمونه ای از خطای زاویه را در مقیاس صنعتی نشان داده است. همچنین در شکل (1-10) نمونه‌ای از خطای درصد حجمی را نشان می‌دهد که توزیع رزین توسط اپراتور صورت می‌گیرد که توزیع یکنواخت آن برای اپراتور میسر نیست.
بررسی خطای زاویه در حین فرآیند ساخت[7]
خطای درصد حجمی در حین فرآیند ساخت[9]
الگوهای رشته‌پیچی
در توسعه ساختارهایی با کارایی بالا، الیاف به صورت سه الگوی پایه ای روی مخزن پیچیده می‌شود. این الگوها، شامل رشته‌پیچی محیطی، مارپیچی و قطبی می‌باشد. الیاف پیچی محیطی مستلزم روش ها و تکنیک های پیچیده نمی‌باشد. انواع الگوهای رشته‌پیچی در جدول (1-3) نشان داده شده است.
رشته‌پیچی محیطی
این نوع الیاف پیچی تحت عنوان پیچش کمر پیچ شناخته می‌شود و در حقیقت پیچش حلقوی مانند مارپیچی، که زاویه 90 درجه با محور طولی مخزن پیدا می‌کند. الیاف پیچی محیطی صرفا توانایی استحکام در برابر تنش های محیطی را دارا می‌باشد. در مخازنی که یک مندرل آن‌ها یک آستر فلزی است از این نوع الیاف پیچی استفاده می‌شود[6].
رشته‌پیچی مارپیچی
برای تولید بخش‌هایی که توان خوبی در برابر نیروهای طولی داشته باشند باید مواد در جهت طولی نیز روی مخزن قرار گیرند. در این نوع رشته‌پیچی، مندرل با سرعت ثابتی می‌چرخد و الیاف با حرکات رفت و برگشتی رو مندرل پیچیده می‌شود و حرکت الیاف با سرعتی انجام می‌شود که زوایای دلخواه مارپیچی حاصل می‌گردد. در این الگو کنترل دقیق به منظور توزیع یکنواخت الیاف روی مخزن مورد نیاز است. در مخازن با آستر فلزی و مخازن تمام کامپوزیتی علاوه بر الیاف پیچی محیطی از الیاف پیچی مارپیچی استفاده می‌شود. به این دسته از مخازن کامپوزیتی که تنها با الیاف پیچیده می‌شوند، تمام پیچی می‌گویند[6].
رشته‌پیچی قطبی
در این الگو الیاف از یک قطب به قطب دیگر پیچیده می‌شود. در میان سه الگوی ذکر شده، الیاف پیچی مارپیچی کاربرد متنوع تری دارد و تقریبا برای هر قطر و طولی می‌توان با تغییر پارامترها این الگو را به کاربرد، حتی می‌توان همه لوله‌های کامپوزیتی و مخازن تحت فشار را به وسیله الیاف پیچی مارپیچی تولید کرد[6].
شماتیک الگوهای پیچیش لوله‌ها و مخازن کامپوزیتی
الگوی پیچشیشماتیک الگوی پیچشیالیاف پیچی محیطیالیاف پیچی مارپیچیالیاف پیچی قطبی
کمانش پوسته‌های کامپوزیتی
سازه‌های از نوع پوسته بصورت‌های مختلف مثل مخازن، بدنه هواپیما، بدنه زیر دریایی و سقف‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرند. یک پوسته را می‌توان به عنوان یک جسم جامد محصور بین دو سطح منحنی تعریف کرد. فاصله بین این دو سطح ضخامت پوسته است.
توسعه کاربرد این سازه‌ها در زمینه‌های مختلف مطالعه دقیق‌تر رفتار مکانیکی آن‌ها را سبب شده است. یکی از مسایل مهم در رفتار مکانیکی پوسته‌ها، مبحث کمانش می‌باشد. اگر به یک ساختمان پوسته‌ای نیروی فشاری وارد آید و بتدریج بر مقدار این نیرو افزوده گردد موقعی خواهد رسید که به ازای مقدار خاصی از نیرو در پوسته تغییر فرم های قابل ملاحظه‌ای پدید خواهد آمد و ساختمان پوسته‌ای حالت اولیه تعادل خود را از دست خواهد داد. این وضعیت که کمانش پوسته نامیده می‌شود از نقطه نظر عملی در طرح و آنالیز پوسته ها حایز اهمیت است. بررسی پایداری پوسته‌ها به علت دو خصوصیت فرم‌های پوسته‌ای قابل توجه است یکی آنکه نسبت ضخامت پوسته به دیگر ابعاد آن بسیار کم است و دیگر آنکه انواع سازه‌های پوسته‌ای تحت اثر نیروهایی قرار می‌گیرند که این نیروها در آن‌ها، میدان تنش فشاری ایجاد می‌کند به دو دلیل فوق پوسته در معرض خطر کمانش قرار می‌گیرد. البته در پوسته‌ها ایجاد کمانش همیشه مترادف با زوال و از بین رفتن ساختمان پوسته‌ای نیست و غالبا پوسته‌ها پس از کمانش هنوز هم قابلیت تحمل بار را خواهند داشت ولی از نظر مهندسی معمولا ایجاد کمانش مقدمه ای برای زوال فرم پوسته بحساب می آید.
در آنالیز استاتیکی سازه‌های کامل12 دو پدیده‌ای که عمدتا کمانش نامیده می‌شود عبارت است از کلپس13 دو نقطه ماکزیمم بار – تغییر مکان و کمانش دوگانگی14، این دو نوع ناپایداری در شکل های (1-11) و (1-12) تشریح شده است.
استوانهای که تحت بار فشاری محوری در شکل (1-11) نشان داده شده است تقریبا در طول مسیر تعادل OA در شرایط متقارن محوری تغییر شکل می‌دهد تا جائیکه به بار ماکزیمم یا حدی ʎL در نقطه A برسد. در نقطه A بار قابل تحمل استوانه با افزایش تغییر مکآن‌ها کاهش می‌یابد و سازه کمانش خواهد نمود. در اینجا دو مسیر برای آن قابل پیش بینی است:
مسیر OABC که طی آن رشد تغییر شکل‌های بزرگ حالت تقارن محوری حفظ می‌شود.
مسیر OABD که در ابتدا تغییر فرم متقارن رخ می‌دهد ولی در نقطه B، فرم تغییر شکل به فرم نامتقارن تبدیل می‌شود.
در این مسیر، در بار کمانش یا نقطه دوگانگی روی مسیر بار-تغییر مکان، تغییر فرم‌ها روی مسیر جدیدی با الگوی متفاوت با مسیر طی شده شروع به رشد می‌کند، تخریب سازه یا رشد نامحدود این تغییر فرم در صورتی روی خواهد داد که شیب منحنی بار تغییر مکان پس از نقطه دوگانگی مقداری منفی داشته باشد، در این حالت بار وارده مستقل از مقادیر تغییر مکان خواهد بود.
بار حدی در نقطه A روی می‌دهد و کمانش دوگانگی در نقطه B حاصل می‌گردد مسیر OABC متناظر با تغییر شکل متقارن محوری سازه است و اصطلاحا مسیر اولیه یا اساسی پیش کمانش نامیده می‌شود مسیر BD، مسیر پس دوگانگی15 و متناظر با تغییر شکل نا متقارن می‌باشد.
نمودار بار تغییر مکان محوری انتهای استوانه با نقطه حدی A، نقطه دوگانگی B و مسیر پس دوگانگی BD[5]
حالتی که معمولا در کمانش اتفاق می افتد در شکل (1-12) نشان داده شده است که در آن نقطه B مابین A و O واقع شده است. در این نقطه پیش از آنکه بارگذاری قطعه به بار ماکزیمم ʎL برسد مود تغییر شکل‌های نامتقارن شروع شده و سازه فرو خواهد ریخت.
منحنی های بار تغییر مکان، بیانگر نقاط حدی و دوگانگی[5]
باید خاطر نشان کرد که کلمه کمانش برای اغلب اشخاص عادی تصور نوعی از شکست را در ذهن تداعی می‌کند و تصاویری به ذهن خطور می‌کند که حاکی از تغییر شکل‌های بزرگ می‌باشد. از دیدگاه علمی مهندسی فاز جالب توجه پدیده کمانش، عموما پیش از هنگامی است که تغییر شکل‌ها بزرگ شروع شده باشد. یعنی در واقع هنگامیکه با چشم غیر مسلح سازه بدون تغییر فرم و یا با تغییر فرم بسیار ملایم بنظر می‌رسد.
از روش‌های قابل استفاده برای بررسی پایداری الاستیک می‌توان به روش استاتیکی، نقصانی، انرژی، ارتعاشی و کیفیتی اشاره کرد. در روش استاتیکی مقادیر ویژه بار بحرانی (Pcrit) را تعیین می‌کند. بار بحرانی در اینجا باری است که به ازای آن سیستم معادلات تعادل در یک موقعیت جابجا شده دارای حل‌های متعدد (بی نهایت) باشد. مقادیر ویژه بدست آمده، طیف کامل بار بحرانی را نشان می‌دهند. برای مقاصد علمی کمترین مقدار ویژه مورد نیاز می‌باشد[5].
اهداف پژوهش
بررسی معایب ساخت در تولید لوله‌ها و مخازن هدف اصلی این پژوهش می‌باشد. اما بررسی رفتار کمانشی در لوله‌ها و مخازن با طول‌ها و قطرهای متفاوت و همچنین بررسی کمانش غیر خطی در مطالعه نمونه آزمایشگاهی از دیگر نکاتی است که در این پایان نامه به آن‌ها پرداخته شده است. همچنین تعیین دقت محورها و اجزای دستگاه رشته‌پیچی در این پژوهش مورد بررسی قرار می‌گیرد.
مروری بر منابع
مقدمه
در ساخت مخازن کامپوزیتی با فرآیند رشته‌پیچی، پارامترهای متعددی برای بهینه‌سازی مخزن وجود دارد که از مهمترین آن‌ها میتوان به هندسه مخزن و خصوصیات مکانیکی ماده اشاره کرد. هدف تولید یک مخزن بهینه، با ثابت نگهداشتن پارامترهای هندسی و جنس ماده اولیه است از این رو باید به پارامترهایی مانند ضخامت و درصد حجمی الیاف در هر لایه و همچنین زاویه ترتیب قرارگیری زوایا اشاره کرد. در ساخت مخازن با فرآیند رشته‌پیچی، پارامترهای مذکور تحت خطاهایی قرار می‌گیرند. در این فصل، مروری بر تحقیقات انجام شده از پژوهشگران در رابطه با مهمترین پارامترهای موثر بر آرایش لایه‌ها و تاثیر آن‌ها بر رفتار کمانشی مخزن شده است.
اولین مطالعات انجام شده در زمینه کمانش پوسته‌ها به قرن نوزدهم میلادی مربوط می‌شود که به دلیل عدم وجود یک فرمول بندی مشخص در پایداری، بطور قابل ملاحظه‌ای متفاوت بودند. لوی16 مساله پایداری حلقه دوار با پهنای واحد تحت فشار خارجی یکنواخت را بررسی کرد و رابطه (2-1) را برای فشار بحرانی یک رینگ حلقوی را به صورت زیر ارایه کرد[5] :
Pcrit = (E/4)×(t/a)3
(که در این رابطه (t) ضخامت رینگ و (a) شعاع رینگ است.)
میسز17 در بررسی تعیین فشار بحرانی برای یک لوله که در دو انتها دارای تکیه گاه ساده است دریافت که فشار بحرانی نه تنها تابع مدول الاستیسیته و نسبت ارتفاع به شعاع رینگ می‌باشد بلکه تابع طول به شعاع رینگ نیز می‌باشد[5].
در سال‌های اخیر بیشترین کار صورت گرفته بر روی تحلیل پوسته‌ها با روش‌های عددی بوده که در این صورت ساده‌سازی معادلات دارای اهمیت کمتر شده است با این وجود ساده‌سازی نسبی معادلات برای بدست آوردن آزمون مقدماتی برای پایداری پوسته توصیه می‌گردد.
پژوهش های انجام شده پیرامون کمانش پوسته های استوانه‌ای کامپوزیتی

در این سایت فقط تکه هایی از این مطلب(به صورت کاملا تصادفی و به صورت نمونه) با شماره بندی انتهای صفحه درج می شود که ممکن است هنگام انتقال از فایل ورد به داخل سایت کلمات به هم بریزد یا شکل ها درج نشود-این مطالب صرفا برای دمو می باشد

ولی برای دانلود فایل اصلی با فرمت ورد حاوی تمامی قسمت ها با منابع کامل

اینجا کلیک کنید

مساگر و همکاران [10] به مطالعه‌ای عددی و تجربی بهینه سازی استوانه‌های جدار نازک کامپوزیتی تحت فشار خارجی با ضخامت و چیدمان مختلف در لایه‌ها پرداختند. آن‌ها با فرمول‌سازی و بهینه‌سازی مساله به کمک الگوریتم ژنتیک، هشت مخزن را با ضخامت‌های مختلف بررسی کردند و اختلاف بین حل عددی و تجربی آن‌ها در کمانش برابر 5 درصد و در شکست برابر 3 درصد بود. روش بهینه‌سازی استفاده شده در این مطالعه، سبب افزایش 20 درصدی استحکام مخزن در برابر فشار بحرانی کمانش شد.
تحقیقات آن‌ها بر روی چهار مخزن از جنس کربن اپوکسی و چهار مخزن از جنس شیشه اپوکسی در ضخامت‌های مختلف انجام شد که نتایج نشان می‌دهد با افزایش تعداد لایه چینی‌ها، ضخامت مخزن افزایش می‌یابد. همچنین ضخامت از پارامترهای موثر در بار کمانشی محسوب می‌شود که افزایش آن منجربه افزایش بار کمانشی می‌شود که نتایج مطالعات آن‌ها در جداول (2-1) و (2-2) آورده شده است.
نتایج بدست آمده از تست مخزن کامپوزیتی کربن اپوکسی[10]
نمونه عددیتعداد لایهضخامتلایه چینیفشار کمانش ([فN/…/22/11])
(MPa)فشار کمانش
([N55])
(MPa)بهینه سازی (%)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]3/901/657/38نتایج بدست آمده از تست مخزن کامپوزیتی شیشه اپوکسی[10]
نمونه عددیتعداد لایهلایه چینیفشار کمانش ([فN/…/22/11])
(MPa)فشار کمانش
([N55])
(MPa)بهینه سازی (%)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]5/522/438/20کیم و همکاران [11] تغییرات بار کمانش در سیلندر کامپوزیتی رشته‌پیچی شده جداره ضخیم تحت فشار هیدرواستاتیک خارجی را مطالعه کردند. آن‌ها هفت مخزن با ضخامت‌های یکسان و با تعداد لایه‌های مختلف را شبیه‌سازی کردند که نتایج بدست آمده در جدول (2-3) نشان می‌دهد با افزایش تعداد لایه ها در ضخامت‌ ثابت 8 میلی‌متر، رفتار مخزن در برابر فشار کمانشی، تغییر چندانی نداشت.
نتایج بدست آمده از کمانش در نرم‌افزار اجزای محدود کمانش[11]
مشخصات مخزنفشار کمانش(MPa)خطای اختلاف با تست (%)نمونه عددیضخامت لایه 30-/30+تعداد لایهمدل پوستهمدل سالیدخطا پوستهخطا سالید1–98/586/51/393/3626/6133/435/47/02/133/3262/38/38/156/11465/1417/422/439/1583/0829/432/42/05/0641/01633/435/47/02/1721/03233/435/47/02/1نمونه آزمایشگاهی6/613/4-
بررسی رفتار کمانش از رابطه تغییرات افزایشی نیرو به تغییرات افزایشی جابجایی حاصل می‌شود. آن‌ها طی یک نمونه آزمایشگاهی، این رابطه را به شکل نمودار در شکل (2-1) نشان دادند که کرنش‌ها پس از فشار بحرانی افزایش یافته‌اند. نمونه مطالعاتی در فشار 3/4 مگاپاسکال کمانش کرد و شبیه‌سازی‌ نمونه‌های 2 و 4 مطابقت قابل قبولی با نتایج تجربی داشتند. برای آزمون تجربی از تجهیزات آزمایشگاهی نشان داده شده در شکل (2-2) استفاده شد.
رابطه فشار و جابجایی[11]
تجهیزات آزمایشگاه[11]
ژانگ و همکاران [12] با روش های تئوری و تجربی، مطالعه ای بر کمانش پوسته‌های استوانه‌ای رشته‌پیچی شده انجام دادند. تحلیل های عددی توسط روش‌های ASME Code 2007 و NASA SP8007 و نرم‌افزار انسیس انجام گرفت که با نتایج تجربی مقایسه شد. در استانداردهای ASME Code 2007 و NASA SP8007 فشار بحرانی با در نظر گرفتن ضریب ایمنی طراحی شد. همانطور که نتایج پژوهش آن‌ها در جدول (4-2) نشان می‌دهد سه مخزن مورد مطالعه در زوایای مختلف، فشارهای کمانشی مختلفی را تحمل کرده‌اند. تغییرات زاویه موجب به تغییرات فشار کمانشی شده است. طبق بررسی این محققان، زاویه 60 درجه نسبت به زوایای 45 و 30 درجه در برابر فشارهای خارجی و کمانش استحکام بیشتری دارند.
نتایج مطالعه حل عددی و نمونه تجربی مخزن کربن اپوکسی[12]
فشار بحرانی کمانش (MPa)شماره آزمایشلایه چینیتحلیل خطی ANSYSتحلیل غیرخطی ANSYSASME 2007NASA
SP-8007نمونه آزمایشگاهی1[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 نیرو جابجایی برای سه نمونه مطالعاتی توسط آزمون تجربی و نرم‌افزار اجزای محدود نشان داده شده است. همانطور که در شکل (2-3- الف) مشاهده می‌شود تغییرات نمودار فشار جابجایی در زاویه 30 درجه با یک کاهش فشار همراه است که در نمونه‌های 45 و 60 درجه رخ نمی‌دهد. این کاهش فشار به میزان 7 درصد کمتر از فشار بحرانی کمانش می‌شود. در شکل‌های (2-3- ب) و (2-3- ج) که تحت زوایای 45 و 60 درجه می‌باشد تغییرات فشار جابجایی نشان داده که در مخزن 60 درجه در فشار کمانشی 1/7 مگاپاسکال تغییرات جابجایی با دو نمونه دیگر اختلاف چندانی ندارد. بنابراین رفتار ماده کامپوزیت کربن اپوکسی در زاویه 60 درجه به گونه‌ای است که در برابر کمانش استحکام بیشتری دارد.
(الف)
(ب)

دسته بندی : پایان نامه

پاسخ دهید