چکیده

در این تحقیق پاسخ دینامیکی ورق یکسرگیردار کامپوزیتی لایه فلزی (FMLs) که تحت ضربه با جرم بزرگ قرار گرفته است، مورد بررسی واقع گردید. جهت بدست آوردن اولین فرکانس طبیعی ورق کامپوزیتی که مورد استفاده در روابط ضربه میباشد، طبق سایر شرایط مرزی ورقها از سریهای فوریه استفاده گردید. ثابت شد بهرهگیری از سریهای فوریه صرفاً برای ورقهای یکسرگیردار منتج به جواب صحیح نخواهد بود. ورقهای آلومینیوم به عنوان لایههای فلزی، جایگزین بعضی از لایههای کامپوزیتی شد. رفتار متقابل بین ضربهزننده با ورقهای کامپوزیتی متداول و ورقهای کامپوزیتی با لایه فلزی در آنالیز ضربه مطالعه گردید. این رفتار متقابل به کمک سیستم دو درجه آزادی جرم- فنر مدلسازی شد. جهت درستی تحقیق انجام شده از نرمافزار المان محدود ABAQUS استفاده شد. نتایج نشان داد که پارامترهای جرم و سرعت ضربهزننده در یک مقدار انرژی جنبشی ثابت، جرم ورق (هدف)، زاویه چیدمان الیاف ورق کامپوزیتی و فرکانس ورق یکسرگیردار کامپوزیتی و یکسرگیردار کامپوزیتی با لایه فلزی عوامل مهم و تأثیرگذار در پدیده ضربه و طراحی سازهها میباشند.

کلمات کلیدی: ضربه، ورق کامپوزیتی با لایه فلزی (FMLs)، مدل جرم-  فنر، فرکانس، ورق یکسرگیردار.

فهرست مطالب

عنوان                                                                                                      صفحه

فصل اول : مروری بر کامپوزیتها 

1-1-  مقدمه………………………………………………………………………………………………………………………………………..2

1-2-  تاریخچه کامپوزیت……………………………………………………………………………………………………………………2

1-3-  کاربرد کامپوزیت……………………………………………………………………………………………………………………….4

1-4-  ساختار مواد مرکب……………………………………………………………………………………………………………………5

4-1- طبقه بندی مواد مرکب………………………………………………………………………………………………….7

1-4-1-1- مواد مرکب ذره ای……………………………………………………………………………………………….8

1-4-1-2- مواد مرکب لیفی………………………………………………………………………………………………….8

1-2-1- پوسته تک لایه…………………………………………………………………………………………..8

1-4- 1-2-2- پوسته چند لایه…………………………………………………………………………………………10

1-2-3- صفحات مختلط (هیبرید) ………………………………………………………………………..10

آشنایی با مواد مرکب پیشرفته

الیاف کربن…………………………………………………………………………………………………………………….11

1-5-1- 1- تولید الیاف کربن…………………………………………………………………………………………………11

1-5-1- 2- خواص الیاف کربن………………………………………………………………………………………………12

3- کاربردهای الیاف کربن………………………………………………………………………………………..12

ماتریس های پلیمری……………………………………………………………………………………………………13

مواد ماتریس…………………………………………………………………………………………………………13

انواع ماتریس…………………………………………………………………………………………………………14

رزین اپوکسی………………………………………………………………………………………………………..14

2-3-1- خصوصیات ویژه رزین اپوکسی…………………………………………………………………14

1-5- 2-3-2- کاربردهای رزین اپوکسی………………………………………………………………………….15

1-5-3- مواد مرکب پیشرفته FMLs……………………………………………….ا…………………………………………17

1-5-3-1-  کاربرد ورقهای FMLs در صنایع مختلف……………………………………………………………..19

فصل دوم : پیشینه تحقیقات انجام شده 

مقدمه………………………………………………………………………………………………………………………………………22

پیشینه تحقیقات……………………………………………………………………………………………………………………..22

فصل سوم : رفتار مکانیکی کامپوزیتها و آنالیز ضربه 

مقدمه………………………………………………………………………………………………………………………………………34

رفتار مکانیکی اجسام تک لایه……………………………………………………………………………………………….34

رفتار مواد مرکب چند لایه……………………………………………………………………………………………………..40

آنالیز ضربه………………………………………………………………………………………………………………………………46

3-4- 1- فرکانسهای طبیعی ورق کامپوزیتی……………………………………………………………………………46

3-4- 2- ضربه بر روی ورق یکسرگیردار ……………………………………………………………………………………51

فصل چهارم : نتایج و بحث 

مقدمه……………………………………………………………………………………………………………………………………..57

نتایج بررسی فرکانسهای طبیعی………………………………………………………………………………………….57

4-2- 1- تأثیر  Aspect Ratio (a/b) ورق بر فرکانسهای طبیعی……………………………………………66

4-2- 2- تأثیر نسبت طول به ضخامت ورق (a/h) بر فرکانسهای طبیعی……………………………….71

4-2- 3- تأثیر زاویه الیاف لایهها در ورق بر فرکانسهای طبیعی………………………………………………76

4- تأثیر میزان تغییر a و h در صورت ثابت بودن (a/h)

در ورق بر فرکانسهای طبیعی……………………………………………………………………………………………………81

آنالیز تحلیلی و المان محدود………………………………………………………………………………………………….84

4-3-1- حل تحلیلی……………………………………………………………………………………………………………………84

4 -3-1-1- نمودارهای نیروی تماسی برای ورق کامپوزیت CFRP………………………..ا………………85

4- 3-1-2- نمودارهای نیروی تماسی برای ورق کامپوزیت لایه فلزی FMLs………………ا………..88

4- 3-1-3- نمودار خیز ورق کامپوزیت لایه فلزی FMLs………………………….ا……………………………90

4- 3-1-4- نمودار نیروی تماسی- خیز ورق کامپوزیت با لایه فلزی FMLs…………..ا……………..93

4- 3-1-5 – نمودار تأثیر افزایش لایههای آلومینیوم روی نیروی تماسی و خیز…………………….96

3-1-6- نمودار تأثیر تغییر زاویه الیاف روی نیروی تماسی و خیز ورق ……………………………97

4-3-2- نرمافزار المان محدود ABAQUS…………………………………ا……………………………………………102

فصل پنجم: نتیجه گیری و پیشنهادات 

1- نتیجهگیری…………………………………………………………………………………………………………………………109

5-2-  پیشنهاد ادامه کار………………………………………………………………………………………………………………….111  پیوستها……………………………………………………………………………………………………………………………………….113

منابع و مراجع……………………………………………………………………………………………………………………………….129  

فهرست جداول

عنوان                                                                                                     صفحه

جدول4-1. مشخصات هندسی و مواد ورق کامپوزیتی…………………………………………………………………….58

جدول4-2. مقایسۀ فرکانس طبیعی بدست آمده از نرم افزار ABAQUS با مرجع[16]………………60

جدول 4-3. مشخصات  هندسی و مواد ورق کامپوزیتی و ضربهزننده…………………………………………….60

جدول4-4. مشخصات هندسی و ماده ورق و ضربهزننده………………………………………………………………….61

جدول4-5. مقایسۀ فرکانس طبیعی برای ورق کامپوزیتی چهارسرگیردار با جدول 4-4……………….65

جدول4-6. مقایسۀ فرکانس طبیعی برای ورق کامپوزیتی یکسرگیردار با جدول 4-4…………………..65

جدول4-7. چهار فرکانس اول ورق یکسرگیردار  FMLs  با لایهگذاریAL ،

لایه چینی s[0،09،0،09،0] و  نسبت a/b=1…………….ا………………………………………………………………….66

جدول4-8. چهار فرکانس اول ورق یکسرگیردار  FMLs  با لایهگذاریAL ،

لایه چینی s[0،09،0،09،0] و  نسبت 5.a/b=1……………………ا………………………………………………………66

جدول4-9. چهار فرکانس اول ورق یکسرگیردار  FMLs  با لایهگذاریAL ،

لایه چینی s[0،09،0،09،0] و  نسبت 2a/b=………….ا…………………………………………………………………….67

جدول4-10. چهار فرکانس اول ورق یکسرگیردار  FMLs  با لایهگذاریAL ،

لایه چینی s[0،09،0،09،0] و  نسبت 2.5a/b=…………………………………ا…………………………………………67

جدول4-11. چهار فرکانس اول ورق یکسرگیردار  FMLs  با لایهگذاریAL ،

لایه چینی s[0،09،0،09،0] و  نسبت 3a/b=……………………………….ا……………………………………………….67

جدول4-12. چهار فرکانس اول ورق یکسرگیردار  FMLs  با لایهگذاریAL ،

لایه چینی s[0،09،0،09،0] و  نسبت 3.5a/b=……………………………ا………………………………………………68

جدول4-13. چهار فرکانس اول ورق یکسرگیردار  FMLs  با لایهگذاریAL ،

لایه چینی s[0،09،0،09،0] و  نسبت 4a/b=………………………………ا………………………………………………..68

جدول4-14. چهار فرکانس اول ورق یکسرگیردار  FMLs  با لایهگذاریAL ،

لایه چینی s[0،09،0،09،0] و  نسبت a/h=74.35……………………ا…………………………………………………71

جدول4-15. چهار فرکانس اول ورق یکسرگیردار  FMLs  با لایهگذاریAL ،  لایه چینی s[0،09،0،09،0] و  نسبت 66.67a/h=……………………….ا………………………………………………71

جدول4-16. چهار فرکانس اول ورق یکسرگیردار  FMLs  با لایهگذاریAL ،

لایه چینی s[0،09،0،09،0] و  نسبت 50a/h=………………………………………………..ا…………………………….72

جدول4-17. چهار فرکانس اول ورق یکسرگیردار  FMLs  با لایهگذاریAL ،

لایه چینی s[0،09،0،09،0] و  نسبت 40a/h=…………………….ا………………………………………………………..72

جدول4-18. چهار فرکانس اول ورق یکسرگیردار  FMLs  با لایهگذاریAL ،

لایه چینی s[0،09،0،09،0] و  نسبت 33.33a/h=……………..ا………………………………………………………..72

جدول4-19. چهار فرکانس اول ورق یکسرگیردار  FMLs  با لایهگذاریAL ،

لایه چینی s[0،09،0،09،0] و  نسبت 28.57a/h=……………………………………………ا………………………….73

جدول4-20. چهار فرکانس اول ورق یکسرگیردار  FMLs  با لایهگذاریAL ،

لایه چینی s[0،09،0،09،0] و  نسبت 25a/h=……………………ا………………………………………………………..73

جدول4-21. چهار فرکانس اول ورق یکسرگیردار  FMLs  با لایهگذاریAL

و لایه چینی s[0,0,0,0,0]……………………………………..ا………………………………………………………………………76

جدول4-22. چهار فرکانس اول ورق یکسرگیردار  FMLs  با لایهگذاریAL ،

و لایه چینی s0[,15-,0,51,0]……………………………..ا……………………………………………………………………….76

جدول4-23. چهار فرکانس اول ورق یکسرگیردار  FMLs  با لایهگذاریAL ،

و لایه چینی s0[,30-,0,03,0]……………………………………………………ا………………………………………………..77

جدول4-24. چهار فرکانس اول ورق یکسرگیردار  FMLs  با لایهگذاریAL ،

و لایه چینی s0[,45-,0,54,0]……………………………..ا……………………………………………………………………….77 

جدول4-25. چهار فرکانس اول ورق یکسرگیردار  FMLs  با لایهگذاریAL ،

و لایه چینی s0[,60-,0,06,0]……………………………………………………ا…………………………………………………77

جدول4-26. چهار فرکانس اول ورق یکسرگیردار  FMLs  با لایهگذاریAL ،

و لایه چینی s0[,75-,0,57,0]…………………………….ا………………………………………………………………………..78

جدول4-27. چهار فرکانس اول ورق یکسرگیردار  FMLs  با لایهگذاریAL ،

و لایه چینی s0[,09,0,09,0]……………………………………………………….ا……………………………………………….78

جدول4-28. چهار فرکانس اول ورق یکسرگیردار  FMLs  با لایهگذاریAL ،

81……………………………………………………………………………………………………(a/h=0.2/0.00269=74.35)

جدول4-29. چهار فرکانس اول ورق یکسرگیردار  FMLs  با لایهگذاریAL ،

(a/h=0.3/0.004035=74.35) ……………………..ا…………………………………………………………………………81

جدول4-30. چهار فرکانس اول ورق یکسرگیردار  FMLs  با لایهگذاریAL ،

(a/h=0.4/0.00538=74.35) ………………………………………ا…………………………………………………………..82

جدول4-31. چهار فرکانس اول ورق یکسرگیردار  FMLs  با لایهگذاریAL ،

(a/h=0.5/0.006725=74.35)……………………..ا………………………………………………………………………….82

جدول4-32. چهار فرکانس اول ورق یکسرگیردار  FMLs  با لایهگذاریAL ،

(a/h=0.6/0.00807=74.35)…………………………………………ا…………………………………………………………82

جدول4- 33. چهار فرکانس اول ورق یکسرگیردار  FMLs  با لایهگذاریAL ،

(a/h=0.7/0.009415=74.35)……………………ا……………………………………………………………………………83

جدول4- 34. چهار فرکانس اول ورق یکسرگیردار  FMLs  با لایهگذاریAL ،

83……………………………………………………….ا………………………………………… (a/h=0.8/0.01076=74.35)

جدول 4-35. میزان خیز و نیروی تماسی بر اساس تغییر زاویه الیاف…………………………………………..100  

فهرست نمودارها

عنوان                                                                                                     صفحه

نمودار 4-1. فرکانسهای اول نسبت به a/b……………………………………………….ا……………………………………69

نمودار 4-2. فرکانسهای دوم نسبت به a/b………………….ا…………………………………………………………………69

نمودار 4-3. فرکانسهای سوم نسبت به a/b…………………………………………..ا……………………………………….70

نمودار 4-4. فرکانسهای چهارم نسبت به a/b………………………………………ا…………………………………………70

نمودار 4-5. فرکانسهای اول نسبت به a/h………………………………………ا……………………………………………..74

نمودار 4-6. فرکانسهای دوم نسبت به a/h………………………………………….ا…………………………………………74

نمودار 4-7. فرکانسهای سوم نسبت به a/h……………………………………….ا…………………………………………..75

نمودار 4-8. فرکانسهای چهارم نسبت به a/h…………………………………………ا………………………………………75

نمودار 4-9. تأثیر زاویه الیاف لایهها در ورق بر فرکانس اول……………………………………………………………79

نمودار 4-10. تأثیر زاویه الیاف لایهها در ورق بر فرکانس دوم………………………………………………………..79

نمودار 4-11. تأثیر زاویه الیاف لایهها در ورق بر فرکانس سوم……………………………………………………….80

نمودار 4-12. تأثیر زاویه الیاف لایهها در ورق بر فرکانس چهارم……………………………………………………80

نمودار 4-13. مقایسۀ نیروی تماسی از مدل ارایه شده در این تحقیق

با نتایج بررسیهای قبل……………………………………………………………………………………………………………………84

نمودار4-14. مقایسه نیروی تماسی ورقهای یکسرگیردار و تکیهگاه ساده

و جرم ضربهزننده سبک  Mi= 0.008537 kg……………………..ا…………………………………………………………..85

نمودار4-15. مقایسه نیروی تماسی ورقهای یکسرگیردار و تکیهگاه ساده

و جرم ضربهزننده  Mi= 0.5 kg……………..ا…………………………………………………………………………………………85

نمودار4-16. مقایسه نیروی تماسی ورقهای یکسرگیردار و تکیهگاه ساده

و جرم ضربهزننده Mi= 2 kg ……………………….ا………………………………………………………………………………….86

نمودار4-17. مقایسه نیروی تماسی ورق یکسرگیردار توسط ضربهزننده با جرمهای متفاوت………..86

نمودار4-18. مقایسه نیروی تماسی ورق یکسرگیردار در یک مقدار انرژی ثابت j 9..ا……………………87

نمودار4-19. تأثیر ترتیب لایۀ آلومینیوم روی نیروی تماسی با جرم ضربهزننده Mi= 0.5 kgا………..88

نمودار4-20. تأثیر ترتیب لایۀ آلومینیوم روی نیروی تماسی با جرم ضربهزننده Mi= 2 kg …..ا……..88

نمودار4-21. تأثیر جرم و سرعت ضربهزننده در مقدار انرژی ثابت j 9 روی نیروی تماسی…………….89

نمودار4-22. تأثیر ترتیب لایۀ آلومینیوم روی خیز ورق با جرم ضربهزننده Mi= 0.5 kg…ا…………….90

نمودار4-23. تأثیر ترتیب لایۀ آلومینیوم روی خیز ورق با جرم ضربهزننده Mi= 2 kg……..ا……………91

نمودار4-24. تأثیر جرم و سرعت ضربهزننده در مقدار انرژی ثابت j 9 روی خیز ورق……………………92

نمودار4-25. مقایسۀ ترتیب لایه آلومینیوم روی نمودار نیروی تماسی- خیز

در ورق یکسرگیردار با جرم سبک ضربهزننده Mi= 0.008537 kg…………ا……………………………………….93

نمودار4-26. مقایسۀ ترتیب لایه آلومینیوم روی نمودار نیروی تماسی- خیز

در ورق یکسرگیردار با جرم ضربهزننده Mi= 0.5 kg…………..ا…………………………………………………………..93

نمودار4-27. مقایسۀ ترتیب لایه آلومینیوم روی نمودار نیروی تماسی- خیز

در ورق یکسرگیردار با جرم ضربهزننده Mi= 2 kg……………….ا………………………………………………………….94

نمودار4-28. تأثیر اختلاف جرم و سرعت ضربهزننده در مقدار انرژی ثابت j 9

بر نمودارهای نیروی تماسی- خیز…………………………………………………………………………………………………….95

نمودار4-29. تأثیر تعداد ورق آلومینیوم روی نیروی تماسی با جرم ضربهزننده Mi= 2 kg…….ا……..96

نمودار4-30. تأثیر تعداد ورق آلومینیوم روی خیز ورق با جرم ضربهزننده Mi= 2 kg……………ا……..96

نمودار4-31. تأثیر زاویه الیاف روی نیروی تماسی ورق کامپوزیتی

با جرم ضربهزننده Mi= 2 kg……………………………………………..ا……………………………………………………………..97

نمودار4-32. تأثیر زاویه الیاف روی نیروی تماسی ورق کامپوزیتی

با لایه آلومینیوم (1و10) و جرم ضربهزننده Mi= 2 kg …………………………….ا…………………………………….98

نمودار4-33. تأثیر زاویه الیاف روی خیز ورق کامپوزیتی با جرم ضربهزننده Mi= 2 kg ……….ا……….99

نمودار4-34. تأثیر زاویه الیاف روی خیز ورق کامپوزیتی با لایه آلومینیوم (1و10)

و جرم ضربهزننده Mi= 2 kg ……………………………………ا………………………………………………………………………99

نمودار4-35. تأثیر تغییر زاویه الیاف روی بیشینه خیز  ورق یکسرگیردار FRP و FMLs………..ا…….101

نمودار4-36. تأثیر زاویه الیاف روی بیشینه نیروی تماسی ورق یکسرگیردار FRP و FMLs…….ا……101

نمودار4- 37. مقایسه نیروی تماسی ورق یکسرگیردار و تکیهگاه ساده  CFRP

105……………………………………………..ا………..ABAQUS در Mi= 0.008537 kg با جرم ضربهزننده سبک

نمودار4-38. مقایسه خیز ورق یکسرگیردار و تکیهگاه ساده  CFRP  با جرم ضربهزننده سبک Mi= 0.008537 kg در ABAQUS…………………………ا…………………………….106

نمودار4-39. تأثیر ترتیب لایۀ آلومینیوم روی نیروی تماسی

با جرم ضربهزننده Mi= 2 kg در ABAQUS…………..ا……………………………………………………………………..107

نمودار4-40. تأثیر ترتیب لایۀ آلومینیوم روی خیز ورق

با جرم ضربهزننده Mi= 2 kg در ABAQUS…………..ا……………………………………………………………………..107

نمودار4-41. تأثیر ترتیب لایۀ آلومینیوم روی تنش ورق

با جرم ضربهزننده Mi= 2 kg در ABAQUS……………ا…………………………………………………………………….107  

فهرست شکلها

عنوان                                                                                                 صفحه

 شکل 1- 1. طبقهبندی انواع مواد مرکب از لحاظ مواد تشکیل دهنده[1] ………………………………………6

شکل 1-2. طبقهبندی انواع مواد مرکب ازلحاظ ترکیب[1]………………………………………………………………7

شکل 1-3. دو نمونه از تک لایههای یکطرفه و بافته شده با الیاف[1]………………………………………………9

شکل 1-4. نمونههای هیبریدی از لایههای مواد مرکب[1]……………………………………………………………….10

شکل 1-5. دو نمونه از ورقهای FMLs ساخته شده در صنعت [1]………………………………………………..17

شکل 1-6. کاربرد ورقهای کامپوزیتی و FMLs در صنایع هوا-فضا [3]…………………………………………19

شکل 1-7. کاربرد ورقهای کامپوزیتی و FMLs در صنایع هوا-فضا [4] ……………………………………….19

شکل 1-8. کاربرد ورقهای کامپوزیتی در صنایع هوا-فضا [5] ……………………………………………………….20

شکل 1-9. هواپیمای تمام کامپوزیتی فجر [6] ………………………………………………………………………………..20

شکل 2-1. تاثیر نسبت جرم بر روی پاسخ ورق، نسبت بالا (a وA)، نسبت پایین (b وB) ………ا……….27

شکل 2-2. پاسخ در ورق تمام گیردار بوسیلۀ ضربهزننده جرم کوچک A و جرم بزرگ B

در انرژی ثابت j 10…………………………………………………………………………………………………………………………….28

شکل 2-3. آسیب در ورق تمام گیردار بوسیلۀ ضربهزننده جرم کوچک A و جرم بزرگ B

در انرژی ثابت j 10……………………………………………………………………………………………………………………………..28

شکل 2-4. اشکال مختلف ورق با ضخامتهای متفاوت…………………………………………………………………….29

شکل 3-1. نمای ساده ای از جهت الیاف و محورهای اصلی[1]……………………………………………………….35

شکل 3-2. جهت مثبت محورهای اصلی مثبت به محورهای انتخابی[1]…………………………………………37

شکل 3-3. نمایش یک چند لایه،چند جهته[1]……………………………………………………………………………….40

شکل 3-4. جهت مثبت نیروها و ممانهای منتجه در چند لایه[1]…………………………………………………..41

شکل 3-5. ورق یکسرگیردار کامپوزیتی…………………………………………………………………………………………….49

شکل 3-6. ورق یکسرگیردار FMLs تحت ضربه………………………………………………………………………………51 

شکل 3-7. مدل دو درجه آزادی جرم- فنر……………………………………………………………………………………….51

شکل 4-1. شکل ورق کامپوزیتی در نرمافزار ABAQUS…………ا……………………………………………………..58

شکل 4-2. اعمال شرایط مرزی برای ورق با تکیهگاه ساده در نرمافزار ABAQUS…..ا……………………58

شکل 4-3. مش بندی ورق با تکیهگاه ساده در نرمافزار ABAQUS…………………..ا…………………………..59

شکل 4-4. اولین فرکانس طبیعی محاسبه شده با نرمافزار ABAQUS

برای ورق کامپوزیتی تکیهگاه ساده…………………………………………………………………………………………………..59

شکل 4-5. فرکانس طبیعی محاسبه شده برای ورق با مشخصات جدول 4-3………………………………..60

شکل 4-6. اعمال شرایط مرزی برای ورق یکسرگیردار در نرمافزار ABAQUS………….ا………………….61

شکل 4-7. نمای دیگر از اعمال شرایط مرزی برای ورق یکسرگیرداردر نرمافزار ABAQUS..ا………61

شکل 4-8. شکل مودهای ارتعاشی ورق یکسرگیردار با مشخصات جدول 4-4

(a) مود اول ، (b) مود دوم ، (c) مود سوم ، (d) مود چهارم……………………………………………………………62

شکل 4-9. اعمال شرایط مرزی برای ورق یکسرگیردار در نرم افزار ABAQUS…………….ا………………62

شکل 4-10. شکل مودهای ارتعاشی ورق یکسرگیردار با مشخصات جدول 4-4

(a) مود اول ، (b) مود دوم ، (c) مود سوم ، (d) مود چهارم……………………………………………………………63

شکل 4-11. اعمال شرایط مرزی برای ورق یکسرگیردار در نرم افزار ABAQUS………….ا………………63

شکل 4-12. مشبندی ورق یکسرگیردار در نرم افزار ABAQUS ……….ا………………………………………..64

شکل 4-13. شکل مودهای ارتعاشی ورق یکسرگیردار با مشخصات جدول 4-4 و (3a/b=)

(a) مود اول ، (b) مود دوم ، (c) مود سوم ، (d) مود چهارم……………………………………………………………64

شکل 4-14. فرکانس محاسبه شده برای ورق چهارسرگیردار با مشخصات جدول 4-4………………….65

شکل4-15. مدلسازی ورق و ضربهزننده در ABAQUS………………………ا………………………………………….102

شکل4-16. اعمال شرایط مرزی بر ورق و ضربهزننده در ABAQUS……..ا……………………………………..102

شکل4-17. مشبندی ورق و ضربهزننده در ABAQUS

(a) مشبندی ورق   (b) مشبندی ضربهزننده   (c) مشبندی کامل سیستم………………………………103

شکل4-18. نتیجه نهایی اعمال ضربه بر ورق یکسرگیردار با ضربهزننده جرم بزرگ

تغییر شکل ورق (b) میزان تغییر شکل ورق از راستای قائم………………………………………………..104

شکل 4-19. اعمال ضربه بر ورق با ضربهزننده جرم کوچک (a) شرط مرزی یکسرگیردار

ضربه بر ورق یکسرگیردار (c) اعمال شرط مرزی ساده (d) ضربه بر ورق با تکیهگاه ساده…….105 

فصل اول 

آشنایی با کامپوزیتها

1-1-  مقدمه

در جهان امروز مواد پیشرفته جدید به شش گروه اصلی تقسیم میشوند که عبارتند از سرامیکها ،پلاستیکها، مواد مرکب (کامپوزیتها)، آلیاژها، الیافهای نوری و فلزات. تمامی پیشرفتها و تلاشهایی که در این زمینه و در جهت جستجو و یافتن کاربردهایی نوین و جدید انجام گرفته، با نگرش به این مواد صورت میپذیرد.

12– تاریخچه کامپوزیت[1]: 

کامپوزیتها یا مواد مرکب از جمله مواد مهندسی و ساختمانی جدیدی هستند که در توسعه و کاربرد آنها متخصصین فراوانی از رشتههای مختلف مانند متالورژی، سرامیک، پلیمر و غیره سهم  بسزایی دارند. استفاده از این مواد، ایده جدیدی نیست. به عنوان مثال چینیها و مصریان قدیم از جمله تمدن های باستانی بودهاند که برای اولین بار از مخلوط کاه وگل و شن برای بناسازی استفاده کرده- اند، تا اینکه استحکام گل افزایش پیدا کند. مصریان با چسباندن لایههای نازک چوب و پارچه به یکدیگر و با استفاده از طناب، قایقهای خود را در برابر متورم شدن در آب تقویت میکردهاند.

»خشت« بعنوان ابتداییترین مصالح ساختمانی ساخت بشر، ترکیبی از مواد مرکب است. خشت از ترکیب دو جزء متفاوت (کاه و گل) برای ساختن آجرهای ساختمانی تشکیل میگردد. پس از عمل آمدن آجر در گرمای خورشید، آجرهای ساختمانی بدست آمده محکمتر و با دوامتر از هر یک از مواد اولیه آن خواهد بود. ویرانههای باستانی گواهی آشکار از مقاومت این جزء ماده مرکب ساده میباشد.

گروهی از صنعتگران محدوده مدیترانه و خاور دور از نوعی تکنولوژی مواد مرکب در قالب کارهای هنری استفاده میکردند که از ورقههای بریده بریده در اندازههای گوناگون برای تولید اشکال و طرحهای مطلوب ساخته شده بودند.

مشابه همین عملیات در اکثر شهرهای ایران نیز در ساخت خشتها رواج داشته است. در گیلان با مخلوط ساقه شلتوک برنج و خاک زرد برای دیوارچینی استفاده میشده است و یا با بافتن چوب های نازک و در تارهای چوبی دیوارهای بافته شده چوبی درست کرده با گل اندود کردن آنها، در نتیجه ایجاد دیوارخانه، بناهایی درست میکردند که در مقابل بلایای طبیعی مثل طوفان، سیل و زلزله مقاومت بالایی داشته است. در دهههای 1940 و 1950 بافت الیاف شیشه به همراه رزین پلی استر برای تولید اجزاء کاهنده مقاومت هوا، محفظه رادار و اجزاء غیر سازهای (غیر فلزی) هواپیما بکار رفت. در دهه 1950، رزینهای اپوکسی ارائه شده و به طرز موفقی با مواد تقویتکننده الیاف شیشه استفاده گردید.

استفاده از کامپوزیتهای مدرن در حقیقت از اوائل 1940 شروع شد، که برای اولین بار از الیاف شیشه جهت تقویت پلاستیک های مصرفی در ساخت پوشش پلاستیکی آنتن رادار هواپیما استفاده شد. در پی آن اولین کامپوزیت فایبرگلاس- پلاستیک در سال 1942ساخته شد و طی جنگ جهانی دوم و بلافاصله پس از کاربرد پلاستیکهای تقویت شده با الیاف در هواپیماسازی، کامپوزیتها موارد استفاده بیشتری یافتند و از سال 1956 صنایع فضایی نیز استفاده وسیع از آنها را آغاز کردند.

واژه کامپوزیت (composite) از کلمه انگلیسی to compose به معانی ترکیب کردن، ساختن و مخلوط کردن مشتق شده است. کامپوزیت از ترکیب و اختلاط چند ماده حاصل میشود. در اینجا منظور ترکیب و اختلاط فیزیکی است نه شیمیایی، به طوری که اجزا تشکیل دهنده ماهیت شیمیایی و طبیعی خود را کاملاً حفظ میکنند. اصطلاح ماده کامپوزیت، بمعنی ماده تشکیل شده از دو، یا چند فاز یا قسمت مختلف است که معادل فارسی این واژه »ماده مرکب« است. در یک تعریف دیگر می- گوییم که اگر فازهای تشکیل دهنده موجود هر کدام دارای خواص فیزیکی کاملاً متفاوت از یکدیگر بوده اما ماده تشکیل شده از آنها دارای خواصی کاملاً متفاوت با هر یک از فازهای اولیه باشد، در آن صورت به آن »ماده مرکب« گفته میشود .

مواد مرکب، از موادی به فرم بافت، الیاف، فوم و مواد لانه زنبوری که توسط یک زمینه (ماتریس) یارزین (چسب) به یکدیگر متصل شدهاند، ساخته میشوند. در زمینه مواد مرکب، تکیه بیشتر پژوهشگران بر استفاده از خواص مواد و گسترش آنها با استفاده از اختلاط مواد با یکدیگر میباشد که این مسئله در مورد پلاستیکها و آلیاژها نیز صادق است.

در اکثر موارد، خواص و ویژگیهای مخلوط دویا چند ماده، جمع جبری ویژگیها و خواص هرکدام از تک تک اجزاء به طور متناسب و مجزا نیست. آنچه در دنیای ریز مولکولی بوقوع میپیوندد- که موارد بسیار زیادی از آن تاکنون بر بشر پوشیده مانده است- باعث اثر گذاری متقابل بین مولکولها و ذرات دو یا چند ماده در برخورد با یکدیگر و افزایش یا کاهش ویژگیهای مخلوط میشود.

امروزه انواع مواد مرکب لاستیکی و پلاستیکی در صنایع مختلف کاربردهای وسیع و روز افزونی یافته است. از جمله این صنایع میتوان به صنایع اتومبیلسازی، هواپیماسازی، ساختمانسازی، صنعت تایر، اعضای مصنوعی بدن، تولید وسایل ورزشی، قطعات و اجزای ماشینآلات و… اشاره کرد. با در نظر گرفتن پارامترهایی مانند صرفه جویی در میزان انرژی و مواد مصرفی، سبک وزنی، وسایل نقلیه و هواپیماها، عایق بندی حرارتی ساختمانها و سازه ها، روز به روز به اهمیت آنها افزوده میشود.

با ارائه شدن کربن/ گرافیت بعنوان ماده تقویتی در اوائل دهه 1960 تحولی جدید در کاربرد مواد مرکب پدید آمد. کامپوزیتهای کربن/ گرافیت اکنون از مواد پیشرفته متداول میباشند.کولار1 اولین بار در دهه 1970 تولید شد و اکنون کاربردهای گستردهای در بسیاری از هواپیماها یافته است.

همزمان با پیشرفت مواد تقویتکننده، مواد شیمیایی متصلکننده (چسبها) برای ایجاد ماتریسهای با ویژگیهای مناسبتر، پیشرفت و بهبود داده شدهاند.

با توجه به اینکه کامپوزیتها ترکیب دو یا چند ماده در هم دیگر هستند، میتوان گفت که یکی از این فازها باید در برگیرنده فازهای دیگر باشد، به چنین فازی که درصد حجمی و وزنی آن از دیگر فازها بیشتر است و بصورت پیوسته میباشد، زمینه یا ماتریس گفته میشود. این زمینهها در مواد مرکب صرفنظر از اینکه توسط الیاف تقویت شده، خود نیز نقش چسباندن الیاف به یکدیگر جهت انتقال تنشهای وارد به فاز الیاف، محافظت از الیاف در برابر عوامل مکانیکی و جوی همچون رطوبت را نیز به عهده دارند. فلزات، سرامیکها و پلیمرها به ویژه پلاستیکها از جمله پرمصرف ترین مصالح موجودند و به این جهت این مواد مورد استفاده در کامپوزیتها را تشکیل میدهند.

13– کاربرد کامپوزیت ها  

امروزه استفاده از کامپوزیتها در صنایع گوناگون مورد توجه و نظر فراوان قـرار گرفتـه اسـت. ایـنکاربردها از صنایع بسیار پیشرفته و پیچیده گرفته تا ساخت لوازم  و وسایل ساده را در بر میگیـرد . در نظر گرفتن فاکتورها و عواملی چون صرفه جویی در مصرف انرژی و مواد، سـبکی وزن وسـایل نقلیـه وهواپیماها، مصرف انرژی کمتر در تولید مواد اولیه و قطعات، عایق بندی حرارتی ساختمانها و سازهها ،مقاومت مناسب در برابر بسیاری از موادشیمیایی، استحکام کششی بالا و… روز به روز اهمیت اسـتفادهاز مواد مرکب را بیشتر نشان میدهد. در زیر، زمینههای مختلف و صنایع گوناگونی که مواد مرکـب درآنها به کار رفته، بیان گردیده است:

صنایع هوا فضا و صنایع دفاعی: پوسته موتور راکت، اسکلت بدنه هواپیما، دریچه اگزوز هواپیمای جنگنده، قسمت های مختلف شاتل فضایی، اتاقک شلیک تانک و…

صنایع ورزشی: چوب گلف، اسکی، چوب ماهیگیری، راکت، کمپ، تختـه مـوج سـواری،کلاه، دوچرخه و…

صنایع دریایی: قایق کرجی، کشتی، کانو، اسکلت های دریایی و دیگر سازههای دریایی.

 

Kevlar

صنایع خودرو سازی: اجزاء مختلف اتومبیل، داشبورد، سـپرها ی جلـو و عقـب، قابهـایمختلف خودرو و…

صنایع الکتریکی و الکترونیکی: دکلهای برق، اتصالات الکترونیکی، و لولههـا، کلیـدهاو پریزها و…

صنایع راه و ساختمان: کف پلها، تیرهای کامپوزیتی، استخرهای شنا، وان حمام، بـرج -های خنک کننده، علائم راهنمایی و رانندگی، آسفالتهای کامپوزیتی و…

صنایع پزشکی: مواد دندانپزشکی، ساخت اعضای مصنوعی بدن (پروتز)، دستگاهها و تجهیزات پزشکی و…

14– ساختار مواد مرکب 

واژه مواد مرکب، برای توصیف دو یا چند ماده گوناگون که برای تشکیل یک ساختار بسیار مقاومتر از هر یک از مواد اولیه که با یکدیگر ترکیب شدهاند، بکار میرود. سادهترین ماده مرکب از دو جزء (فاز) تشکیل یافته است (یک ماتریس که بعنوان ماده متصل کننده بکار میرود و یک ماده تقویت کننده).

پیش از ترکیب، ماتریس به فرم مایع بوده و ماده تقویت کننده جامد است. هنگامی که مواد ترکیب شده و تحت عملیات حرارتی یا فرآیند ساخت قرار میگیرند، از خود مواد تقویت کننده اولیه و رزین مستحکمتر خواهند بود. شکل 1-1 طبقه بندی مواد مرکب از لحاظ مواد تشکیل دهنده را نشان میدهد.

بطور ساده کامپوزیتها موادی هستند که خصوصیات زیر را داشته باشند:

جامد باشند. (ترکیبات مایع از نظر خواص مکانیکی فاقد ارزشاند)

مصنوعی باشند. (کامپوزیتهای طبیعی مانند چوب و استخوان مد نظر نیستند)

متشکل از دو یا چند جزء (یا فاز) باشند که از نظر شیمیایی یا فیزیکی کاملا متفاوتند و میتوانند به صورت منظم یا پراکنده کنار هم قرارگرفته و لایه مشترکی بین آنها وجود داشته باشد و یا خواص مکانیکی یکی از فازها نسبت به فاز یا فازهای دیگر متفاوت باشد.

شکل1-1. طبقه بندی انواع مواد مرکب از لحاظ مواد تشکیل دهنده[1]

 

عموماً مواد مرکب را بر پایه خواص فاز زمینه طبقهبندی میکنند. از این جهت، با توجه به اینکه مواد به سه دسته کلی فلز، سرامیک و پلیمر تقسیم میشود، لذا سه نوع ماده مرکب وجود دارد که در هر کدام از این زمینه ها، فاز تقویتکننده میتواند از جنس فلز، سرامیک و یا پلیمر باشد :

مواد مرکب زمینه فلزی MMC

مواد مرکب زمینه سرامیکی CMC

مواد مرکب زمینه پلیمری PMC

در مواد مرکب با زمینه پلیمری  PMC فازهای مختلف به طور منظم در کنار یکدیگر قرار می- گیرند و از این طریق سطح مشترکی بین فازها بوجود میآید. سطح مشترک فازهای تشکیل دهنده مواد مرکب (ماتریس و تقویت کننده) درحقیقت سطح تماس مرز بین فازهاست که در آن خواص از قبیل مدول، مقاومت، دانسیته، ضریب انبساط گرمایی و غیره از فازی به فاز دیگر تغییرات تدریجی یا ناگهانی پیدا میکند، بعلاوه انتقال تنش از ماتریس به فاز تقویت کننده نیز از طریق سطح مشترک صورت میگیرد.

اهمیت فوق العاده سطح مشترک در مواد مرکب به این خاطر میباشد که این سطح میتواند بسیار گسترده باشد و بهمین دلیل وجود هر نوع فاصله و فضای خالی بین دو فاز میتواند مانند یک ترک عمل کرده و خواص را تضعیف نماید . در این مواد این سطح مشترک باید بسیار محکم باشد؛ یعنی چسبندگی بین دو فاز زیاد باشد.

تماس بسیار نزدیک درسطح مولکولی و به ویژه در مواد مرکب پلیمری باعث فعال شدن نیروهای بین مولکولی خواهد شد که ممکن است اتصال شیمیایی دو فاز را نیز به دنبال داشته باشد. شکل هندسی اجزاء تاثیر بسیار بر روی خواص نهایی دارد. شیشه بصورت الیاف شیشه ای در مقایسه با حالتی که بصورت تکه های پولک مانند بکار میرود، خاصیت تقویت کنندگی  به مراتب بیشتری در ماتریس های پلیمری بوجود میآورد. در واقع، شکل هندسی ذرات، سطح تماس دو فاز با یکدیگر و در نتیجه میزان تاثیر متقابل دو فاز را تعیین میکند. غلظت ماده تقویت کننده مهمترین عامل تعیین کننده خواص ماده مرکب است که بر حسب درصد حجمی یا وزنی بیان میشود. اگر تمام ابعاد ماده تقویت کننده یکسان باشد (مانند پودرهای کروی شکل) ماده مرکب همانند یک ماده همه سو یکسان مستقل ازجهت رفتار میکند. اگر ابعاد ماده تقویت کننده متفاوت باشد، در صورت توزیع تصادفی آنها در ماتریس ماده مرکب باز هم رفتار، »در همه سو یکسان« خواهد بود.

شکل1-2. طبقه بندی انواع مواد مرکب از لحاظ ترکیب[1]

با توجه به تنوع مواد تقویتکننده و پلیمرها و نیز تنوع زمینههای کاربرد، انواع مختلف مواد مرکب طراحی و تولید شدهاند. طبقهبندی پذیرفته شده انواع مواد مرکب به شرح شکل(1-2) میباشد. همانطور که دیده میشود تقسیمبندی کلی مواد مرکب اولاً بر اساس شکل ماده تقویتکننده و در درجه دوم بر اساس چگونگی توزیع یا قرار گرفتن آنها در زمینه پلیمر صورت میگیرد.

141– طبقه بندی مواد مرکب  

مواد مرکب بر دو اساس تقسیمبندی میشوند، یکی شکل ماده تقویت کننده و دیگری چگونگی توزیع یا قرار گرفتن آنها در زمینه پلیمری، لذا بر این اساس به دو گروه عمده تقسیم میشوند:

مواد مرکب ذره ای (تقویت شده با ذرات)  

مواد مرکب لیفی (تقویت شده با الیاف)


مقطع : کارشناسی ارشد

قبل از خرید فایل می توانید با پشتبانی سایت مشورت کنید