بخشی از مقاله
بررسي مراحل شکل دهي و ساخت جداره فلزي مخازن به روش المان محدود
چکيده
از مخازن گاز طبيعي فشرده يا CNG، در انواع خودروها استفاده ميشود. توليد انبوه اين مخازن ، به بررسي دقيق مراحل شکل دهي و پارامترهاي مؤثر بر فرايند ساخت ، در هر مرحله از شکل دهي نياز دارد. از آن جا که مخازن تحت فشار، بايد بدون درز ساخته شوند، روش ساخت جداره فلزي اين نوع مخازن ، شامل استفاده از يک بلانک اوليه و انجام عمليات شکل دهي کشش عميق و بازکشش و نازک کاري و در نهايت شکل دهي چرخشي براي شکل دهي سر مخزن و گلويي آن ميباشد. در اين مقاله ابتدا به مقدمه اي از تاريخچه توليد اين مخازن و روشهاي ساخت آنها اشاره شده است . سپس از روش المان محدود، براي شبيه سازي مراحل اوليه شکل دهي جداره فلزي يک مخزن CNG آلومينيومي، استفاده شده است . شبيه سازي فرايند ساخت ، شامل مراحل کشش عميق سرد، بازکشش سرد و در نهايت ، دو مرحله نازک کاري ديواره (بدون در نظر گرفتن شکل دهي چرخشي داغ ، جهت بستن سر مخزن ) ميباشد. همچنين بين شبيه سازي مراحل شکل دهي، از فرايند بازپخت (آنيلينگ ) جهت تنش زدايي استفاده شد. نيروي لازم براي شکل دهي و همچنين تغيير ضخامت بلانک در هر مرحله از شکل دهي مخزن ، مورد بررسي قرار گرفت . نتايج شبيه سازي با نتايج منتشر شده توسط ساير محققان مقايسه و تطابق خوبي بين نتايج مشاهده شد.
کلمات کليدي: کشش عميق ، بازکشش ، نازک کاري، مخزن CNG، شبيه سازي المان محدود.
١- مقدمه
استفاده از گاز طبيعي فشرده شده در ايران به صورت روز افزون در حال گسترش است . به همين دليل نياز به ساخت مخازن گاز CNG به صورت گسترده اي احساس ميشود. ساخت اين مخازن داراي فرايندي پيچيده و پر هزينه و زمان بر است به صورتي که تنها برخي از کشورهاي پيشرفته صنعتي در اين پروژه به صورت گسترده سرمايه گذاري کرده ان . نياز به ماشين ابزارهاي دقيق ، نياز به مواد اوليه گران قيمت مانند انواع الياف کامپوزيتي، نياز به تکنولوژي ساخت از شکل دهي اوليه گرفته تا ساخت ديواره هاي چند لايه از مواد کامپوزيتي و در نهايت آزمونهاي مختلف کنترل کيفيت ، ساخت اين مخازن را با هزينه ها و سرمايه گذاري سنگين مواجه ميکند. اين آزمونها عبارت اند از: تست فراصوتي، سختي سنجي، کنترل حجم ، کنترلهاي کيفي لازم براي مخازن کامپوزيتي مانند کنترل رزين ، عرض الياف ، کشش الياف ، آزمونهاي تحمل آسيب ، آزمونهاي محيط ، و آزمونهاي چرخه عمر. به کارگيري گاز طبيعي فشرده شده به عنوان سوخت وس يل نقليه در مقياس وسيع در دو دهه ١٩٥٠ و ١٩٦٠ ميلادي در ايتاليا و روسيه آغاز شد. مخازن اوليه ، مخازن فولادي سنگيني بودند که با مشخصات صنعتي گوناگون ساخته ميشدند، تا اين که در اواخر سال ١٩٧٠ ميلادي با وضع مقررات جديد در ايتاليا، مخازن فولادي کم وزن به بازار عرضه شدند. در آمريکاي شمالي نيز تبديل سوخت وسايل نقليه به گاز طبيعي در مقياس وسيعي، از سال ١٩٨٠ ميلادي به بعد آغاز شد. مخازن سبک وزن ساخته شده از آستر فلزي پيچيده شده با الياف شيشه اي که براي کاربردهاي فضايي توسعه يافته بودند در سال ١٩٧٧ ميلادي به بازارهاي صنعتي وارد شدند. در سال ١٩٨٢ ميلادي مخازني که با آستر آلومينيومي با پيچش محيطي الياف شيشه ساخته شده بود مورد استفاده قرار گرفتند. سازندگان اين روند را براي طرحهاي سبک وزن تر با توليد کردن آسترهاي فولادي پيچيده شده با الياف شيشه اي که در سال ١٩٨٥ ميلادي آغاز شده بود، دنبال کردند. براي اين که وزن مخزن را کاهش دهند، سازندگان بسياري، طرحهاي کامپوزيتي کاملاً پيچيده اي را توسعه دادند و آسترهاي فلزي يا پلاستيکي را براي م ازن محتوي گاز طبيعي فشرده شده به کار بردند. در اواخر دهه ٨٠ ميلادي، کاربردهاي عملي مخازن CNG با آسترهاي پلاستيکي تقويت شده درسوئد، روسيه و فرانسه شروع شد. به دنبال توسعۀ استانداردهاي مخازن گاز طبيعي در آمريکاي شمالي، طرحهايي با آسترهاي نسبتاً نازک آلومينيوم ، با آسترهاي پلاستيکي تقويت شده ، پيچيده شده با پوشش الياف شيشه و الياف کربن بعد از سال ١٩٩٢ ميلادي به بازار معرفي شدند.
مخازن CNG معمولاً از ماده خام اوليه به سه شکل مختلف ورق ، لوله يا شمشال توليد ميشوند. بنابراين توليد اين نوع مخازن با استفاده از سه شکل مختلف ماده اوليه ، فرايند توليد متفاوتي را در پي خواهد داشت . در مرحله توليد اين نوع مخازن ، شکل دهي اوليه اين مواد خام ، بيشترين حجم توليد را به خود اختصاص ميدهند. براي توليد مخازن فولادي يا آلومينيومي از ماده اوليه ورق ، ابتدا ورقهايي از جنس مورد نظر انتخاب ميشوند. بسته به ابعاد و الزامات طراحي، اندازه بلانک اوليه بايد به گونه اي انتخاب شود تا کمترين دور ريز را داشته باش . بعد از اينکه ورقها فراهم شدند، عمليات حرارتي تنش زدايي بر روي آنها انجام ميشود. بعد از اين مرحله ورقهاي پيچيده شده ، مسطح سازي ميشوند و براي برشکاري آماده ميشوند. ورقها پس از اين مرحله به صورت دايره و به ابعاد مورد نظر بريده ميشوند به طوري که کمترين تنشهاي فشاري و ترکهاي احتمالي در آنها به وجود آيد. بعد از انجام برشکاري، ورقها در سيکل روغن کاري قرار ميگيرند. اين عمل به منظور جلوگيري از به وجود آمدن آسيبهاي احتمالي در مراحل بعدي انجام ميشود. در مرحله بعد ورقها تحت عمليات کشش عميق سرد قرار ميگيرند و به صورت ليواني شکل در ميآيند.
روانکاري قبل از عمليات کشش سرد، اثرات اصطکاک را از بين ميبرد و باعث سهولت در انجام عمليات کشش ميشود بعد از انجام عمليات کشش عميق سرد، مجدداً مخازن تحت عمليات تنش زدايي قرار ميگيرند و بعد در سيکل روغن کاري قرار ميگيرند. اين عمليات جهت بهتر انجام شدن بازکشش سرد بعدي و نرم شدن مخزن و تنش زدايي به کار ميرود. سپس مخزن تحت عمليات بازکشش سرد قرار ميگيرد تا قطر نهايي مخزن شکل گيرد. بعد از انجام اين مراحل براي اين که ديواره استوانه اي مخزن به ضخامت مورد نظر برسد، مخازن تحت عمليات نازک کاري يا اتوکاري ديواره قرار ميگيرند، به شکل ( ) توجه شود. در اين مرحله عيوب ريخته گري يا نورد موجود در ورقها نيز تا حدودي از بين ميرود. بعد از اينکه قسمت استوانه اي مخزن آماده شد، ديواره مخزن بايد با استفاده از روش آزمون فراصوتي براي آزمايش اين که داراي ضخامت يکنواخت ميباشد يا نه ، مورد بازرسي قرار گيرد.
براي شکل دادن به گلويي سر مخازن ، از فرايند شکل دهي چرخشي داغ استفاده ميشود مطابق شکل ٢). بعد از انجام اين مراحل ، ماشينکاري گلويي مخزن انجام ميشود. با انجام اين مرحله از ماشينکاري، مراحل مربوط به شکل دهي جداره فلزي مخزن به پايان ميرسد. براي بالا بردن سختي مخازن و مقاومت آنها در برابر ضرب هاي احتمالي و تنش زدايي تنشهاي پس ماند ناشي از مراحل شکل دهي، مخازن تحت عمليات سرد کردن سريع و باز پخت قرار ميگيرند. در هنگام شکل دهي مخازن و عمليات حرارتي آنها، ضايعاتي در داخل و خارج آنها از قبيل اکسيدها و پليس ها به وجود ميآيد. براي تميزکاري اين ضايعات ، مخازن تحت عمليات ساچمه زني قرار ميگيرند. بعد از اين مرحله مخازن تحت عمليات سختي سنجي قرار گرفته ، سپس براي بررسي هرگونه عيب ظاهري تحت بازرسي چشمي قرار ميگيرند.
پس از آن عمليات نهايي بر روي گلويي مخزن از قبيل تميزکاري و رزوه کاري انجام ميشود. پس از اين مرحله مخازن تحت آزمون تست فراصوتي قرار ميگيرند تا عيوب موجود در آنها آشکار شود. در انجام اين آزمون بايد سطوح مخازن از هر گونه روغن ، اکسيد و ساير آلودگيها پاک باشند. پس از انجام مرحله توليد جدار فلزي مخزن ، در مرحله بعدي جهت تقويت مخزن ، عمليات پيچش الياف کامپوزيتي بر روي مخزن شکل (٣) انجام ميگيرد. دقت در الياف پيچي سريع و پيوسته طبق يک برنامه از پيش تعيين شده ، پايه و اساس فرايند الياف پيچي ميباشد. اين فرايند به طراحان اين توانايي را ميدهد تا با استفاده از قراردادن دقيق خصوصيات مکانيکي در مکانهاي مورد نياز، مخازني با استحکام بالا توليد کنند. همچنين اين مسئله به طراحان اجازه ميدهد تا مقاومت گرمايي، استحکام و سختي مواد را بهينه نمايند. مطالب فوق ب اين معني است که مهندسان قدرت تغيير متغيرهاي لازم را براي دستيابي به خصوصياتي با درخواست مشتريان خواهند داشت . ماشين الياف پيچي ، يک ماشين کنترل عددي کامپيوتري CNC ميباشد از سيستم خودکار با کارايي بالايي برخوردار است ، به طوري که را اندازي آن ميتواند در چند دقيقه انجام شود. دستگاه فقط محدود به الياف پيچي مخازن استوانه اي نيست ، بلکه ميتوان هر شکل قابل تصوري را از طريق اين دستگاه الياف پيچي نمود. همچنين در دستگاههاي پيشرفته ميتوان الياف پيچي با ماتريس رزين و الياف پخته شده را نه تنها در دماي اتاق بلکه بسته به نوع ماتريس رزين به کار رفته ، حتي در کوره اي با يک پروفيل دمايي کنترل شده انجام دا . قطر و خارج از مرکز محور به خوبي کنترل ميشود تا با نگهداري سطح مشترک کامپوزيت و اجزاي دستگاه بتوان هم مرکزي کامپوزيت نهايي را حفظ کرد و از کج شدن آن در امتداد محور طولي جلوگيري نمود. در ابتدا براي عمليات الياف پيچي، قرقره هاي الياف خشک طوري تنظيم ميشوند که تنش مشخصي در الياف به وجود آيد. مقدار کشيدگي الياف ، در پارامترهاي مقاومت و سختي کامپوزيت تأثير دارد. پس از اين مرحله الياف از حوضچه رزين عبور کرده و به رزين آغشته ميشود، سپس الياف کشيده شده و عريض ميشود. در اين مرحله الياف آماده پيچيده شدن ميباشد. الياف بعد از خروج از حمام رزين توسط دستگاه الياف پيچي CNC روي مخزن پيچيده ميشود. اين پيچش بسته ب نوع مخزن ميتواند محيطي، محوري، مارپيچي (ضربدري) يا ترکيبي از آنها باشد. پس از پايان يافتن الياف پيچي، مخازن از دستگاه خارج ميشوند. در اين مرحله پخت روي مخزن اجرا ميشود. پخت رزين ماتريس ، اثر مستقيمي بر عملکرد ساختار کامپوزيتي مخزن دارد. براي بهينه سازي عملکرد کامپوزيت ، زمان و دماي پخت کنترل ميشود. عمل کنترل دما توسط کنترلرهاي الکترونيکي انجام ميشود و دماي ديگ پخت ب صورت کنترل شده در دماهاي مورد نظر نگه داشته مي شود. اين عمل تضمين ميکند که ساختار کامپوزيتي به خصوصيات تعيين شده در طراحي رسيده است . بعد از اتمام مرحلۀ پخت ، مخازن از ديگ پخت خارج ميشوند و براي بسته بندي آماده ميشوند. انجام اين مراحل ، مخازني کم وزن و با کارايي بالا را نتيجه ميدهد[١-٣].
از فرايند کشش عميق براي توليد محصولات متنوعي از ظروف استوانه اي توخالي گرفته تا پنلهاي با سطوح پيچيده
در صنايع خودروسازي، استفاده ميشود [٤]. نخستين شبيه سازي اين فرايند توسط آقاي صديقي و رستي بر روي يک قالب مسطح و بر اساس روش تفاضل محدود براي يک قطعه تقارن محوري انجام شد [٥]. هريوانک و سوبوتاوا [٦] و ديت و پادمانابهان [٧] بر روي تأثير پارامترهاي مختلف بر عمليات کشش عميق ورقهاي فلزي مطالعاتي انجام دادند. اين پارامترها شامل اندازه دانه ، ضخامت بلانک فلزي، کار سختي فلز، نرخ کرنش سختي و زبري سطوح تماسي بودند. يوسيفن و تيروش [ ] مقايسه اي بين آزمايشهاي تجربي و روشهاي تئوري براي بررسي اثرات کار سختي و ناهمسانگردي و ضريب اصطکاک بر روي ضخامت نهايي ورق در عمليات کشش عميق سرد انجام دادند. براي کاهش اثرات اصطکاک و افزايش حد مجاز کشش ، چلوان و لو [٩] از يک سري ابزارهاي بهبود يافته استفاده کردند.
همچنين انجام فرايند کشش عميق بدون استفاده از ورقگير مانند استفاده از قالبهاي کونيک ، مورد مطالعه محققان زيادي قرار گرفته است . اکثر اين تحقيقات شامل بررسي پارامترهايي مانند تغيير نيروي کشش و چين و چروک خوردگي در قالبهاي کونيک و اصلاح هندسي قالبهاي کشش کونيک يا قالبهاي بدون ورقگير کاهنده نيرو بوده اند.
جهت دستيابي به نسبتهاي کشش بالا، انجام فرايند بازکشش لازم است . اين فرايند نيز توسط محققان مختلف مورد بررسي قرار گرفته است . براي يکنواخت کردن ضخامت ديواره و افزايش ارتفاع ، فرايند نازک کاري بر روي بلانک حاصل از مراحل کشش و بازکشش انجام ميشود. تحقيق ابتدايي در مورد اين فرايند شامل محاسبه کرنشها و نيز نيروي نازک کاري به وسيله روش پلاستيسيته مقدماتي بوده است . همچنين تحليل اين فرايند به وسيله روش کار همگن ، روش باند پاييني و باند بالايي و روش المان محدود نيز صورت گرفته است [٥].
٢- شبيه سازي
نتايج اوليه اين شبيه سازي و تحليل به طراح اين امکان را ميدهد که مراحل آزمون و خطا و هزينه هاي پيش توليد را کاهش دهد و امکان بررسي تأثير پارامترهاي مؤثر بر فرايند را براي طراح فراهم ميکند. در هر مرحله از فرايند ساخت مخزن ، پارامترهاي مختلفي ميتواند مورد مطالعه قرار گيرد. چگونگي جريان مواد، ماکزيمم نيروي لازم ، نحوه توزيع تنش - کرنش و شکل هندسي قالبها از جمله اين پارامترها ميباشند. براي شبيه سازي کليه فرايندها از کد ABAQUS.Explicit استفاده شده است . دليل استفاده از Explicit نرم به علت توانايي تحليل مسائل ديناميکي با سرعت بالا و تغيير شکلهاي بزرگ و سطوح تماسي پيچيده است . در تمامي شبيه سازيها، اجزاي قالب و ورقگير و سنبه به صورت صلب در نظر گرفته شدند و بلانک به صورت تغيير شکل پذير در نظر گرفته شد ٥].
براي مش بندي بلانک اوليه به علت متقارن بودن کليه پارامترها مانند نيرو و شرايط مرزي و هندسه مدل ، از ٣٤٥٠ المان CAX4R تقارن محوري استفاده شد. از ٦ المان در جهت ضخامت و ٥٧٥ المان در جهت شعاع بلانک استفاده شد. پس از شبيه سازي فرايند کشش عميق ، از مدل تغيير شکل يافته در مرحله کشش عميق که فرايند آنيل تنش زدايي روي آن انجام شده است براي فرايند بازکشش و نازک کاري به صورت پيوسته و همراه با دو فرايند آنيل تنش زدايي ديگر، يکي پس از بازکشش سرد و ديگري بعد از نازک کاري مرحله اول استفاده شد، شکل ( ) را ببينيد.
شکل ( ) مراحل شبيه سازي از چپ به راست : کشش عميق سرد، بازکشش سرد، نازک کاري مرحله اول ، نازککاري مرحله دوم
سطح مقطع برش خورده همراه با ابعاد هندسي مخزن فلزي در شکل ( ) و مدل سه بعدي مخزن فلزي در شکل (٦) نشان داده شده است ٥]. حداقل ضخامت ديواره مخزن پس از دو مرحله نازک کاري نبايد کمتر از ٥ ميليمتر باشد. حجم کلي مخزن ، ١٣٧ ليتر ميباشد و انتهاي مخزن شکل بيضوي دارد. همچنين جنس مخزن از بلانک آلومينيومي O-AL٦٠٦١ با ضخامت اوليه ١٢ ميليمتر و قطر ١١٥٠ ميليمتر است . خواص مکانيکي ماده مورد استفاده در مخزن در جدول ١ آورده شده است (٥) و (١٠ . در شکل ( ) منحني رفتار سخت شوندگي ماده مورد نظر آورده شده است ٥]. در اين تحليل از منحني سخت شوندگي مربوط به تست شکم دادگي به جاي منحني به دست آمده از تست کشش ساده استفاده شده است . علت اين امر به خاطر انطباق بهتر اين منحني با تغيير شکلهاي تقارن محوري مانند فرايند کشش عميق و بازکشش و اتوکاري ديواره است . علاوه بر اين ، منحني مورد نظر، محدوده وسيع تري از کرنشها را براي منحني تنش -کرنش حقيقي فراهم ميکند، بنابراين براي
شبيه سازي عددي مناسبتر است .
شکل (٧) منحني تنش - کرنش حقيقي بلانک آلومينيومي[٥]
در مرحله اول ، به منظور به دست آوردن بيشترين نسبت کشش ، چندين شبيه سازي با نسبتهاي کشش مختلف مطابق شکل (٨ انجام گرفت . در تمامي اين شبيه سازيها اندازه شعاع لبه سنبه برابر ٦٠ ميليمتر و اندازه شعاع لبه ماتريس برابر ٨٠ ميليمتر و مقدار لقي برابر .١٦ ميليمتر در نظر گرفته شدند. همچنين مقادير ضرايب اصطکاک براي سطوح تماسي سنبه و بلانک برابر ٠.١ و براي سطوح تماسي ماتريس و ورقگير و بلانک برابر ٠.٠٢٨ در نظر گرفته شدند ٥]. مقدار نيروي ورقگير در مرحله کشش عميق سرد نيز برابر ٩٠ کيلو نيوتن در نظر گرفته شد. در نهايت با انجام چندين شبيه سازي، ماکزيمم نسبت کشش مجاز در مرحله کشش عميق سرد برابر ٧ ١ به دست آمد، بنابراين نسبت قطر بلانک اوليه به قطر سنبه برابر ٧ ١ در نظر گرفته شد.
