بخشی از مقاله
چکیده
به دلیل دارا بودن وزن سبک و چقرمگی بالا تیوبهای کامپوزیتی اخیرا در بسیاری از کاربردها گستره ای از سیستمهای لوله ای تا بازوهای روباتی، شفتهای انتقال نیرو و چاپ غلتکی در صنایع چاپ را در بر گرفته است.در این راستا مطالعهی رفتار خمشی لوله های کامپوزیتی - Pex-Al-Pex - و واکنش پلاستیک آن در حین فرآیند خمکاری مطرح است. بر پایهی تحلیل انجام گرفته روی دو نوع لولهی پلیمری که تحت آزمایش خمش سه نقطه قرار میگیرد، بعلت انعطاف پذیری بالای لوله دیرتر وارد ناحیهی پلاستیک میشود و بعد از ورود به ناحیهی پلاستیسیته تغییر شکل پلاستیک زیاد بوده و در پلیمر آسیب و گسیختگی ماده در اثر تغییرشکل بسیار بزرگ رخ نمیدهد.
شرایط آزمایش با نرم افزار ABAQUS /Explicit مقایسه شده و تطابق خوبی را نشان میدهد، تاثیر چندین پارامتر مختلف مانند قطر و ضخامت و نسبت t/D بررسی شدند. به علاوه چقرمگی خمشی لوله 32 میلی متری نیز با آزمایش و فرمولهای تئوری به دست امده و با یکدیگر مقایسه شده اند . چقرمگی توسط شیب نمودار تنش- کرنش محوری نشان داده شده است و به خوبی بین نتایج آزمایشگاهی و فرمولهای تئوری مقایسه میکند .
مقدمه و هدف
کامپوزیتهای پایه پلیمری مهم ترین دسته از کامپوزیت ها می باشند که طیف وسیعی از صنایع، از صنایع رده بالا مثل تولید قطعات هواپیما گرفته تا صنایع رده پایین مثل تولید سینک ظرفشویی و .... را در بر میگیرد.در سالهای اخیر، کامپوزیت با ساختار چندلایه بیشتر مورد توجه و تحقیق قرار گرفته است. بدلیل استحکام چشمگیر، چقرمگی و دیگر خواص مکانیکی.[1-4] یکی از شاخه های مهم در این راستا کامپوزیت های چندلایه فلز/پلیمر میباشد.
کامپوزیت چندلایه Al/PE که توسط دو لایه پلیمر, دولایه چسب و یک لایه فلز مطرح میشود. فلز آلومینیوم نقش مهمی در استحکام و چقرمگی دارد که میتواند بطور موثر از گسترش ترک از طریق انحراف، به دام انداختن و پوشش محافظ جلوگیری نماید. در حالیکه چسب باعث چسبیدن لایه ها شده و از جدایش بین فلز / پلیمر جلوگیری میکند. پلیمر موجود پلی اتیلن HDPE میباشدکه استحکام و مقاومت به خزش در دمای بالا را موجب میشود و عامل حلالیت در دمای بالا نیز توسط مشبک کردن - crosslink - پلی اتیلن از بین میرود.
در این راستا آزمایش خمش سه نقطه همانطور که در شکل یک نشان داده شده است انجام گرفته و نمودار نیرو-جابجایی و نیرو- کرنش آنها بررسی میگردد. بر مبنای تحقیقات انجام گرفته توسط shadmehri و Deresi روی چقرمگی خمشی لوله های کامپوزیتی ترمو پلاستیک به عنوان جایگزینی برای لوله های آلومینیومی ، تئوریها و تحلیل های انجام توسط آنها بر مبنای متفاوت بودن تعداد لایه ها بوده است و فرمولهای در نظر گرفته شده برای چقرمگی خمشی این لوله ها برمبنای n لایه مختلف آنها میاشد.
موضوع بررسی شده در این پروژه برمبنای یکسان بودن تعداد لایه ها و متفاوت بودن آنها در ضخامت لایه هاست. هدف بررسی نمودارهای نیرو - جابجایی برای لوله ها بوده، به علاوه مقایسهی چقرمگی خمشی لوله ها بر مبنای دو تئوری ممان خمشی و تئوری غیر کلاسیک پرتوهای کامپوزیتی با چقرمگی خمشی حاصل از نمودار نیرو- کرنش محوری میباشد. آزمایش تست خمش انجام گرفته نیز با نرم افزار ABAQUS شبیه سازی شده و مقایسه صورت میگیرد .
شکل-1 تست خمش سه نقطه در دستگاه اینسترون،نمونه 25 میلی متری
مواد و روشها
دو لوله به قطرهای 25 و 32 میلیمتر به طول 28 سانتی متر برش داده شده و تحت خمش سه نقطه در دستگاه اینسترون8503 با سرعت20 mm/min قرار میگیرد. نمودار نیرو-کرنش نمونه ی 32mm نیز با استفاده تئوری سه بعدی لایه ها و نتایج تجربی مقایسه شده که تطابق خوبی را نشان میدهد. در نهایت با استفاده از ابعاد و خواص مکانیکی لوله در نرم افزار آباکوس شبیه سازی شده و نتایج با هم مقایسه شدند. فرضیاتی به منظور ساده سازی روند شبیه سازی در نظر گرفته شده است که تاثیری بر نتایج نخواهد گذاشت. فرضیات را بدین صورت میتوان در نظر گرفت:
- 1 پایه ها و فک متحرک دستگاه صلب میباشد - با توجه به اینکه نمونه ی تحت آزمایش پلیمری است و در عمل فک متحرک و پایه ها فولاد سخت کاری شده می باشد چنین فرضی با خطایی نزدیک به صفر همراه است - .
- 2 تمام لایه های مجاور به صورت پیوسته در نظر گرفته شده و شرط عدم لغزش در سطح مشترک بین لایه ها برقرار است - با توجه به تغییرشکل اندک و عدم جدایش لایه ها -
- 3 از اثرات اینرسی نیز صرفنظر گردیده است - به دلیل سرعت نه چندان بالای آزمایش - در حدود 20 - mm/min و جرم اندک لوله - .
در روند تحلیل و اجرا در نرم افزار ABAQUS از روند Explicit به منظور شبیه سازی استفاده گردیده است. حال علت عدم استفاده از روش implicit چیست؟
در روش حل implicit از رابطه ی ماتریس [F]=[K].[X] استفاده می گردد که نرم افزار برای محاسبه ی مولفه های ماتریس جابجایی [x] ماتریس بزرگ - در مورد تحلیل پیچیده ی ابر ماتریس - [F] را بر [k] تقسیم میکند. با صفر شدن مخرج یعنی [k] که همان ماتریس سختی است خطا اتفاق می افتد و حجم معادلات ماتریس به قدری بزرگ شده که توان سخت افزاری رایانه قادر به پاسخگویی آن نیست.
در حقیقت روش Explicit در هر لحظه معادلات حاکم را حل میکند و معادلات در هر لحظه متعلق به همان لحظه است. در ماژول property لایه ها بصورت لمینا روی یکدیگر قرار گرفته اند . ذکر این نکته مهم است که لایه ها لمینا نبوده و ایزوتروپیک هستند. لایه ی میانی آلومینیوم بوده و خواص آلومینیوم در ناحیه ی الاستیسیته و پلاستیسیته وارد گشته به علت عدم و رشد ترک معیارهای آسیب تعریف نشده است. مسئله در دو گام تحلیل شده است، گام اول که پیش فرض نرم افزار می باشد شرایط اولیه تعریف شده و در گام دوم تحلیل صورت گرفته است.
نتایج
با توجه به نمودار نیرو -جابجایی در شکل -2 الف و -2 ب آزمایشات نشان میدهد که لوله کامپوزیتی مقدار قابل توجهی تغییرشکل غیر خطی در نمودار نیرو-جابجایی تا نقطه انتهای خمش ایجاد میشود. این بدان معنی است که فرآیند شکست پیش رونده باید در لوله رخ دهد و اینکه دورترین لایه که در ابتدا در معرض تنش خمشی ماکزیمم قرار گرفته نمیتواند منجر به شکست نهایی شود.
با توجه به نمودارها به علت انعطاف پذیری بالای لوله دیرتر وارد ناحیه پلاستیک میشودو پس از ورود به ناحیه پلاستیسیته ملاحظه میشود که طبق انتظار تغییرشکل پلاستیک زیاد بوده و در پلیمرها آسیب و گسیختگی ماده در اثر تغییرشکل بسیار بزرگ اتفاق می افتد. بدیهی است چون در این مطالعه تغییرشکل محدود بوده لوله دچار شکست و گسیختگی Failure and damage نمیشود.
