بخشی از مقاله
چکیده:
هدف اصلی این مقاله پیش بینی فشار شکست لوله های الیاف شیشه تقویت شده با پلی استر - GRP3 - تحت فشار هیدرواستاتیک می باشد. بررسی شکست لوله های کامپوزیتی که در معرض تنش قرار دارند، کمتر مورد توجه قرار گرفته است. به همین جهت در این تحقیق مطالعاتی در زمینه شکست لوله های GRP به کمک نرم افزار المان محدود آباکوس صورت پذیرفته است.
تاثیر افزایش ضخامت هسته بر روی فشار شکست در هسته و تک تک لایه ها بررسی شده است. همچنین شکست در هسته و شکست نهایی در حالتهای مختلف ارزیابی گردیده و از طرفی اثر ضخامت لایه ها در فشار شکست لوله های GRP براساس معیار های مختلف گسیختگی مورد ارزیابی قرار گرفته اند. نتایج بدست آمده نشان می دهد که با افزایش ضخامت لایه ها، فشار شکست در معیار های مختلف گسیختگی افزایش می یابد.
-1 مقدمه:
یکی از زمینه های عمده استفاده از کامپوزیت ها ، تولید لوله های با اقطار مختلف با استفاده از مواد کامپوزیتی است . لوله های کامپوزیت که متشکل از الیاف شیشه و رزین های ترموست می باشند ساختار محکم ، مقاوم به خوردگی و سبکی را فراهم می کنند که به عنوان جایگزین بسیار مناسبی برای لوله های فلزی و بتونی مطرح می شوند .برای لوله با قطر های بزرگتر، ضخامت دیواره لوله باید بیشتر باشد تا استحکام لازم برای کاربری را پیدا کند.
همچنین می توان با لایه چینی با زوایای مختلف، به بهینه ترین حالت استحکام لوله دست یافت. لوله های فایبرگلاس در مواردی مانند لوله انتقال آب، جمع آوری فاضلاب، جمع آوری آب های سطحی، انتقال آب دریا، شبکه های آبیاری و زهکشی، فاضلاب های صنعتی، نیروگاه ها،صنایع نفت و پتروشیمی، صنایع شیمیایی و … کاربرد دارند. اگر چه استفاده از لایه های نازک FRP4 در ساخت دیواره این لوله ها برای تحمل فشار هیدرواستاتیک کافی است و شرایط راه اندازی و نصب را دارد اما برای افزایش استحکام، ضخامت این لایه ها می تواند افزایش یابد.
تولید کنندگان لوله های FRP به منظور افزایش استحکام این لوله ها از ترکیب پرکننده شن و رزین در بین لایه ها به عنوان یک راه حل اقتصادی به جای افزایش ضخامت لایه های FRP استفاده می کنند. عبارات GRP که در صنعت لوله های کامپوزیتی رواج دارد، معرف پیکربندی لوله کامپوزیتی است که با توجه به ماموریت مورد انتظار ، از ساختار مبتنی بر الیاف شیشه به همراه رزین پلی استر در آن استفاده می شود. استفاده از پرکننده شن در رزین پلی استر تاثیر بسزایی در پایداری لوله های GRP دارد.
مارتینی5 و الاین[1] 6 اثر اعمال تنش در دو زاویه ی پیچش الیاف برروی خواص فیزیکی و مکانیکی لوله های کامپوزیت GRP را مورد بررسی قرار دادند. در همین مدت الاین و همکارانش [2] شکست و آسیب لوله های کامپوزیت را بررسی کرده و توزیع تنش- کرنش و شکست الیاف/ اپوکسی تحت تنش های مختلف - تنش محوری/ تنش مماسی - به صورت تجربی ارزیابی گردید.
چانگ[3]7 از روش انتشار آکوستیک برای شناسایی شکست در الیاف مخازن تحت فشار استفاده کرد و نتایج بدست آمده تطابق خوبی با معیار گسیختگی هافمن، سای-هیل و سای-وو داشت. فرشاد و نیکولا[4] 8 تعدادی آزمایش دراز مدت بر روی لوله های GRP تولید شده با روش رشته پیچی برای دستیابی به میزان خوردگی انجام دادند. برای حصول نتایج از آزمایش های تجربی، آن ها از تجزیه و تحلیل رگرسیون استفاده کردند و روند انجام این آزمایش نشان دهنده ی تغییر شکل عمودی لوله در مدت زمان انجام آزمایش بود که منجر به شکست نمونه های تست گردید.
آنها گزارش دادند که ظرفیت تغییر شکل لوله GRP در محیط اسیدی به طور چشمگیری درمقایسه با نمونه خشک تحت بارگذاری استاتیکی، کاهش می یابد. هیل9 و همکارانش[5] مکانیزم شکست در لوله های کامپوزیتی با استفاده از میکروسکوپ نوری را مطالعه کردند.
مایر10 و الاین [6] شکست لوله های تقویت شده با الیاف شیشه را مورد مطالعه قرار دادند و تست چند محوری تحت نسبتهای مختلف تنش محوری و تنش محیطی در یک سیستم تست ام تی اس11 در لوله های تولید شده با الیاف انجام دادند و برای مشاهده اولین حالت شکست، نتایج را گزارش کردند.
ملو12 و همکارانش [7] مطالعاتی بر روی فشار شکست لوله های GRPرا از طریق مشاهدات تجربی و همچنین پیش بینی برای شکست لایه اول با استفاده از المان اجزای محدود و معیارهای شکست کامپوزیت انجام دادند.
در این تحقیق به بررسی شکست براساس معیار های گسیختگی در لوله ی GRP پرداخته می شود. همچنین مقدار فشار شکست در لوله های با هسته و بدون هسته محاسبه شده است. از طرفی تاثیر ضخامت هسته و لایه ها در لوله ی GRP مورد ارزیابی قرار گرفته است.
-2 تحلیل شکست در لوله های : GRP
شکست معمولا به دلیل رشد ترک در ماتریس رخ می دهد و در این هنگام مایع از دیواره لوله خارج می شود. نشت مایع و تشکیل قطرات مایع بر سطح خارجی لوله نشان دهنده ی شکست در لوله می باشد. برای تشخیص شکست هر یک از لایه ها به صورت عملی، می توان مسیر نشت مایع را از داخلی ترین لایه تا بیرونی ترین لایه مورد بررسی قرار داد. اگر در لایه ای شکست اتفاق بیفتد خواص مکانیکی مربوط به لایه کاهش می یابد.
در این مطالعه از سه معیار گسیختگی سای-وو، سای-هیل و ماکزیمم تنش استقاده می شود. جهت استفاده از معیارها از مفهمومی به نام ضریب شکست استفاده می شود. این ضریب به صورت نسبت تنش به تنش ایمن براساس هر کدام از این تئوری ها تعریف می شود. هنگامی که لوله تحت بارگذاری دلخواه قرار می گیرد، وضعیت تنش در صورتی ایمن هست که ضریب شکست همواره براساس هر یک از این معیار ها کمتر از یک باشد. مادامی که این ضریب کمتر از یک است هیچگونه شکستی رخ نمی دهد، اما به محض اینکه ضریب شکست برابر 1 یا بزرگتر از این مقدار شد، شکست در هر لایه اتفاق افتاده است. با این روند شکست در همه ی لایه های لوله مورد بررسی قرار می گیرد.
جدول.1 خواص مکانیکی لایه کامپوزیت
طول لوله طراحی شده 2 متر و ضخامت هر لایه 0/417 میلی متر و ضخامت هسته 0/5 میلی متر می باشد. لوله GRP تحت فشار داخلی هیدرواستاتیکی 10 Mpa قرار دارد و شعاع داخلی آن 30 میلی متر در نظر گرفته شده است. لوله GRP مورد نظر به صورت چند لایه در نظر گرفته شده که هر لایه، زاویه پیچش الیاف مشخصی را به خود اختصاص داده است و لایه چینی این لوله به صورت [ ± 55°]3 می باشد. خواص مکانیکی لایه ها از جدول 1 و خواص مکانیکی هسته را می توان از جدول 2 مشاهده نمود. نتایج بدست آمده از میانه لوله استخراج شده و از اثر لبه ها در نتایج چشم پوشی شده است.
