بخشی از مقاله
چکیده
بطور کلی مواد هوشمند بصورت حسگر و تحریک کننده در سازه هاي مهندسی بسیار موفق عمل می نمایند. با این وجود، مطالعات صورت گرفته در حوزه کاربرد مواد هوشمند در سیستم هاي اتصال چسبی، بسیار کم است. منظور از بکار گیري سیستم اتصال هوشمند در لوله ها، کاهش تمرکز تنش و بهبود استحکام اتصال لوله می باشد.در این تحقیق، سیستم اتصال کامپوزیتی هوشمند داراي لایه هاي پیزو الکتریک بعنوان تحریک کننده مورد بررسی قرار گرفته است.بمنظور طراحی و بهینه سازي اینگونه اتصال، مدل تحلیلی بر اساس تئوري مرتبه اول برشی می باشد. این مدل قادر به در نظر گرفتن تاثیر الکترو مکانیکی اتصال با لایه هاي پیزو الکتریک می باشد.
بعلاوه وقتی، اتصال تحت ممان خمشی و ممان پیچشی در انتهاي اتصال قرار می گیرد، فرایند تحلیل با جزئیات تشریح شده است.روش فضاي حالت براي دستیابی حل تحلیلی شامل توزیع تنش برشی و عمودي در لایه چسب بکار گرفته شده است. در انتها شبیه سازي عددي براي توصیف طراحی و بهینه سازي سیستم اتصال تحت ممان خمشی، پیچشی و میدان هاي الکتریکی شامل اعمال میدان هاي الکتریکی مثبت ومنفی یه لایه هاي پیزو الکتریک در کاهش تمرکز تنش در لایه چسبی، مورد بحث قرار گرفته است.نتایج حاکی از آنست که با استفاده از مواد پیزوالکتریک در لوله می توان تمرکز تنش هاي برشی و نرمال در لایه چسب را با تنظیم و کنترل هوشمند میدان هاي الکتریکی ایجاد شده در لایه ها و نوارهاي پیزوالکتریک بکار رفته - متناسب با بارهاي خارجی وارده - بشدت کاهش داد.
واژه هاي کلیدي:اتصال لوله کامپوزیتی، لایه پیزو الکتریک، تحلیل تنش
مقدمه
با پیشرفت مواد چسبی و تکنیکهاي اتصال چسبی در دو دهه گذشته، کاربرد سیستمهاي اتصال چسبی در سازه هاي مهندسی از قبیل اتصال لب به لب، بست تسمه اي و اتصال لوله در صنایع هوا فضا ، اتومبیل سازي، سازه هاي مهندسی ساختمان و غیره بشدت افزایش یافته است. اخیرا، با افزایش مصرف بی رویه انرژي ، موضوع استخراج و حمل و نقل نفت و گاز یکی از داغترین موضوعات در جهان مطرح می باشد. کاربرد اتصال چسبی شامل اتصال چسبی لوله هاي در هم فرو رفته ، اتصال نر و مادگی و اتصال فلنجی در شبکه لوله هاي انتقال، یکی از موفق ترین روشهاي انتقال با هزینه کم در صنعت نفت و گاز همواره مطرح بوده و است.
پر واضح است که براي هر نوع سیستم اتصال چسبی، انتقال تنش در لایه چسب اتصال دو لوله از طریق تنش هاي برشی و عمودي می باشد. همچنین قسمت اعظم تمرکز تنش برشی/ عمودي، همواره در ناحیه لبه لایه چسب بروز می نماید. از اینرو، تمرکز تنش در ناحیه لبه لایه چسب، اصلی ترین دلیل بر شکست لایه چسب و خرابی در اتصال چسبی می باشد.در نتیجه بمنظور پیشگیري از شکست ناگهانی و غیر منتظره اتصال، کاهش تمرکز تنش در لبه لایه چسب، موضوع بسیار مهمی می باشد.بنابراین، چگونگی بهبود مقاومت و استحکام و افزایش قابلیت اطمینان اینگونه از سیستم هاي اتصال یکی از مطلوب ترین اهداف در عالم مهندسی می باشد. بکارگیري برخی روشهاي سنتی از قبیل گرد کردن لبه هاي تیز و کاهش ضخامت لایه چسب در سازه هاي مهندسی نسبتا موفق بوده است. بعلاوه برخی روش هاي مستحکم کردن مکانیکی از قبیل استفاده از نوارهاي تقویت کننده بمنظور کاهش تمرکز تنش در لایه هاي چسب بکار گرفته می شود.[1]
ولی نکته قابل تامل آنست که، تمامی این روشها، که بر اساس بهبود ابعاد هندسی و یا بهبود استحکام مکانیکی مطرح هستند، بصورت روشهاي کاملا غیر پویا و یا غیر هوشمند می باشند. و از اینرو قادر به واکنش در مقابل نیرو هاي اتفاقی و ناگهانی نیستند. در این تحقیق، سیستم هاي اتصال چسبی در لوله هاي کامپوزیتی با استفاده از مواد پیزوالکتریک ، که داراي خواص الکتریکی- مکانیکی بالایی هستند، و بصورت تحریک کننده هاي هوشمند عمل می نمایند مورد تحلیل قرار گرفته است.[2]مواد هوشمند بصورت حسگر و تحریک کننده در سازه هاي مهندسی بسیار موفق عمل می نمایند. با این وجود، مطالعات صورت گرفته در حوزه کاربرد مواد هوشمند در سیستم هاي اتصال چسبی، بسیار کم است. منظور از بکار گیري سیستم اتصال هوشمند در لوله ها، کاهش تمرکز تنش و بهبود استحکام اتصال لوله می باشد.[3]
اساس سازه اتصال در لوله هاي کامپوزیتی
بطور معمول، سیستم اتصال چسبی لوله از یک لوله اصلی، اتصال دهنده دو لوله و لایه چسب از قبیل اتصال لوله با نوار چسبی که در شکل - 1 - مشاهده می شود، تشکیل شده است. در این بررسی، یک سیستم اتصال کامپوزیتی با خاصیت الکترو مکانیکی بالاي موادهوشمند پیزوالکتریک در اتصال دهنده کامپوزیتی بعنوان حسگر و کاهش دهنده تمرکز تنش هاي برشی و عمودي در لایه چسب مورد مطالعه قرار گرفته است.
معادلات حاکم
در این تحقیق، براي مطالعه راندمان سیستم اتصال دهنده کامپوزیتی هوشمند لوله، از تئوري برشی مرتبه اول استفاده شده است. بر اساس این تئوري براي پوسته هاي نسبتا ضخیم، میدان تغییر مکان بصورت تابعی از مولفه هاي تغییر مکان صفحه میانی ج تw ,ت, v تuض در نظر گرفته شده است.[4]
به همین ترتیب، تنش نرمال ب در لایه چسب، با توجه به تغییر مکان نسبی شعاعی بین لوله و اتصال دهنده بصورت زیر تعریف می گردد.که ج تw ,ت, v تuض مولفه هاي تغییر مکان نقطه جت, ς,ξض در صفحه میانی پوسته، و ج φ,ϕض مولفه هاي دوران قائم جخضبر سطح مرجع نشان داده شده در شکل - 1 - می باشند. روابط کرنش- تغییر مکان در دستگاه مختصات عمومی پوسته بصورت زیر تعریف می شوند.[4]براي بدست آوردن معادلات حاکم بر اساس تغییر مکان براي بخش هاي مختلف سیستم اتصال لوله کامپوزیتی، نیروها و ممانهاي منتجه و روابط کرنش- تغییرمکان را در معادلات تعادل فوق قرار داده و بنابراین، معادلات حاکم بر اساس تغییر مکان در بخش هاي مختلف سیستم اتصال را بدست می آوریم.
با توجه به تاثیر لایه هاي پیزوالکتریک در جهت z و توزیع زاویه الیاف لایه ف ام لمینیت لوله کامپوزیتی، روابط تنش- کرنش لایه ف ام در سیستم مختصات پوسته بصورت زیر می باشد .[4]
تحلیل عددي براي بارگذاري خمشی
توزیع تنش هاي نرمال و برشی در لایه چسب وقتی سیستم تحت بارگذاري توام الکتریکی و مکانیکی قرار میگیرد در شکل هاي - 2 - تا - 4 - در جهت محور ς نشان داده شده است. براي مطالعه موردي، ت ξa و لص E ذصE در نظر گرفته شده است.بطور معمول براي یک لمینیت، نیروها و ممانهاي منتجه از تنش، با انتگرال گیري از تنش ها در جهت ضخامت بدست می آیند. معادلات تعادل براي هر بخش از سیستم اتصال - بعنوان مثال براي بخشی از لوله که در تماس با اتصال نمی باشد - ، بدین صورت است. شکل هاي - 2 - تا - 4 - نشان می دهند که، تمرکز تنش هاي برشی و نرمال در لبه انتهایی اتصال حادث می شود. با این وجود، با ایجاد میدان الکتریکی و تحریک لایه هاي پیزو الکتریک می توان این تمرکز تنش ها را کنترل و به مقدار قابل ملاحظه اي تغییر داد.
تحلیل عددي براي بارگذاري پیچشی
بمنظور حل معادلات حاکم، با توجه به اینکه سیستم تحت گشتاور پیچشی - 1 - قرار گرفته است.فرض می شود که تنش برشی در کل ضخامت لوله بصورت خطی تغییر می نماید و منتجه این تنش معادلQbςξ می باشد. در نتیجه تنش برشی در راستاي ضخامت از رابطه زیر بدست می آید.با استفاده از مدل تئوري توسعه یافته و روش حل، نتایج عددي براي تنش هاي عمودي و برشی در شکل هاي - 5 - تا - 7 - مشاهده می گردد. در این شکل توزیع تنش هاي نرمال و برشی در جهت ت - ξ جهت اتصال چسبی - وقتی که اتصال لوله کامپوزیتی تحت گشتاور113 نیوتن درانتهاي لوله قرار گرفته و میدان هاي الکتریکی لص E ذصE که به لایه هاي کامپوزیتی پیزوالکتریک اعمال شده، نشان داده شده است.
پر واضح است که میدان هاي الکتریکی اعمالی به لایه پیزوالکتریک، تاثیر شگرفی در توزیع تنش هاي نرمال و برشی داشته و تنش هاي نرمال و برشی حداکثر، در لبه هاي انتهایی اتصال دهنده رخ می دهد.
نتیجه گیري
در این تحقیق، سیستم اتصال کامپوزیتی هوشمند داراي لایه هاي پیزو الکتریک بعنوان تحریک کننده تحت ممان خمشی و ممان پیچشی در انتهاي اتصال مورد بررسی قرار گرفته است. بمنظور طراحی و بهینه سازي اینگونه اتصال، مدل تحلیلی بر اساس تئوري مرتبه اول برشی بکار گرفته شد. این مدل قادر به در نظر گرفتن
