بخشی از مقاله
چکیده
در پژوهش حاضر، پاسخ ضربه سرعت پایین روی تیرهای ضخیم FGM با شرایط مرزی کلی در میدان حرارتی تجزیه و تحلیل شده است. تیرهای FGM، مرکب از فاز سرامیک و فولاد ضد زنگ می باشند که خواص مکانیکی آنها در طول ناحیه ضخامت از یک سمت به سمت دیگر به صورت لایهای و تدریجی و بر اساس کسر حجمی تغییر میکند. پاسخ ضربه سرعت پایین به ازای تغییرات جرم و سرعت ضربهزننده مورد بررسی قرار گرفته شده است.
مشاهده شده است که به ازای افزایش جرم ضربه زننده زمان اثر نیرو افزایش یافته است و به ازای افزایش سرعت ضربه زننده مقدار ماکزیمم آن افزایش و هردو حالت سبب افزایش سطح زیر نمودار نیرو زمان شدهاند. در پایان تانسور تنش وسط تیر پس از برخورد، نمودار خیز وسط تیر بر حسب زمان، تنش تماسی برحسب زمان و تنش تماسی بر حسب خیز وسط وسط نمایش داده شده و با نتایج تحلیلی آن مقایسه شده است. همچنین تاثیر دمای محیط بر روی نیروی تماسی نیز بررسی شده است.
-1 مقدمه
مواد تابعی از جمله موادی هستند که به واسطه تغییر تدریجی ترکیبات شیمیایی، توزیع و جهت گیری و یا اندازه فاز تقویت کننده در یک یا چند بعد خواص متفاوتی را در مناطق مختلف از خود بروز می دهند. این تغییر تدریجی ساختار و خواص منجر به گسترش کاربرد این گونه مواد شده است. بخصوص در مواردی که نیاز به خواص متفاوت در مناطق مختلف باشد. با توجه به کاربردهای مختلف این مواد در صنایع هوایی، نظامی و دفاعی، بررسی روش ها و تکنیک های ساخت این مواد از اهمیت و ضرورت بالایی برخوردار است.
ایده مواد مرکب - کامپوزیتها - در پایان دهه - 1940 - و آغاز دهه - 1950 - در صنایع دریایی عملی شد. مواد مرکب از ترکیب دو یا چند ماده متفاوت بوجود می آیند که خواص فیزیکی متفاوت و گاهی ناسازگار از خود بروز می دهند. عدم سنخیت رفتار مواد کامپوزیتی، موجب ایجاد تمرکز تنش و ایجاد گسستگی در مرز لایه ها در اثر بار گذاری مکانیکی و حرارتی میشود.
در مواد FGM به دلیل پیوستگی موجود در خواص مکانیکی، حرارتی و مغناطیسی، تنش ها و گرادیان آنها حالت پیوسته ای پیدا می کنند که موجب استحکام ماده میشود و همین تغییرات تدریجی خواص در ساختار مواد FGM موجب استحکام بین لایه های مختلف آن میشود. در صورتی که در مواد مرکب کامپوزیتی، تداخل بین ساختار های زمین های الیاف، نوعی ناهماهنگی در خواص مکانیکی ایجاد میکند.
مواد FGM در ابتدا در سال - 1984 - توسط گروهی از دانشمندان در دانشگاه سندائی ژاپن مطرح گردید. از آن پس بر روی مواد FGM تحقیقات وسیعی انجام شد. بدلیل خاصیت تغییر پیوسته این مواد در فضای با مقیاس ماکروسکوپیک، گاهی اوقات استفاده از FGM از نظر رفتار مکانیکی نسبت به مواد با ساختار فیبری، ترجیح داده میشود.
این مواد با توجه به روش های ساخت، به دو دسته کلی تقسیم می شوند: نازک و حجمی. نوع نازک شامل مقاطع باریک و پوشش های سطحی میشود و نوع حجمی شامل شکلهای حجمی با فرآیندهای تولید بشدت مشکل هستند. این تقسیم بندی در شکل - 1 - نشان داده شده است. با در نظر گرفتن قابلیت های این مواد، برخی از کاربردهای مواد FGM عبارت است از: هواپیما، فضاپیما، اتومبیل، کاربردهای دفاعی درپوششهای زرهای، پزشکی، سنسورها، در حوزه انرژی، کاربردهای الکترونوری و غیره.
شکل -1 انواع مواد FGM بصورت نازک و حجمی
روشهای مختلفی از قبیل: رسوب بخار1، روش شکلدهی آزاد صلب2، روش متالورژی پودر3، روش تزریق4، روش گریز از مرکز5 برای ساخت مواد تابعی وجود دارد.
مواد هدفمند اینگونه توصیف شدهاند که فاز تقویت کننده و مواد زمینه در حالت پیوسته - نه بصورت گسسته مانند مواد مرکب - بتدریج تغییر میکند. هر ماده چند فازی محدودهایی از فضا را به خود اختصاص میدهد، لذا به صورت تابعی شناخته شده است.
این مواد قادر به تحمل درجه حرارت بسیار بالا و اختلاف درجه حرارت شدید بوده و مقاوم در مقابل خوردگی و سایندگی بوده و مقاومت بالایی در مقابل شکست دارند. در حال حاضر از این مواد برای سازههایی که باید در مقابل درجه حرارت بالا مقاوم باشد، استفاده میشود. امکان بهینه کردن تغییرات تنش در مواد هدفمند با تغییر مناسب پروفیل مواد ساختاری از ویژگی های برجسته این مواد است. با پیشرفت صنایع جدید، بسیاری از ماشین ها و سازه ها با دمای بالا مواجه هستند که انواع مختلف بارگذاری های حرارتی را در پی خواهد داشت.
یکی از علتهای تنش حرارتی، افزایش دما می باشد. وقتی یک ماده با تغییرات دما روبرو میشود، لایه های مختلف ماده، مقادیر مختلفی انبساط پیدا میکند. برای حفظ پیوستگی ماده، یک سیستم تنش و کرنش حرارتی معرفی میشود که بستگی به شکل جسم و توزیع دما در جسم دارد. حتی هنگامی که تغییرات دما وجود ندارد، ممکن است تنش حرارتی به وجود آید. به طور مثال هنگامی که انبساط آزاد توسط قیدهای خارجی محدود می شود. این مورد هنگامی رخ می دهد که یک جسم، از مواد مختلفی با ضرایب انبساط مختلف تشکیل شده و یا دارای ناهمگنی در ریز ساختار باشد. قطعاتی که از جنس مواد ترد هستند، تنش های حرارتی - به اضافه تنش های مکانیکی حاصل از نیروهای خارجی - می تواند باعث ایجاد ترک و شکست قطعه شود.
مواد تابعی به دلیل داشتن ساختار خاص ، در برابر ضربه میتوانند مقاومت بالایی از خود نشان دهند. بنابراین تحلیل و بررسی رفتار این مواد در برابر ضربه از اهمیت بالایی برخوردار میباشد.
در سال - 1999 - گانگ1 و همکارانش [1] اثر ضربه سرعت پایین را بر روی پوستههای استوانهای FGM مورد بررسی قرار دادند. آنها یک راه حل تحلیلی برای پیشبینی پاسخ ضربه در پوستههای FGM با یک یا چند لایه ارائه دادند. راه حل آنها شامل تغییر شکلهای برشی متقاطع و تغییر شکلهای تماسی بود. آنها فرض کردند که خواص مواد FGM به طور پیوسته در راستای ضخامت پوسته بر طبق یک رابطهی توانی بر حسب کسر حجمی تغییر میکند. در تحقیق آنها چهار نوع پوستهای استوانهای مرکب از فولاد ضد زنگ و نیترید سیلیکون بررسی شد و پاسخهای گذرای آنها به ضربه ارائه گردید.
در سال - 2008 - اعتمادی و همکارانش [11] ضربه سرعت پایین را بر روی سازههای ساندویچی با هستهی FGM مورد بررسی قرار دادند. آنها برای کاهش تنشهای برشی ناشی از اختلاف مدول یانگ بین پوسته و هسته و همچنین افزایش مقاومت در برابر ضربه، از مواد FGM در هستهی سازهی ساندویچی استفاده کردند. در تحقیق آنها سازهی ساندویچی با هستهی FGM در حالیکه هستهی آن در راستای ضخامت به صورت خطی در دو حالت متقارن و نامتقارن تغییر میکند، تحت اثر ضربهی سرعت پایین قرار گرفت. برای مدلسازی ضربه از روش المان محدود و همچنین از نرمافزارهای LS-DYNA و ANSYS استفاده شد و نتایج آن با جوابهای تحلیلی موجود مقایسه شد.
در سال - 2010 - حسینی و ابوالبشری [13] یک روش تحلیل پاسخ دینامیکی یک استوانه جدار ضخیم از جنس مواد هدفمند تابعی تحت بار ضربهای ارائه دادند. معادلهی حرکت موج با استفاده از یک روش تحلیلی که بر پایهی ترکیب توابع بسل بود حل گردید و نتایج عددی آن ارائه شد.
تنها تعداد اندکی از تحقیقات پیرامون تست ضربه سرعت پایین بر روی مواد هدفمند با فرمول ریاضی وجود دارد. دلیل اصلی آن میتواند مدلسازی نیروی بین ضربهزننده و هدف باشد.
در قسمت بعدی روند شبیهسازی و تحلیل در نرمافزار آباکوس2 تشریح داده شده است و در پایان نتایج آن با نتایح مرجع [19] مقایسه شده است.
-2 بیان مسئله
در این آنالیز، تحلیل تنش سه بعدی الاستیک یک تیر دو سر گیردار از جنس مواد هدفمند که تحت بار سرعت پایین در محیط دمایی قرار دارد انجام شدهاست - تحلیل ترموالاستیک - . تیر دارای ابعاد 153.5 10 15mm می-باشد. قسمت بالای آن از جنس سرامیک و قسمت پایین آن از جنس فولاد ضد زنگ میباشد. ضربه زننده به قسمت سرامیکی برخورد میکند. علاوه بر این مواد در منطقهی میانی و خواص موثر محلی الاستیک در این منطقه بر اساس یک رابطهی توانی که بر حسب کسر حجمی تغییر میکند تعریف شدهاست. تجزیه و تحلیل مورد نظر بر روی ضربهزننده صلب به یک تیر از جنس مواد هدفمند انجام شده است. جرم ضربهزننده 100 گرم و شعاع آن 12.7 میلیمتر میباشد. برای تحلیل برخورد از نرمافزار المان محدود آباکوس استفاده شده است.
روند حل مسئله
-1-2 مدلسازی
اولین گام در یک تحلیل مناسب ایجاد مدلی برای قطعه و یا سیستم موردنظر است. به عبارت دیگر اولین قدم برای تحلیل، مدل سازی است. مدل سازی درواقع ترسیم کامل مدل همراه با تمام جزئیات است . Part به بلوک هایی گفته میشود که در آباکوس ایجاد میشود.
