بخشی از مقاله
چکیده
شکلدهی محصولات ورقی همواره با محدودیتهایی مانند چینخوردگی، پارگی و برگشت فنری همراه است. یکی از روشهای نوین کنترل این عیوب استفاده از تکنیکهای شکلدهی به کمک مومنتوم سیال متحرک با سرعت بالا است. ضربه قوچ - Water Hammer - پدیدهای است که با کنترل دبی سیال متحرک، افزایش ناگهانی فشار سیال ایجاد و به صورت یک پالس ضربه با سرعت ثابت حرکت می کند. در این تحقیق انرژی ضربه قوچ آب در داخل قالب چکشی برای کشش متقارن محوری یک ورق آلومینیوم آلیاژی AA2024-T3 هدایت و بکارگرفته شده است.
پالس فشار سیال به صورت تابعی از سرعت چکش، چگالی و ارتفاع سیال بصورت تحلیلی محاسبه و در مدل عددی مورد استفاده قرار گرفت. آب به عنوان سیال تراکم ناپذیر و جداره قالب صلب فرض شد. رفتار ورق کشسان خطی، مومسان غیر خطی با مدل رفتاری جانسون-کوک و حساس به نرخ کرنش در نظر گرفته شد. برای مدلسازی پارگی ورق، از معیار آسیب پیشرونده نرم جانسون-کوک استفاده شد. با تکنیک حذف المان، پارگی در المانهای مرتبط مشخص شد. در این تحقیق اثر سرعت چکش بر هندسه نهایی محصول بدست آمد و نوآوری آن بدست آوردن سرعت بحرانی و عمق بیشینه قابل دستیابی در کشش با چکش آبی می باشد.
-1مقدمه
کشش عمیق جزء فرایندهای شکلدهی ورق محسوب میشود که در آن یک ورق فلزی تحت تاثیر نیروی مکانیکی قالب سنبه و ماتریس به شکل مطلوب میرسد. این فرایند ممکن است با کشش در چندین مرحله در قالبها انجام شود.
به منطقه فلنج ورق - زیر ورقگیر - تنش شعاعی کششی و تنش محیطی فشاری وارد میشود. این تنش فشاری باعث ایجاد چروکیدگی1 در ورق میشود که اغلب با نیروی ورقگیر کنترل می شود. مشخصه اصلی این فرآیند آن است که نیروی ورقگیر مانع از حرکت شعاعی نمی شود. این فرآیند در تولید قطعات صنایع غذایی، دارویی، بهداشتی، صنایع خودرو و نظامی به وفور استفاده می شود. در کشش عمیق سنتی از قالب سنبه و ماتریس برای کشش بلانک اولیه استفاده می شود. اگرچه این فرایند به دلیل قطعاتی که به این وسیله تولید میشوند، اغلب کشش عمیق نامیده میشود ولی برای تولید قطعاتی که عمق کم یا متوسطی دارند نیز به کار میرود.
در سالهای اخیر به منظور کنترل عیوبی مانند چینخوردگی، برگشت فنری2 گلویی شدن و پارگی در محصولات کشش از روشهای شکلدهی سریع استفاده شده است . سرعت بالای تغییر شکل میتواند در افزایش حد کشش ورق فلزی موثر باشد. تغییر شکل خیلی سریع - ضربه - باعث می شود کرنش شکست به میزان قابل توجهی نسبت به نمودار تغییر شکل تست کشش افزایش یابد. خصوصا برای مواد ترد که در حالت شبه استاتیکی شکل پذیری پایینی دارند در شکلدهی ضربهای حد کرنش به مقدار قابل قبولی افزایش می یابد. .[3] در مجموع شکلدهی سریع مزایای مهمی دارد که می توان به موارد ذیل اشاره کرد:
-1 بهبود قابلیت شکل پذیری، خصوصا در شکلپذیری آلومینیوم آلیاژی در دمای اتاق و شرایط کرنش صفحهای که افزایش تغییر طول نسبی بیش از 100 درصد مشاهده شده است.
-2 هنگامی که ورق فلزی با سرعت بالا به سطح قالب برخورد می کند، تنش های فشاری بالایی در آن ایجاد می شود. این امر می تواند سبب کاهش برگشت فنری، بهبود صافی سطح و افزایش شکل پذیری ورق شود.
-3 در شکل دهی سریع ورق هر جزء از ورق تمایل دارد که در جهت جریان اولیه حرکت کند، از آنجایی که
چینخوردگی معمولا با تغییر جهت حرکت همراه است، در سرعت بالا به دلیل اینرسی ماده، چین خوردگی کاهش می یابد. ضربه قوچ3، برگرفته از واژه فرانسوی Coup De Belier پدیدهای است که از رفتار طبیعی سیال در اثر تغییر ناگهانی دبی،سرعت و فشار جریان رخ می دهد و چون این پدیده یک حالت زودگذر و موقتی است، پس از آن که این موج مستهلک گردید، جریان دوباره به حالت پایدار و دائمی دیگری که متفاوت از حالت اولیه است می رسد. می توان اثرات آن را در سیستمهای تحت فشار به موج های الکتریکی و مکانیکی تشبیه نمود. به بیان دیگر، ضربه قوچ که در نتیجه تغییرات دبی یا سرعت رخ می دهد، مقدار معینی نیرو ایجاد می کند که به صورت موج با سرعت ثابت در بالادست و یا پاییندست سیال حرکت می کند.
انتشار انرژی حاصل از ضربه قوچ شبیه امواج صوت است که در فیزیک از آن به عنوان موجی که موجب تغییر شکل کشسان محیط می گردد، اسم برده شده است. جریان سیال تحت فشار حاوی اندازه حرکتی است که از حاصلضرب سرعت در جرم بدست می آید. با تغییر ناگهانی دبی که با تغییر سرعت همراه است، اندازه حرکت سیستم و بالتبع فشار سیال نیز تغییرخواهد کرد. از این پدیده به عنوان چکش آبی نیز تعبیر شده است
در سال 1850 وبر، اثر کشسانی دیواره یا جداره لوله ها را بر روی سرعت موج حاصل از ضربه قوچ مطالعه نمود. در سال 1875 ماری به صورت آزمایشگاهی نشان داد که سرعت انتشار موج فشار ضربه قوچ تحت یک شرایط معین، ثابت می باشد، جولز نیز به مطالعه اثر محفظه فشار در استهلاک موج فشار ضربه قوچ پرداخت.
ژوکوسکی، در سال 1898 برای اولین بار نشان داد که علت بالا رفتن فشار در مسیر خط لوله انتقال در نتیجه تغییر سرعت و جرم مخصوص سیال است. وی رابطهای برای تعیین و محاسبه سرعت انتشار موج فشار ناشی از ضربه قوچ ارائه نمود. در سال 1913 آلیوی و همکاران به تجزیه و تحلیل جدیدی از فرآیند ضربه قوچ رسیدند و دامنه مطالعات قبلی را به صورت گسترده ای بسط و توسعه دادند. ایشان روش ریاضی و ترسیمی را برای تعیین فشار ضربه قوچ ابداع و ارائه نمودند .
تحقیقات انجام شده در خصوص استفاده از پدیدهی ضربه قوچ در روش های ساخت به ویژه شکلدهی فلزات بسیار محدود می باشد. طاولی و همکاران از یک چکش ضربهای سقوط آزاد برای اعمال بار بر روی یک قالب هیدرو فرمینگ استفاده کردند و لولهی تی شکل مسی و آلومینیومی را به کمک آن شکل دادند
در مقاله حاضر به مطالعه عددی فرایند شکلدهی ضربهای یک ورق آلومینیومی به کمک سیال تراکمناپذیر تحت بار فشار پالسی ناشی از سقوط وزنه پرداخته شده است. برای ساده سازی فشار سیال با یک تابع ریاضی پالس مدل شده است و اثر تابع بر کیفیت شکل دهی محصول مورد مطالعه قرار گرفته است.
-2تئوری ضربه قوچ
تئوری ضربه قوچ اولین بار توسط مهندس ایتالیایی لورانزو آلیوی با دو رویکرد متفاوت مورد مطالعه قرار گرفت.[7]
الف - نظریه رفتار صلب ستون آب
بر طبق این نظریه در نتیجه اختلاف فشاری که در دو سر یک ستون آب بوجود میآید، شتابی آنی حاصل می گردد که موجب ایجاد ضربه قوچ می شود. این نظریه بر اساس فرضیات زیر حاصل شده است:
-1 جریان در سیستم به صورت یک جریان دائمی و پایدار فرض می شود، لذا دبی و سرعت جریان نسبت به زمان تغییر نمی کند و یا به عبارتی:
-2 لوله جریان به صورت کاملا صلب فرض می شود و لذا کاهش و یا افزایش فشار موجب کرنش جدار لوله نخواهد شد.
-3 سیال داخل لوله جریان غیر قابل تراکم بوده و لذا وزن مخصوص آن تحت تاثیر فشار قرار نمی گیرد و یا به عبارت دیگر:
ب - نظریه رفتار کشسانی
در این نظریه پدیده ضربه قوچ به طور جامعتر مورد مطالعه قرار میگیرد. در این حالت که به واقعیت امر نزدیکتر است، سیال را قابل تراکم در نظرگرفته و جدار لوله جریان نیز تغییرشکلپذیر بوده و با کاهش و یا افزایش فشار ضربه قوچ در جهت طول و قطر لوله انبساط و انقباض اتفاق می افتد.
سهولت بکارگیری روش رفتار صلب ستون آب و نتایج مطلوب و در عین حال سریع آن موجب شده که در اغلب پژوهشهای مرتبط با کمک روش های عددی و رایانههای پرسرعت، از این نظریه برای حل مسائل ضربه قوچ استفاده شود. هنگامی که سیال تراکمناپذیر در نظر گرفته می شود - مانند آب - ، کشسانی جداره پیستون و لوله قابل صرفنظر است و این پدیده می تواند طبق تئوری ستون صلب آب تعریف شود. در این حالت برای تعیین رابطهای جهت توجیه پدیده ضربه قوچ از معادلات جریان ناپایدار استفاده می شود که پدیده ضربه قوچ خود در این شرایط بوجود می آید.
بر اساس قانون دوم نیوتون رابطه بین نیرو، جرم و شتاب در مسیر خط جریان بصورت زیر ارائه می شود:
حال میتوان به سادگی با استفاده از رابطه فوق به معادله مشهور اولر4 رسید: بدلیل کوتاه بودن ستون آب = 0 و سرعت جریان تنها تابعی از زمان خواهد بود و اگر مقدار در جریانهای پایدار و ناپایدار مساوی فرض شود، رابطه 3 بصورت زیر بیان می شود
