بخشی از مقاله
چکیده
ویژگی ذاتی تیرهای ساندویچی کامپوزیت افزایش سودمندی است.مدول الاستیک بسیار بالا، مقاومت بالا و وزن کم مواد کامپوزیتی دلیل تمایل بسیار زیاد استفاده از آنها در این سازهها میباشد .
بسیاری از محققان در مورد تیرهای ساندویچی با هسته غیر فلزی هانی کامب مطالعاتی را انجام دادهاند. فرضیات اصلی این است که تغییر شکلهای طولی خطی میباشند، به این صورت که مقطع صفحه بعد از تغییر شکل خطی باقی میماند و تغییر مکانهای عمودی در عمق هسته یکنواخت است.در این پژوهش به بررسی درک رفتار نفوذ پانلهای ساندویچی با بررسی نقش سفتی هسته و رویه در رفتار موضعی تحت یک عامل نفوذ کننده پرداخته شد.
برای تحلیل رفتار تیر ساندویچی با رویههای هدفمند و با خواص وابسته به دما تحت بارهای موضعی از یک تئوری تیر ساندویچی مرتبه بالای اصلاح شده استفاده شد. قابلیت و توانایی این تئوری در تحلیل تیرهای ساندویچی با رویههای هدفمند و هسته انعطافپذیر که تحت بارهای موضعی و حرارتی قرار گرفتهاند، با نتایج المان محدود مورد بررسی قرار گرفت.
نتایج به دست آمده از این پژوهش نشان میدهد که خصوصیات هندسی تیر ساندویچی که باعث افزایش میشوند، به ترتیب اهمیت عبارتاند از: ضخامت رویه بالایی، ضخامت هسته و ضخامت رویه پایینی.همچنین خصوصیات هندسی تیر ساندویچی که باعث افزایش میشوند، به ترتیب اهمیت عبارتاند از: ضخامت هسته، ضخامت رویه بالایی و ضخامت رویه پایینی، با افزایش سفتی رویههای هدفمند، طولهای انتشار افزایش مییابند.
.1 مقدمه
ویژگی ذاتی افزایش سودمندی سازههای ساندویچی و استفاده از کامپوزیتهای غیر ایزوتوپ لایهای در این سازهها - مانند ماشینهای هوایی و صنایع هوا فضا و ایستگاههای فضایی - ، همانند سازههای عمرانی و مکانیکی در دهه اخیر بررسی و توصیف شده است.مدول الاستیک بسیار بالا، مقاومت بالا و وزن کم مواد کامپوزیتی دلیل تمایل بسیار زیاد استفاده از آنها در این سازهها میباشد. به ویژه زمانی که کمترین وزن اهمیت خاصی داشته باشد - سازههای ماشینها و دستگاههای هوا فضایی - استفاده از این نوع مواد پیشنهاد میشود .
یک نوع از سازههای لایهای که بیشترین استفاده را هم در سازههای هوافضا و سازههای دریایی و هم در سازههای عمرانی دارد ، سازههای ساندویچی میباشد. سازههای ساندویچی استاندارد از سه لایه تشکیل شده است. دو لایه بیرونی آنها صفحات رویی یا رویهها نامیده میشوند که از صفحات نازک تشکیل شدهاند. این دو رویه با یک لایه میانی که هسته نامیده میشود، از هم جدا شدهاند.
در حالی که رویهها از موادی با مقاومت بالا - فولاد ، آلومینیوم یا پلاستیکها با الیاف تقویت شده - تشکیل شدهاند. لایه میانی از موادی با وزن ویژه کم - بالسا و لاستیکهای متخلخل و صفحات فلزی کرکرهای و مواد نرم فلزی و غیر فلزی - تشکیل شده است. هسته، سفتی و مقاومت کمتری نسبت به رویهها دارد. در پی به دست آوردن موادی با سفتی خمشی بالا با کمترین وزن اضافی و به دست آوردن سطح آیرودینامیک صاف در محدوده سرعت بالا سازههای ساندویچی اهمیت ویژهای پیدا کردند، چرا که بسیاری از خصوصیات با اهمیت مورد نظر در سازههای هوافضایی، دریایی و عمرانی را دارا میباشند. عمده این خصوصیات به شرح زیر میباشند:
الف: عایق بسیار خوب حرارت و صدا
ب: زمان بهرهبرداری بیشتری در مقایسه با سازههایی که با استرینگرها تقویت میشوند - که در صورت تمرکز تنش ضعیف میشوند - دارا میباشند.
ج: امکان طراحی به صورتی که تلرانسهای تغییر شکلهای گرمایی - همان طور که برای آنتنهای ماهوارهای - بسیار کم میباشد.
برای به دست آوردن سفتی بالاتر و مقاومت در برابر وزن بالاتر، در مواد قدیمی از صفحات رویه فلزی و هسته آلومینیومی نرم برای سازههای ساندویچی استفاده میشد. در سازههای ساندویچی پیشرفته از یک هسته ارتوتروپ نازک با رویههای ایزوتوپ استفاده شده است که به صورت یک کامپوزیت لایهای عمل میکنند. در حالتهای مشابه میتوانیم خواص فیزیکی و مکانیکی رویهها را با انتخاب صحیح مواد رویهها و ترتیب چیدن و جهت چیدن لایهها بهینه کنیم. انتخاب مناسب جهت الیاف و ترتیب چیدن آنها در بهبود نهایی مقاومت در مقابل کمانش و رفتار غیر خطی تحت شرایط بارگذاری متغیر بسیار مؤثر است. مدول الاستیسیته برشی هسته را میتوان برای بهبود بخشیدن به رفتار نهایی سازه ساندویچی بهینه کرد. پوستهها معمولاً از مواد مرکب با الیاف شیشه1 یا الیاف کربن ساخته شدهاند. در حالی که مواد هسته را فوم های انعطافپذیر یا مواد نرمی مانند هانی کامبها تشکیل دادهاند. از هستههای نرم با قابلیت توزیع بار زیاد ورق نامکس و رزین فنولیک میباشند.
پدیدهای شبیه به تمرکز تنش و تنش لایه لایه شدن - تنشهای نرمال میان پوستهها و هسته که عوامل بازدارندهای در عملکرد ساندویچهای عمومی با هستههای فلزی هانی کامب نمیباشند - ممکن است محدودیتهایی را در تیر با هسته نرم ایجاد کنند. عدم توجه به این تأثیرات ممکن است موجب اتفاق ناگهانی در آنها بشود. برای مثال شکست ناگهانی در باری پایینتر از مقداری که قبلاً برای شکست پیشبینی شده بود، اتفاق میافتد. تفاوت رفتار میان تیرهای ساندویچی عمومی و پیشرفته اساساً مربوط به انعطافپذیری هسته میباشد.
هسته ای عمومی معمولاً از هانی کامبهای فلزی ساخته میشوند که این هانی کامبها در جهت عمودی بسیار سخت و بسیار انعطافناپذیر میباشند و در جهت طولی از سختی آنها اغلب صرفنظر میشود. هستههای پیشرفته از مواد سبک ساخته میشوند - فومهای پلاستیکی یا هانی کامبهای غیر فلزی - و به طور کلی دارای سفتی بسیار پایینی هستند. رویهها نسبت به این هستهها سفتی بسیار بالایی دارند - در حدود 2 تا 3 برابر - . این هستهها دارای ویژگیهایی شبیه به هستههای عمومی میباشند. ولی به علت سفتی بسیار پایین آنها، در جهت عمودی انعطافپذیر میباشند. این انعطافپذیری در رفتار کلی آنها به صورتهای زیر تأثیر میگذارد:
-1 موجب تنشهای برشی و تنشهای لایه لایه شدن در هسته و در لایه میانی هسته و رویه میگردند.
-2 نیروهای برشی و ممانهای خمشی را در رویهها افزایش میدهد - همانند تنشها و تغییر شکلها -
-3 موجب تغییر شکلهای نابرابر در رویههای مختلف در تیرهای با هسته عمومی غیر صفحهای میشود - برای مثال رویههایی که تنشهای طولی در آنها صفراند و تنشهای برشی عمودی به جهت عمودی غیر وابسته است و در جهت عمودی بسیار سخت میباشند - .
بسیاری از محققان در مورد تیرهای ساندویچی با هسته غیر فلزی هانی کامب مطالعاتی را انجام دادهاند. فرضیات اصلی این است که تغییر شکلهای طولی خطی میباشند، به این صورت که مقطع صفحه بعد از تغییر شکل خطی باقی میماند و تغییر مکانهای عمودی در عمق هسته یکنواخت است. رایزنر1 تأثیرات کرنش برشی را در خمش در نظر گرفت، ولی فقط رفتار خمش متوسط تیر ساندویچی را در نظر گرفت. محققان دیگر نظیر هوکمن2 ، سوآرتز و روساتو3 ، آلن4 و پلانتما5 فرض کردند که هسته غیر صفحهای فقط دارای مقاومت برشی است.
در کتاب مکانیک6 روش طراحی برای سازههای ساندویچی عمومی انتشار یافت . اما تأثیرات انعطافپذیری عمومی هسته را روی رفتار کلی و تأثیرات آن را روی رفتار سازه در نزدیکی محل اعمال بار متمرکز و یا گسترده و یا در تکیهگاهها در نظر نگرفت. البته این روش برای سازههای ساندویچی با هستههای تراکمناپذیر مناسب است. روش آنالیز هسته ساندویچ غیر صفحهای با رویههای غیر ایزوتوپ و کامپوزیتی توسط هولت و وبر7 و پیرس8 و مونفورتون و ابراهیم9 ارائه شد .
اجالو 10 تغییر شکلهای متفاوتی را برای دو رویه در نظر گرفت، ولی از تنشهای لایه لایه شدن صرفنظر کرد. اوگورکیوایز و سای11 رفتار تیر ساندویچی را با هسته فومی به صورت تیر معمولی با خصوصیات یکنواخت شرح دادهاند. در مقالات جدید فراستیگ و باراچ12 روش جمع آثار را برای محاسبه تأثیرات انعطافپذیری عرضی هسته به کار بردند و رفتار تیرهای ساندویچی با رویههای برابر و نابرابر و با هسته نرم را مطالعه کردند. در آخرین روشها از تئوری تیر استفاده میشود و فرض میشود که مقطع صفحه هسته بعد از تغییر شکل خطی باقی بماند.
یک تیر ساندویچی با هسته انعطافپذیر در جهت عرضی بایستی با تئوری پیشرفتهتری نسبت به تئوریهای کلاسیک بررسی شود. از فرضیات عمومی دیگر که توسط بسیاری از محققان در نظر گرفته شده است، این است که ارتفاع هسته را تحت هر شرایطی بدون تغییر در نظر گرفتهاند. این فرضیات وقتی که بارهای گسترده موضعی و یا متمرکز وجود داشته باشد، نقض میشوند، مشابه آنچه در این تحقیق انجام خواهد شد.
