بخشی از مقاله
خلاصه
فرآیند ساخت مواد لوله های GRP به گونه است که احتمال وجود ترک در این لوله ها را افزایش می دهد. اثرات منفی ترکها در رفتار مکانیکی لوله، اهمیت ترمیم آنها را روشن می سازد. هدف از این مطالعه بررسی اثر وصله ی کامپوزیتی کولار/ اپوکسی بر کاهش ضریب شدت تنش در نواحی دارای آسیب ترک در لوله های کامپوزیتی GRP می باشد. بدین منظور، ترک در راستای زاویه ی پیچش الیاف در لایه داخلی و بیرونی در نظر گرفته می شود و همچنین ضریب شدت تنش در صورت وجود وصله ی کولار/ اپوکسی با زاویای پیچش مختلف الیاف محاسبه می گردد.
مقایسه ی نتایج حاصل از ضریب شدت تنش در صورت وجود یا عدم وجود وصله های کامپوزیتی مورد نظر، نشان می دهد که به کمک وصله ی پیشنهادی، ضریب شدت تنش در ناحیه ی ترک کاهش قابل ملاحظه ای داشته است و در نهایت بهینه ترین لایه چینی وصله کولار/ اپوکسی برای کاهش جابجایی در طول ترک، زاویه ی 60 بوده به طوری که میزان جابجایی در شرایط ترمیمی، یک پنجم وضعیت بدون وصله می باشد.
.1 مقدمه
با توجه به ضعف های موجود در انواع لوله ها از جمله سنگین بودن، استحکام پایین، خوردگی بدنه، هزینه ی نصب بالا و عمر پایین، لزوم استفاده از لوله های کامپوزیتی مطرح می شود که می تواند بسیاری از ایرادات وارده را برطرف نماید و همچنین نیاز بسیاری از صنعتگران را در زمینه های مختلف تامین نماید. بسیاری از لوله ها در صنایع، تحت تاثیر همزمان فشار درونی و محیط خورنده قرار دارند. می دانیم که هر یک از دو عامل یاد شده نقشی در رشد ترک های موجود در پوسته ها ایفا می کنند .
پس از پایان دوران نهفتگی، مرحله ی رشد ترک آغاز می شود. مقاومت ماده و نرخ آزاد سازی انرژی در نحوه ی رشد ترک تاثیر گذار است. در چند دهه گذشته مهمترین روش عددی مورد استفاده در تحیل مسائل مختلف، از جمله مسائل مرتبط با مکانیک شکست، روش اجزای محدود بوده است. این روش دارای مزیت های بسیاری است که باعث ساده سازی حل برخی مسائل مانند مسائل مربوط به حوزه مکانیک شکست می شود
. به همین دلیل نیاز بود تا روش جایگزینی که در اصول اولیه مشابه روش المان محدود بوده، اما کاملتر از این روش هستند، مورد استفاده قرار گیرد. روش هایی نظیر اجزای محدود تعمیم یافته و یا اجزای محدود توسعه یافته نتیجه نیاز برای تولید روش های دقیق تر و کامل تری نسبت به روش المان محدود هستند. روش های فوق در ماهیت مشابه هستند ولی در جزئیات نسبت به هم متفاوت اند که این تفاوت باعث کارامدتر شدن هر یک از این روش ها در زمینه خاصی می شوند
شکریه و همکاران [2] مدافع این نظریه هستند که نرخ رهایی انرژی کرنشی بحرانی در کامپوزیت ها یک پارامتر مادی نبوده و مقدار آن وابسته به لایه چینی و سایر پارامترهای هندسی است و زوایای لایههایی که جدایی بین لایه ای بین آنها اتفاق می افتد نقش تعیین کننده ای در اندازه ی نرخ رهایی انرژی کرنشی بحرانی ایفا میکند طبق نظر این محققین جهت تعیین نرخ رهایی انرژی کرنشی بحرانی در دو نمونه با لایه چینی متفاوت در اطراف ترک جدایی بین لایه ای، به آزمایش های جداگانه ای نیاز است.
به دلیل تنوع لایه چینی در کامپوزیت ها و پیچیدگی و هزینه بر بودن آزمایش های تعیین نرخ رهایی انرژی کرنشی بحرانی، هر نوع لایه چینی مستلزم آزمایش مجزا است که این روند نیازمند صرف هزینه قابل توجه خواهد بود .نظریه دیگر مطابق تئوری گریفیت، این است که نرخ رهایی انرژی کرنشی بحرانی یک پارامتر مادی بوده و دلایل تغییر آن از یک لایه چینی به لایه چینی دیگر ایجاد پدیده هایی از جمله مکانیزم های تخریب جدید است. طبق نظریه این محققین پدیده هایی ازجمله ترک های ماتریسی و الیاف موجب تغییر نرخ رهایی انرژی کرنشی بحرانی می شوند.
به کمک روش اجزای محدود توسعه یافته تحلیل ناپیوستگی از جمله ترکها، بسیار سادهتر شده است و برای محاسبه ضریب شدت تنش و یا نسبت انرژی آزاد شده مناسب است .
دیاس و همکارانش استفاده از قوانین چسبندگی برای محاسبه نرخ رهایی انرژی کرنشی در حالت مود یک شکست در اتصال چسبی دو صفحه کامپوزیتی را پیشنهاد دادند.
لی و همکارانش یک راه حل تحلیلی برای محاسبه نرخ رهایی انرژی کرنشی در حالت مود یک شکست در نمونه تیر یک سر گیردار ارائه دادند.
در این روش تئوری تیر الاستیک و تئوری تیر اصلاح شده با یکدیگر ادغام شدند و مقدار نرخ رهایی انرژی کرنشی با استفاده از یک روش جدید محاسبه گردید. این روش هم برای محاسبه نرخ رهایی انرژی کرنشی در حالت جدایش بین لایه ای و هم برای شکست در اتصالات چسبی مورد استفاده قرار گرفت. برای اعتبار سنجی روش پیشنهادی نتایج حل عددی در حالت شکست در اتصال چسبی با نتایج آزمایشگاهی مقایسه گردید.
ویکتور و آنگل [6] رشد ترک در تیر کامپوزیتی را بررسی نمودند. آن ها ترک را روی تیر در دو مرحله با فواصل مساوی و نامساوی ایجاد کردند و تحقیقات آن ها مشخص نمود که با افزایش نسبت مدول الاستیسیته نسبت انرژی کرنشی آزاد شده نیز افزایش می یابد. گروگانو همکارانش روش اجزای محدود توسعه یافته را برای شبیه سازی رشد جدایش بین لایه ای خستگی حرارتی و پیش بینی جابه جایی دهانه ترک و نفوذ پذیری ورقه های کامپوزیتی ارائه دادند
معتمدی و همکارانش از روش اجزای محدود توسعه یافته برای تحلیل دینامیکی ترک های متحرک با توابع غنی سازی اورتوتروپیک مستقل از زمان در کامپوزیت ها استفاده کردند.
قاسمی و همکارانش از روش اجزای محدود توسعه یافته برای بررسی رشد ترک خستگی ورق های ترک دار آلومینیومی، تعمیر شده توسط وصله کامپوزیتی استفاده نمودند
همچنین میزان جابجایی در جهت الیاف لوله برای زوایای مختلف وصله و مقایسه با حالت بی وصله بررسی شده است. از طرفی میزان ضریب شدت تنش در صورت وجود یا عدم وجود وصله ی کامپوزیتی جهت تعمیر لوله GRP محاسبه شده است، که البته تا کنون در این زمینه تحقیقات مشابه انجام نشده است.
.3 مدلسازی و تحلیل روش اجزاء محدود
در این مطالعه با استفاده از روش کانتور انتگرال در نرم افزار المان محدود آباکوس برای مدل کردن ترک بر روی لوله استفاده شده است نوع المان انتخابی استاندارد سالید از نوع مربعی است. هر المان دارای 8 گره می باشد که 4 گره آن در گوشه ها و 4 گره دیگر در طول المان قرار دارد. هر یک از گره ها دارای 6 درجه آزادی است.
1,3 مدلسازی لوله GRP دارای ترک
برای مدلسازی لوله های GRP در این مقاله از نرم افزار المان محدود آباکوس نسخه 6.14 استفاده شده است . لوله کامپوزیتی مورد مطالعه نیز شامل چند لایه الیاف تقویت شده که خواص هر لایه تابعی از کسر حجمی فایبر و رزین می باشد . در مدلسازی لوله مورد نظر از 4 لایه تقویت شده با الیاف استفاده شده و خواص مکانیکی هر لایه در جدول1 آورده شده است
نحوه ی چیدمان لایهها در این مطالعه به صورت [±55 ]2 می باشد که ضخامت هر لایه 0.5 میلی متر و در مجموع ضخامت لوله 2 میلی متر خواهد بود. در حالی که طول لوله 1 متر است، شعاع داخلی و خارجی آن به ترتیب 48 میلی متر و 50 میلی متر انتخاب میشوند. همچنین این لوله تحت فشار داخلی به میزان 1 مگا پاسکال قرار خواهد گرفت. شرایط مرزی برای فشار داخلی در دو طرف لوله به صورت بسته- بسته و برای فشار محوری شرایط مرزی باز-باز در نظر گرفته شده است.
جدول-1 خواص مکانیکی لایه کامپوزیت
با استفاده از وصله ی کامپوزیتی، لوله ی دارای ترک تعمیر شده و میزان جابجایی قبل و بعد از استفاده از وصله در ناحیه ی ترک و همچنین ضریب شدت تنش محاسبه شده است. در شکل 1 شماتیک لوله GRP با ترک نشان داده شده است.
شکل -1 شماتیک لوله GRP با ترک محیطی
