بخشی از مقاله
چکیده
مزایای استفاده از مواد کامپوزیتی صنایع مختلف را قانع کرده است که از این مواد در ساخت تجهیزات و سازه های مختلف بهره ببرند. مخازن تحت فشار یکی از تجهیزاتی هستند که درصنایع مختلف کاربرد دارند. دلیل اصلی ساخت آنها با استفاده از مواد کامپوزیتی کاهش وزن و افزایش استحکام نسبت به وزن است. در این تحقیق اثر ضربه سرعت کم یک پرتابه به مخزن تحت فشار کامپوزیتی و توزیع و رشد آسیب در آن با استفاده از مدل آسیب برپایه مکانیک آسیب پیوسته بررسی شده است.
برای این منظور کد اجزای محدودی جهت تشخیص وپیش بینی شروع و رشد آسیب برای مواد کامپوزیتی چند لایه تهیه گردیده است. در نهایت استحکام باقیمانده مخزن فشار کامپوزیتی تحت فشار داخل تعیین و نتایج آن با نتایج تجربی مقایسه شده است. نتایج نشان میدهد که مدل آسیب انتخاب شده دقت کافی جهت پیش بینی و رشد آسیب در مواد کامپوزیتی چند لایه را دارا می باشد.
مقدمه
از مواد کامپوزیتی در ساخت سازههایی چون مخزن تحتفشار، خطوط لوله و بدنهی موتور راکت استفاده میشود.[1] مخازن تحتفشار از نقطه نظر ساخت، به 4 دسته تقسیمبندی میشوند:
- نوع اول: تمام قسمتهای آن فلزی است؛ معمولاً از فولاد برای ساخت آن استفاده میشود.
- نوع دوم: بیشتر قسمتهای آن از فولاد و فقط قسمت استوانهای آن توسط الیاف در جهت محیطی روپیچی میشود؛ قسمت فلزی و کامپوزتی آن معمولاً بار سازهای یکسانی تحمل میکنند.
- نوع سوم: مواد کامپوزیتی بر روی لاینر فلزی پیچانده میشوند. بیشتر بار سازهای توسط مواد کامپوزیتی تحمل میشود.
- نوع چهارم: مواد کامپوزیتی روی لاینر پلیمری پیچانده میشوند. تمام بار سازه ای توسط مواد کامپوزیتی تحمل میشود - شکل . - 1
وزن مخازن فشار را میتوان با استفاده از مواد کامپوزیتی به مقدار زیادی کاهش داد. وزن مخازن فشار نوع دوم در حدود % 60 تا %70 مخازن نوع اول است؛ وزن مخازن نوع سوم و چهارم تنها در حدود %30 مخازن نوع اول است. از طرفی طول عمر مخازن فشار نوع سوم و چهارمی که با الیاف کربن ساخته میشوند تقریباً دو برابر مخازن نوع اول و دوم هستند. مخازن تحتفشار کامپوزیتی ایمنتر از مخازن تحتفشار فلزی هستند؛ زیرا شکل خرابی آنها بهصورت نشت سیال است درحالیکه در انواع فلزی بهصورت انفجاری میباشد . [3] از اینرو مخازن تحتفشار کامپوزیتی به صورت گستردهای در وسایل حملونقل - کشتی، زیردریایی، اتومبیل و ... - ، ماهوارهها، موشکهای هدایتشونده و مخازن نگهداری CNG بکار گرفته میشوند.
تحقیقات بر روی ضربه و آسیبهای آن از اوایل دههی 1980 میلادی آغاز گردید. در ابتدا دانشمندان بر روی پاسخ ضربه و پیشبینی ناحیه ی آسیب با استفاده از معیار خرابی مواد کامپوزیتی تمرکز کردند. آنها از اثرات آسیب در انرژیهای پایین صرف نظر کردند. با اینکه آسیب ضربه در سطوح پایین انرژی کم است اما مقدار آن بر روی رفتار ضربه تأثیرگذار است. ماتزنمیلر و همکاران [5] شکل اصلاحشدهی تابع توزیع تجمعی وایبول را به منظور مدلسازی خرابی پیشرونده در مواد کامپوزیتی پیشنهاد دادند. ترمهای متغیر آسیب پیشنهادی آنها استحکام مادهی کامپوزیتی بود. آنها از تابعی نمایی بر اساس کرنش برای مدلسازی رشد آسیب استفاده کردند . منحنی تنش کرنشی که بهوسیلهی این تابع آسیب پیشبینی شد، بر اساس توزیع وایبول است که میتواند با استفاده از تحلیل آماری احتمال خرابی گروهی از الیاف با عیب اولیه را تعیین کند.
چانگ [6]در آزمون انفجار یک لولهی گرافیت اپوکسی استوانهای که تحت بارگذاری ضربهای سرعت کم قرارگرفته بود، سه مود خرابی مشاهده کرد: -1 نشت محلی -2 مود انفجار که در محل اعمال ضربه رخ می داد و -3 مود انفجار که با فاصله از محل اعمال ضربه اتفاق می افتاد . چانگ همانند کورتیس [7] به این نتیجه رسید که مود سوم خرابی ناشی از کمانش الیاف است. او همچنین به این نتیجه رسید که اگر لوله با سوخت موشک پر شود، ماکزیمم نیروی تماسی و انرژی جذبشده افزایش خواهد یافت.
دیویس و همکارانش [8] اثرات تورق بر استحکام باقیماندهی یک استوانهی کامپوزیتی را هنگامیکه فشار به سطح خارجی آن اعمال میشود، بررسی کردند. آنها اینگونه گزارش کردند که به دلیل تورق ناشی از ضربه، استحکام باقیمانده در حدود %60 کاهش مییابد. آنها همچنین مود شکست مواد کامپوزیتی مختلف مثل کربن اپوکسی، شیشه اپوکسی و کربن پیک را تحتفشار خارجی بررسی کردند. در کامپوزیت کربن پیک1 و شیشه اپوکسی شکست محلی در اطراف نقطهی ضربه و در کربن اپوکسی شکست سرتاسری مشاهده گردید. در کامپوزیتهای کربن اپوکسی کمترین مقدار کاهش استحکام باقیمانده گزارش شد.
در این تحقیق، رشد خرابی در یک مخزن تحت فشار کامپوزیتی تحت بار ضربه ای با سرعت کم با استفاده از روش عددی و مقایسه آن با نتایج تجربی مورد بررسی قرار می گیرد. برای مدل سازی رشد آسیب در ماده کامپوزیتی یک کد خرابی پیشرونده بر اساس مکانیک آسیب پیوسته و معیار خرابی هاشین تهیه شده است . پس از تعیین مودهای مختلف آسیب که حاصل از ضربه یک پرتابه با سرعت کم به بدنه مخزن فشار کامپوزیتی است، استحکام باقیمانده آن نیز تعیین و با مقادیر تجربی مقایسه می شود.
مدل آسیب
در این تحقیق از مدل آسیب پیشروندهای برای شبیهسازی آسیب استفاده میگردد که مبنای آن مکانیک آسیب پیوسته2 میباشد. مکانیک آسیب پیوسته ابتدا توسط کاچانوف [9] برای مدلسازی شکست خزشی توسعه داده شد.[10 ,3] این روش نقایص و معایب موجود در مادهی کامپوزیتی و رشد آنها را در مقیاس ماکروسکوپیک مدل میکند.[11] در شکل 2 چگونگی انتقال آسیب از مقیاس میکرو به ماکرو در مکانیک آسیب پیوسته نشان داده شده است.
به منظور تشخیص و پیش بینی شروع آسیب از معیار هاشین سه بعدی استفاده شده است. با استفاده از این معیار می توان وقوع هر یک از مودهای آسیب را تحت بارگذاری مشخص تشخیص و پیش بینی کرد. برای تشخیص خرابی حاصل از بارگذاری برشی از معیار ماکزیمم تنش استفاده شده است. فرمولاسیون معیارهای استفاده شده در این مقاله به تفکیک هر مود در جدول 1 آورده شده است. پارامترهای ، ، ، ، 12، 13 و 23 در متغیرهای آسیب استفاده میشوند. درصورتیکه تنشها در یک نقطه از ماده از مقدار تنشهای مجاز معیارهای تنش بیشتر شوند، خواص ماده باید مطابق با مدل کاهش خواص مادهی تعیینشده کاهش یابند. شکل کاهش خواص ماده میتواند بهصورت یکی از سه شکل زیر باشد - شکل :[12] - 3
-1 ناگهان به مقدار صفر کاهش یابد.
-2 به یک مقدار ثابت تنزل پیدا کند.
-3 در یک مسیر مشخص تدریجاً کاهش یابد.
در روشهای اول و دوم، خواص ماده - مثل مدول یانگ و ضریب پواسون - بهصورت ناگهانی تقلیل یا صفر میشوند؛ اما این کار نمیتواند بهدرستی سطح دقیق آسیب را پیشبینی نماید.[14] البته گاهی اوقات دیدهشده است که از ترکیب موارد فوق برای مدلسازی کاهش خواص ماده در هنگام خرابی استفاده میشود. در این تحقیق، از یک تابع نمایی - روش سوم - برای مدلسازی آسیب مادهی کامپوزیتی استفاده شده است. این مدل نهتنها میتواند خرابی پیشرونده را مدل کند بلکه میتواند از تکین شدن ماتریس سختی، به دلیل تغییرات ناگهانی خواص ماده جلوگیری کند.[13] در این مدل برای کاهش وابستگی نتایج به اندازهی المان، انرژی شکست و طول مشخصه در آن گنجانده شده است. متغیرهای آسیب محلی بهصورت زیر میباشند:[15 ,13]
