بخشی از مقاله
چکیده
در این تحقیق، بررسی رفتار و اثر وجود آسیب در اتصالات پیچی در ساختارهاي ساندویچی با هسته فومی مدنظر قرار میگیرد؛ اتصالات مورد مطالعه از یک هواپیماي سبک تمام کامپوزیتی واقعی انتخاب شدهاند، تا حالت فرضی آسیبدیده1 با حالت سالم2 - ایدهآل - طرح مورد قیاس قرارگیرد. در مدل فرضی آسیب دیده، آسیبهاي بوجود آمده در فرآیند تولید لایهچینی صلب3 - لمینیت صلب - مدنظر قرار گرفتهاست. اختلاف قابل ملاحظه میان چگالی رزین و الیاف در تعداد زیاد لایه در ساخت بلوكهاي صلب لایهچینی مورد استفاده در اتصالات پیچی، موجب تجمع و تمرکز الیاف و لایههاي شیشه در پایین بلوك - چگالی بالاي الیاف و لایههاي شیشه - و سیلان رزین به قسمت بالایی بلوك - بدلیل چگالی کمتر - میگردد.
عواقب وجود چنین نواقصی یعنی عدم یکنواختی و ناهمگنی توزیع رزین در لایهها، متفاوت شدن درصد حجمی الیاف براي هر لایه بعد از فرایند عملآوري4 و در نتیجه اختلاف در خواص مکانیکی هر لایهاز بلوك صلب است. نتایج تحقیقات گذشته از مولفین این مقاله براي اتصال بدون نقص ناهمگنی الیاف، حاکی از طراحی بهینه اتصال با زاویه اتصال 45 بوده است[1]؛ مقاله حاضر به کمک روش توانمند اجزاء محدود، اثر آسیب ساختی ناهمگنی لایهها بر رفتار مکانیکی طرح بهینه اتصالات پیچی با ساختارهاي ساندویچی را مورد ارزیابی قرار میدهد.
-1 مقدمه
اتصالات، یکی از حساسترین اجزاء در تامین استحکام و انسجام سازههاي ترکیبی اعم از فلزي و کامپوزیتی میباشند. این حساسیت در صنایع هوافضا که در محصولات آنها وزن کمتر، ضریب ایمنی بالاتر و بهینه بودن در برابر انواع آسیب احتمالی در اولویت طراحی است صدچندان میباشد. از طرف دیگر، اتصالات مکانیکی همانند پیچها، بهطور معمول براي نواحی با قابلیت باربري بالا استفاده میشوند. از آنجا که تولید ساختارهاي ساندویچی ایدهآل و بدون نقص، عملاً کار بسیار مشکلی است، بررسی عملکرد این اتصالات با طرحهاي مفهومی بهینه براي حالتهاي نزدیک به واقعیت، از ضروریات طراحی است. تحقیقات گذشته، نشان میدهد، گسیختگی در اتصالات مکانیکی کامپوزیتی در مودهاي مشخصی رخ میدهد.[2] در شکل - 1 - مهمترین مودهایی که معمولاً اتفاق میافتد، نشان داده شده است. مودهاي کشش لبهاي و رخ بریدگی به صورت ناگهانی روي میدهند، ولی مودهاي لهیدگی و برشی متمایل به واماندگی نرم میباشند.[2]
شکل - - 1 وضعیتهاي گسیختگی در اتصالات پیچی[2]
تاکنون، تحقیقات متعددي بر روي آسیبهاي ناشی از اتصالات پیچی انجام گردیدهاست. یونس5 و همکاران یک روش تشخیص آسیب بر اساس تابع پاسخ فرکانسی دادهها مدنظر گرفتند که در آن حالت آسیب دیده - ایجاد ترك - و سالم اتصال پیچی مورد بررسی قرار گرفت. اعتبارسنجی براي تشخیص اثر حضور آسیب در ساختار پیچی از مقادیر پارامترهاي مورد استفاده در مدل سالم و آسیب دیده بر اساس تابع پاسخ فرکانسی به کار گرفتهشد . نتیجه نشان داد در ساختار آسیبدیده، سفتی، کاهش معنیداري پیدا کردهاست.[3] تسرپس6 و همکاران یک مدل اتصال پیچی کامپوزیتی سهبعدي به روش تخریب پیشرونده 7 براي شبیهسازي تجمع آسیب، پیشبینی استحکام باقیمانده و حالت شکست نهایی تحت بارگذاري داخل صفحه کششی، توسعه دادهشد؛
که با استفاده از یکی از نرمافزارهاي المان محدود، آنالیز تنش درآن صورت گرفت.[4] همچنین در پژوهشی از هیمبس8 و پین9، به بررسی رفتار مکانیکی دو نمونه اتصال ساندویچی که در نحوه جاسازي بوش در سوراخ با هم متفاوت بودند، پرداخته شد؛ که در آن آزمونهایی بههمراه شبیه سازي عددي براي هر دو نوع بوشگذاري در سوراخها به کار گرفته شده است. همانطورکه در شکل - - 2 مشاهده میشود با بررسی رفتار شکست، نوع بوشگذاري بهینه و مناسب انتخاب گردید.[5]
شکل - - - 2 نتایج آزمون کشش خارج از صفحه براي هر دو نمونه بوشگذاري شده [5]
ذبیحپور و همکاران به بررسی آسیب در اتصالات پیچی در ساختارهاي ساندویچی با هسته فومی پرداختند. در این تحقیق، حالتهاي مختلف اتصال مابین لمینیت صلب که اتصال پیچی در آن قرار دارد و هسته فومی اطراف آن بررسی شدهاست و حالت بهینه هندسه اتصال بدست آمدهاست..[1] در مقاله حاضر، اثرات مکانیکی مشکلات ساختی اتصالات، در قالب وجود آسیبهایی در مجموعه اتصال به عنوان ورودي، شبیهسازي و بررسی شدهاست و بهینه بودن طرح مفهومی اولیه با وجود این آسیبها، ارزیابی گردیدهاست.
-2 بیان مسئله
یک اتصال پیچی واقعی برروي صفحات ساندویچی با هسته فومی در سازههاي هوایی مانند ارابه فرود - یک هواپیماي تمام کامپوزیت یا پهپاد کامپوزیتی - به بدنه مدنظر قرار گرفته و طراحی یک اتصال بهینه، بهعنوان یک هدف معرفی شدهاست؛ در این نوع اتصالات براي حصول به استحکام موضعی در اتصال، در محدودهاي از اطراف حفره اتصال پیچی از لایهچینی - لمینیت - صلب استفاده میگردد؛ که در شکلهاي - - 3، - 4 - و - 5 - نمایش داده شدهاست که در آن، براي انتقال ملایم بار از پیچ و لایهچینی صلب به سازه اصلی - ساختار ساندویچی با هسته فومی - پیرامون آن، برش - پخ - زاویهدار استفاده میشود.
شکل - - - 3 اتصال مورد مطالعه در محل اتصال بال و بدنه[1]
شکل - - - 4 نماي شماتیک اتصال طراحی شده[1]
شکل - - - 5 زاویه اتصال مورد بررسی در سطح مشترك فوم و لایهچینی صلب ناهمگن در نتایج تحقیقات گذشته که پیشتر، توسط مولف همین تحقیق، انجام شدهاست، مشخصههاي هندسی بهینه لایهچینی صلب در آن شرایط، معرفی گردیدهاست. بنابراین بهجهت تطابق، مشابه پژوهش پیشین، هندسه اتصال یک نمونه به ابعاد 200×200 میلیمتر انتخاب شدهاست، که ضخامت کل آن 11/26 میلیمتر و هسته از جنس فوم HT110 و به ضخامت 10 میلیمتر و دو رویه تشکیل یافته از الیاف روي هم بافته شده - WF - 10 از جنس شیشه با زمینه اپوکسی از کد تجاري Woven 92125 انتخاب شد که ضخامت هر کدام از رویهها 0/63 میلیمتر میباشد. هر رویه از دو لایه الیاف بافته بهضخامت 0/315 میلیمتر با چیدمان/90]صفر[ تشکیل شدهاست و رزین مصرفی از نوع اپوکسی L20-SL انتخاب گردید. همچنین نحوه لایهچینی لمینیت صلب از نوع /90] Wovenصفر[ در 32 لایه میباشد.
محل اتصال نیز از یک پیچ فولادي AN4 به قطر 8 میلیمتر و یک بوش فولادي با قطر خارجی 20 میلیمتر به منظور یکنواخت بودن تمرکز تنش استفادهشدهاست. در عمل،در ساختارهاي مربوطه، معمولاً مشکلات ساختی در حین فرآیند تولید، موجب ایجاد آسیبهایی در مجموعه اتصال و دور بودن طرح مفهومی بهینه از نمونه ساخته شده میگردد. بهعنوان نمونه، در تهیه لایهچینی صلب که معمولاً با روي همگذاري تعداد بسیار زیادي لایههاي همجنس یا سازگار با رویههاي صفحه ساندویچی بدست میآید، در عمل، با افزایش تعداد لایهها، توزیع یکنواخت و تعریف شده رزین در لایهها، بر اساس درصد حجمی الیاف در هر لایه بخاطر اختلاف چگالی رزین و الیاف، دچار مشکل خواهدشد،
بهگونهاي که مقدار درصد حجمی رزین بخاطر چگالی کمترش، در لایههاي بالایی بیشتر از لایههاي زیرین خواهد شد و لذا هر لایه، از درصد رزین متفاوتی نسبت به لایه زیرین خود برخوردار خواهد شد و در نتیجه خواص مکانیکی و استحکامی متفاوتی براي هر لایه و مواجهه با یک لایهچینی ناهمگن در راستاي ضخامت، حاصل میگردد. همچنین میتوان به اهمیت وجود آسیب در ناحیه پخ 45 درجه براي فوم به عنوان ناحیه حساس در انتقال بار از اتصال پیچی به ساختار ساندویچی را نیز افزود.
3 مدلسازي اجزاي محدود
با وجود پیچیدگی طرح اطراف اتصال، کلیه مدلها بوسیله مشبندي دستی انجام گرفت و از المان Solid 185 به ترتیب براي مشبندي پیچ و بوش و هسته و از المان براي مشبندي رویه و لمینیت صلب استفاده شدهاست؛ - لازم بذکر است با توجه به آنکه هسته، مادهي ایزوتروپیک فرض میگردد، از المان مختص مادهي ارتوتروپیک براي مشبندي استفاده شد - . به علت تقارن مدل مورد نظر و کاهش حجم محاسبات در نرم افزار تنها از نصف مدل استفاده شده است. چیدمان لایهها در نرم افزار به صورت پیش فرض در راستاي محور Z میباشد. به همین دلیل سطوح مدل در صفحهيXY و در راستاي Z صورت میپذیرد. با توجه به اینکه هدف ارزیابی المان محدود، بررسی اثر نیروي اعمالی برشی بر
