بخشی از مقاله
چکیده
در پژوهش حاضر اثر ساختار داخلی و نحوه توزیع حفرات بر رفتار فشاری فوم سینتکتیک آلومینیم A356 به کمک شبیه سازی عددی و روش المان محدود مورد مطالعه قرار گرفت. بدین منظور، ساختار فوم با توزیع متفاوتی از حفرات، تحت آزمون فشار شبه استاتیک، مورد بررسی و مطالعه قرار گرفت. نتایج حاصل از شبیه سازی نشان داد که ارتباط مستقیمی میان افزایش چگالی فوم و خواص مکانیکی آن وجود دارد به نحوی که با افزایش چگالی، مدول الاستیک و تنش فشاری فوم افزایش مییابد. از طرف دیگر مدول الاستیک، به شدت تابع افزایش فاصله عمودی - در راستای محور اعمال نیرو - حفرات فوم است در حالیکه تنش فشاری تابعی از فاصله افقی - عمود بر محور اعمال نیرو - حفرات است. علاوه بر این نشان داده شده که مکانیزم اصلی در تخریب و شکست این فوم ها برش است که مشخصه آن ایجاد ترک با زاویه 45 در صفحات حاوی حفرات فوم است.
کلمات کلیدی: شبیه سازی عددی، فوم سینتکتیک آلومینیمی، خواص مکانیکی، آزمون فشار تک محوره
مقدمه
با گسترش سریع صنایع حمل و نقل، اتومبیل سازی، هوافضا و نظامی، حفاظت از ایمنی سرنشینان و محمولهها از اهمیت وافری برخوردار شد. بدین منظور استفاده از ساختارهایی با قابلیت جذب انرژی فراگیر و تحقیقات به بررسی و افزایش میزان جذب انرژی ساختارهای جدید معطوف شد. از مزایای این مواد در قیاس با قطعات فلزی و فومهای پلیمری میتوان از وزن کمتر، تجزیهپذیری و نبود امکان مسمومیت نام برد . بخصوص از سفتی ویژه - نسبت مدول الاستیک به چگالی - و استحکام و جذب انرژی بالا، کاهش نوسانات و صدا و نیز تحمل دمای بالا باید یاد کرد.[1,2] مواد جاذب انرژی موادی هستند که انرژی جنبشی ناشی از ضربه را به انواع دیگری از انرژی - فشاری در سیالات، الاستیک در جامدات و پلاستیک در جامدات تغییر شکل پذیر - تبدیل کنند.
فومهای فلزی دستهای از مواد با ساختار متخلخل حاوی کسر حجمی زیادی از حفرهها گازی با چگالی بسیار پایین و خواص مکانیکی، حرارتی، الکتریکی و آکوستیک بی نظیری میباشند. این حفرهها می توانند از یکدیگرکاملاً جدا و بسته - فوم سلول بسته - و یا مرتبط با یکدیگر - فوم سلول باز - باشند.[3] با وجود تحقیقات و مطالعات بسیاری که روی فومهای فلزی مرسوم انجام شده است، هنوز هم مشکلات فراوانی در مورد این مواد پیشرفته وجود دارد. ساختار فومهای فلزی سلول بستهمعمولاً به سه دلیل مناسب نیست: نبود، اعوجاج یا جابجایی دیواره سلولی، یکنواخت نبودن ضخامت جداره سلولی و نیز ناهمگن بودن شکل و اندازه حفرهها. این عیوب منجر به عدم یکنواختی در خواص فیزیکی و مکانیکی میشوند.
یک روش برای غلبه بر این مشکل و تولید یکنواخت فوم فلزی سلول بسته، استفاده از کره های پیش ساخته با اندازه و توزیع معلوم است. قابلیت قالبگیری و تراشکاری به اشکال دلخواه بسته به کاربرد مورد نظر، امکان به دست آوردن چگالیهای مختلف از قابلیتهایی است که توجه بسیاری از محققین را به سمت این مواد جلب کرده است. کارایی این مواد را میتوان از صنایع بسته بندی برای مواد ارزشمند تا استفاده به عنوان هسته در ساختارهای ساندویچی در صنایع اتومبیل سازی، نظامی، هوا فضا، ریلی و حتی دریایی و کشتیرانی دانست .[4] علاوه بر این، استفاده از آنها به عنوان عایق حرارتی در تجهیزات دریایی و خطوط لوله، و صنایع ورزشی مانند چوب اسکی، صنایع مبلمان خانگی و غیره را میتوان به عنوان دیگر کاربردهای این مواد بر شمرد.
استحکام فشاری فومهای سینتکتیک به خواص مکانیکی زمینه فلزی و کرههای تو خالی وابسته است. همچنین از اثر کسر حجمی کره ها، ساختار و توزیع اینحفرات نمیتوان گذشت.[5,6] بطور کلی با افزایش استحکام زمینه و کره ها، استحکام فوم نیز افزایش مییابد.[7] با کاهش اندازه کره-های تو خالی، استحکام فشاری فوم افزایش مییابد. این پدیده حتی در اندازههای میکرونی نیز قابل مشاهده است. خواص و ویژگیهایفومهای فلزی سلول بسته تحت تاثیر شکل، اندازه و توزیع حفره ها و نیز خواص و شکل هندسی دیواره های سلولی است.[8]
با اینکه خواص الاستیک برای طراحی سازههای مهندسی اهمیت فراوانی دارد، به منظور طراحی فومهای سینتکتیک با کاربرد جذب انرژی، نیاز به پیش بینی نحوه رفتار این مواد در حالت پلاستیک نیز است. هدف از پژوهش حاضر تولید نسل جدیدی از فومهای کامپوزیتی پایه آلومینیومی است که جذب انرژی مکانیکی با یی داشته باشد. بطوریکه این افزایش نه تنها حاصل افزایش استحکام فوم، بلکه با افزایش کرنش چگالش آن همراه خواهد بود. این پدیده مرهون ساختار منظم و همگن فوم است.[9] سعی بر این است که با شبیه سازی عددی رفتار این فوم تحت آزمون فشار شبه استاتیک بررسی شده و اثر عوامل مختلف - هندسی - بر رفتار مکانیکی آن مورد مطالعه قرار گیرد.
مواد و روش تحقیق
فوم آلومینیومی 356 ریخته گری شده در قالب، دستگاه آزمون فشار و همچنین نرم افزار آباکوس نسخه 6.14 از ملزومات این پروژه میباشند. عوامل موثر بر خواص مکانیکی فوم مثل اندازه کرهها - - ، فاصله بین کرهها در سطح مقطع فوم - W - و فاصله بین لایههای موجود - K - به عنوان مهمترین عوامل هندسی موثر در خواص فوم هستند. در فوم طراحی شده در این تحقیق، به غیر از عواملی مانند نوع آلیاژ پایه و چگالی فوم، سه عامل نشان داده شده در - شکل - 1 نظر گرفته شدند.به دلیل تقارن بالای ساختارهای تولیدی، میتوان با اعمال شرایط مرزی مناسب مساله را برای سلول واحد هر ساختار با توجه به شکل هندسی آن به عنوان نماینده کل فوم حل کرد. همچنین، به دلیل تقارن مکعبی در چیدمانهای مورد نظر، تنها یک هشتم سلول واحد مکعبی برای کاهش زمان شبیه سازی در نظر گرفته شد و شکل مذکور در نرم افزار کشیده شد - شکل. - 2
