بخشی از مقاله
چکیده
اهمیت حمل و نقل دریایی و نقش آن در اقتصاد و زندگی امروز مردم دنیا و نقش اسکلهها به عنوان زنجیر اتصال حلقههای تجارت دریایی غیر قابل انکار و توجه به آن ضروری است. یکی از مهمترین اجزا تشکیل دهنده هر اسکله ضربهگیرها1 میباشند که در زمان پهلوگیری شناورها، از برخورد مستقیم بدنه کشتی با سازه اسکله و ایجاد خسارتهای جبران ناپذیر جلوگیری میکنند. ضربهگیرها عمدتاً از مصالح فوق کشسان2 ساخته می شوند که به واسطه قابلیت تغییر شکل بالا در حالت الاستیک، درصد بالایی از انرژی برخورد را در خود جذب میکنند.
در این مقاله رفتار ضربهگیرهای استوانهای و سلولی ساخته شده از مصالح فوق کشسان تحت اثر بار ضربه توسط نرم افزار المان محدود آباکوس3 شبیه سازی گردیده است. سپس تاثیر ابعاد ضربهگیر بر عملکرد بهینه ضربه گیرها در جذب انرژی ضربه مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج نشان می دهد که جهت بهینه سازی میزان جذب انرژی به وزن نمیتوان از یک قانون کلی بهره برد بلکه با توجه به میزان انرژی که ضربهگیر باید جذب کند، مشخصات ابعادی انتخاب میشود. با این وجود در هر دو نوع ضربهگیر، افزایش ضخامت معمولاً باعث تغییر فزایندهتر در افزایش انرژی جذب شده میگردد.
-1 مقدمه
با توجه به اهمیت دریا درتجارت و اقتصاد کشورها و توسعه صنعت کشتی سازی و ساخت کشتی های غول پیکر، اهمیت فرآیند یک پهلوگیری ایمن بیش از پیش مورد توجه قرار دارد. در قدیم بخاطر فقدان یک سیستم پهلوگیری مناسب، جهت جلوگیری از آسیب کشتیها و اسکله، کشتیهای غول پیکر مجبور بودند، در نزدیکترین نقطه عمیق به ساحل پهلو بگیرند تا بار آنها توسط قایق های کوچک به ساحل انتقال داده شود.
با توجه به توسعه حمل و نقل دریایی این روش دیگر جوابگو نبود، بنابراین متخصصان امور دریایی را برآن داشت که سیستمی طراحی کنند که قابلیت ایجاد یک پهلوگیری ایمن را فراهم کند. هدف از سیستم پهلوگیری به کارگیری یک سپر جهت محافظت از بدنه کشتی به هنگام پهلوگیری در کنار اسکله و جذب انرژی جنبشی حاصل از برخورد کشتی به سازه پهلوگیری میباشد به طوریکه نیروی منتقل شده به سازه اسکله به حداقل برسد .[1] امروزه اکثر قریب به اتفاق ضربهگیرهای کشتیهای بزرگ از مواد فوق کشسان تشکیل شدهاند که با خاصیت الاستیک غیرخطی میتوانند تا 6 برابر طول اولیه خود در حالت الاستیک تغییر شکل دهند .[2] بنابراین در ابتدا شناخت و شبیه سازی رفتار اجسام فوق کشسان جهت طراحی بهینه ضربهگیرها ضروری میباشد.
نرم افزار المان محدود آباکوس قابلیت حل پیچیده ترین مسائل غیر خطی را دارا میباشد. این نرمافزار دارای مجموعه المانهای بسیار گستردهای میباشد که هر نوع هندسهای را می توان توسط این المانها مدل کرد. همچنین دارای مدلهای رفتاری بسیار زیادی است که در مدلسازی انواع مواد با خواص و رفتار گوناگون نظیر فلزات، لاستیک ها، پلیمرها، کامپوزیتها، بتن مسلح، فومهای فنری و نیز شکننده و همچنین مصالحی ژئوتکنیکی نظیر خاک و سنگ، قابلیت بالایی را ممکن میسازد. نرم افزار آباکوس رفتار فوق دینامیکی اجسام نظیر ضربه را با دقت بسیار بالا شبیه سازی مینماید .[3]
به عنوان نمونه اقبال و همکاران فرآیند برخورد یک گلوله صلب به صفحه آلومینیمی را با استفاده از نرم افزار المان محدود آباکوس مدل سازی کردند و با نتایج آزمایشگاهی مقایسه کردند، نتایج حاکی از دقت بالای نرم افزار اباکوس در مدل سازی فرایند برخورد و مکانیسم جذب انرژی بود .[4] شبیه سازی مشابه توسط نویسندگان مقاله حاضر، صحت مطالعات انجام شده ودقت بالای مدل را تایید نمود. لی کانگسو4 میزان جذب انرژی ضربهگیرهای ساخته شده از مواد هایپر الاستیک طبیعی، مصنوعی و نئوپرنی با توجه به تابع انرژی کرنشی مونی ریولین را مورد بررسی قرارداد.
نتایج حاکی از این بود که ماده هایپر الاستیک نئوپرنی که خصوصیت مکانیکی قویتری دارد جذب انرژی بهتری را انجام میدهد .[5] ویلمشورتس5 و همکاران، با استفاده از مدل سازی عددی تاثیر استفاده از پوششهای نئوپرنی بر روی لولههای انتقال نفت با توجه به برخوردهای محلی لولهها در اثر جریان موج و جریانات گردابی شدید را مورد بررسی قرار دادند . با توجه به خاصیت بالای مواد نئوپرنی در جذب انرژی، استفاده از پوشش نئوپرنی منجر به کاهش صدمات محلی در نقاط برخورد و همچنین مانع از ایجاد تنشهای پلاستیک در لولههای انتقال نفت شد، که منجر به افزایش طول عمر بهربرداری از این لولهها میشود.[6]
در این مقاله ابتدا رفتار مصالح فوق کشسان توسط نرم افزار تخصصی آباکوس شبیه سازی گردیده است. با مقایسه نتایج مدل با نتایج آزمایشگاهی و سایر تحلیلهای مشابه از دقت نتایج اطمینان حاصل گردید. سپس رفتار ضربهگیرهای سلولی و استوانهای که از انواع مرسوم و پرکاربرد ضربهگیرها هستند، شبیه سازی گردیده است. پس از اطمینان از عملکرد صحیح مدل، میزان تاثیر پارامترهای ابعادی مختلف از جمله ارتفاع، ضخامت و شعاع ضربهگیر بر جذب انرژی ضربهگیر جهت یافتن ابعاد بهینه بررسی شده است.
تحقیق حاضر در شش حالت تغییرات ابعادی، سه حالت بر روی ضربهگیرهای استوانهای و سه حالت بر روی ضربهگیرهای سلولی انجام می پذیرد. نتایج حاکی از تاثیر بالای تغییر ارتفاع در فندرهای سلولی و تاثیر طول در سلولهای استوانهای نسبت به سایر متغیرها میباشد. در هر دو ضربهگیر تغییر ضخامت پارامتر تعیین کننده در افزایش انرژی جذب میباشد.
-2 ضربه کشتی :
کشتی در هنگام پهلوگیری انرژی قابل ملاحظهای را به سازه پهلوگیری منتقل مینماید. برای بدست آوردن میزان انرژی وارده از جانب شناورها در هنگام پهلوگیری، روشهای مختلفی از جمله روشهای آماری، روشهای تجربی و مدلهای ریاضی ارائه شدهاند. مرسومترین فرمول ضربه کشتی معادله نیمه تجربی مبتنی بر انرژی جنبشی میباشد.
بر اساس این مدل اگر شناوری با وزن MD و سرعت VB به سازه پهلوگیری برخورد کند، میزان انرژی تولید شده به صورت زیر میباشد:[7] که در آن E انرژی جنبشی ضربه؛ CM ضریب هیدرودینامیکی - ضریب جرم افزوده - ؛ CE ضریب خروج از مرکزیت؛ CS ضریب نرمی؛ CC ضریب انسداد مایع بین شناور و سازه پهلوگیری - بالشتک آب - میباشد.
میزان ضرایب تاثیر گذار بر انرژی جنبشی پهلوگیری با توجه به آئین نامه ایران بدین قرار میباشد :[7] ضریب هیدرودینامیکی مقداری بین 1.3 تا 1.8می باشد که در این مقاله 1.5 در نظر گرفته میشود، ضریب خروج از مرکزیت بین 1- 0/9، ضریب نرمی با توجه به صلبیت شناور مقدار1و ضریب شکل پهلوگیری با توجه به پهلوگیری عمودی 1در نظر گرفته میشود.
در مطالعات حاضر شناور به صورت یک جسم مکعب شکل مدل سازی میگردد و نقطهای از شناور به عنوان نقطه مرجع انتخاب میشود. این کار برای این منظور انجام می پذیرد که از تغییر شکل و جذب انرژی توسط شناور جلوگیری شود، سرعت حرکت شناور و وزن شناور نیز در آن نقطه تعریف می شود. دامنه تغییرات مشخصات کشتی، سرعت پهلوگیری و انرژی معادل مورد استفاده در این مطالعه برای ضربهگیرهای سلولی و استوانهای به ترتیب در جداول شماره 1 و2 ارائه گردیده است.
-3 مشخصات مکانیکی مواد فوق کشسان:
مشخصات فیزیکی مصالح فوق کشسان - هایپرالاستیک - مورد استفاده برای ضربهگیر از اطلاعات آزمایشگاهی منتشر نشده گروه صنعتی کوهرنگ[2] اخذ گردیده است. نوع رفتار ماده برای ضربهگیر در مقابل بارهای وارده بصورت ایزوتروپ و بخشی از نمودار تنش -کرنش اسمی آن در حالت تست کشش محوری برای مواد فوق کشسان که در محاسبات مورد استفاده قرار گرفته است در شکل شماره 1 ارائه شده است. چگالی ماده استفاده شده 1150 کیلوگرم بر متر مکعب میباشد.
