بخشی از مقاله
چکیده
روشی برای شبیه سازی پاسخ ترمومکانیک سازه چندلایهای بیان میشود که در برخی از نواحی آن دارای جدایش بینلایهای است و در محل معینی از سازه تحت اثر حرکت هارمونیک اجباری است. شرایط ایجادشده در سازه مطابق با آزمایش ترموگرافی ارتعاشی است که برای شناسایی عیوب سازه استفاده میشود. پاسخ ترمومکانیک گذرای سازه با استفاده از مدل اجزای محدود سهبعدی بیان میشود که برهمکنش بین وجوه دارای جدایش بین لایهای براساس شرایط تماس و گرمایش اصطکاکی تحلیل میشود.
در اثر ارتعاش اجباری عمود بر سطح، امواج عرضی ایجادشده در ورق چند لایه موجب حرکت نسبی بین سطوح دارای جدایش بین لایهای میشود. این حرکت نسبی منجر به افزایش موضعی دما در محل عیب میشود. نتایج تحلیل نشان میدهد نیروی پیشبار در محل تماس تحریککننده سازه اهمیت زیادی دارد و با افزایش آن از حد معینی میتوان از ایجاد تحریک غیرآشفته جلوگیری کرد. نتایج حاصله تغییر دمای منظم محل عیب را نشان داده که این تغییر دما تا سطح خارجی ورق چند لایه منتشر میشود و از سطح خارجی قابل رؤیت است و محل عیب در زمان بسیار کوتاهی مشخص میشود.
-1 مقدمه
روش های آشکارسازی سلامت سازه برای استفاده مطمئن از سازهها و افزایش قابلیت اطمینان، کاهش هزینههای تعمیر و نگهداری و افزایش بهرهوری تجهیزات مختلف اهمیت بالایی دارد. بهمنظور آشکارسازی سلامت سازه نیاز به روشهای شناسایی عیوب احتمالی در سازه است که در صورت تعیین موقعیت و شدت عیوب احتمالی میتواند بهعنوان ابزار بسیار مفیدی برای تصمیم گیری درباره توقف تجهیزات و اجرای عملیات تعمیر و نگهداری استفاده شود.
در سالهای اخیر، به روش آزمایش ترموگرافی بهعنوان یکی از روشهای آزمایش غیرمخرب توجه زیادی شده است که به دو روش فعال و غیرفعال تقسیم میشود. ترموگرافی ارتعاشی یکی از روشهای متداول ترموگرافی فعال است. در این روش امواج مافوق صوت توسط مبدل پیزوالکتریک به امواج الاستیک تبدیلشده به درون سازه ارسال میشود. این امواج با سرعت بسیار بالایی - 1000 تا 6000 متر در ثانیه - در جامدات حرکت میکنند و پس از برخورد به سطح مقابل به درون قطعه بازتابیده میشوند. با فرض عدم میرایی دامنه این امواج در سازه سالم، عیوبی مانند ترک و جدایش بین لایهای مانعی در برابر انتشار این امواج هستند و انرژی مکانیکی امواج الاستیک در اثر حرکت نسبی وجوه ترک یا وجوه محل جدایش بین لایهای، با سایش ایجادشده به انرژی حرارتی تبدیل میشود.
بنابراین در این روش عیب به مبدل حرارتی تبدیل میشود و گرمای ایجادشده در محل عیوب به سطح سازه جریان مییابد. با مشاهده دمای سطح سازه توسط دوربین ترموگراف محل عیوب را میتوان تعیین کرد. هرچه دقت دوربین ترموگراف بالاتر باشد حساسیت آن به تغییر دما بیشتر بوده در زمان کوتاهتری با گرمایش کمتر میتوان محل عیب را تشخیص داد. اغلب دوربینهای مادون قرمز مورد استفاده در ترموگرافی ارتعاشی قادر به تشخیص دما در حد دهم درجه سلسیوس هستند. بنابراین تحلیلی حائز اهمیت خواهد بود که در آن مقدار افزایش دمای ایجادشده در حد دهم درجه و یا بیشتر باشد.
جیانگ2F و همکارانش [1] با استفاده از ترموگرافی ارتعاشی ترک ناشی از خستگی در سازه آلومینیومی را شناسایی کرد و پدیده سایش و پارامترهای مؤثر در گرمایش محل عیب را تحلیل کردند. میعان 3F و همکارانش [2 ] جدایش بین لایهای را در ماده مرکب با استفاده از ترموگرافی ارتعاشی و ایجاد گرمایش سایشی پیدا کردند. آنها علاوه بر مطالعه آزمایشگاهی، از تحلیل اجزای محدود برای شبیهسازی ترموگرافی ارتعاشی استفاده کردند
ایچونکاP P4F و همکارانش[3] شبیهسازی عددی یافتن عیب در اثر ضربه ناگهانی در مواد مرکب را با استفاده از ترموگرافی ارتعاشی انجام دادند.
مبروکیPP5F و همکارانش[4] و[5] با استفاده از چند فرکانس طبیعی در ترموگرافی ارتعاشی، ترک ناشی از خستگی در سازه آلومینیمی را شناسایی کرده و پدیده سایش و پارامترهای مؤثر در گرمایش محل عیب را تحلیل کردند.
مندیرزPP6F و همکارانش [6] مدلی تئوری برای تخمین دمای سطح در ترموگرافی ارتعاشی ارائه کرده و نتایج حاصل را با کار آزمایشگاهی مقایسه کردند و خواص ترکهای موجود در سازه را مشخص کردند و روشی برای تخمین اندازه و عمق ترک ارائه کردند.
در این تحقیق قابلیت شناسایی جدایش بینلایهای براساس تحلیل اجزای محدود آزمایش ترموگرافی ارتعاشی بررسی میشود و برای یافتن فرکانسهای مناسب تحریک، تعیین نحوه اعمال نیرو برای جلوگیری از تخریب سازه، تعیین دامنه تحریک، بررسی نحوه سایش سطوح و بدست آوردن میزان تغییرات دمای ایجادشده در اثر تحریک از این مدل استفاده میشود تا از سعی و خطا برای انجام آزمایش ترموگرافی جلوگیری شود و پارامترهای آزمایش بهینه انتخاب شوند.
-2 روابط حاکم بر گرمایش اصطکاکی
رابطه انتقال حرارت در حالت کلی و با وجود منبع حرارتی درونی در جسم، معادله ترموالاستیک-پلاستیک که به معادلات کوپل ترمومکانیکال معروف است بدینصورت بیان میشود:
که ρ چگالی ماده،CRvR گرمای ویژه در حجم ثابت،T دمای مطلق،rRoR منبع حرارتی، k ضریب هدایت حرارتی، ∇2 اپراتور لاپلاسین،β ضریب انبساط حرارتی ماده، D تانسور مرتبه چهارم سفتی، S تانسور مرتبه دوم تنش، e مشتق زمانی تانسور کرنش الاستیک و I مشتق زمانی تانسور کرنش غیر الاستیک است. با توجه به رابطه فوق دما در اثر چهار عامل فیزیکی شامل منابع گرمایش داخلی - مانند اصطکاک - ، رسانش حرارتی، پراکندگی درونی F7 و کوپلینگ بازگشتپذیر ترموالاستیک تغییر میکند. وقتی که سطوح ترک با ایجاد حرکت نسبی نسبت به هم دچار سایش میشود انرژی مکانیکی به انرژی گرمایی تبدیل میشود که میزان انرژی گرمایی در اثر سایش برابر است با:
که q میزان شار دمایی، ς ضریب تبدیل انرژی اصطکاکی به حرارتی، τ تنش برشی ناشی از اصطکاک، v سرعت نسبی سطوح عیب است. فرض میشود شار حرارتی به طور مساوی به هر دو قسمت سایش تقسیم میشود و برای شبیه سازی اصطکاک از مدل کلمب استفاده میشود که ضریب اصطکاک بین سطوح در ناحیه جدایش بینلایهای 0/4 در نظر گرفته میشود.
-3 شبیه سازی ترموگرافی ارتعاشی
ارتعاشی عرضی اجباری برای تحریک سازه چندلایه با استفاده از مبدل پیزوالکتریک ایجاد میشود که موجب انتشار امواج عرضی در سازه و حرکت نسبی سطوح دارای جدایش بینلایه میشود. شکل 1 هندسه ورق دو لایه از جنس آلومینیوم، محل جدایش بینلایهای و محل تحریک ورق را نشان میدهد.
شکل -1 هندسه ورق، محل جدایش بینلایهای و محل تحریک ورق
کلیه درجه آزادی گرههای در تماس با یکدیگر در سطح مشترک بجز ناحیه جدایش بین لایه ای برابر هم انتخاب شده است تا اتصال در کلیه نقاط بجز ناحیه جدایش بین لایه ای ایجاد شود. در ناحیه جدایش بین لایهای و در لبه جسم به طول 0/05 و عرض 0/01 متر شرط اتصال غیر قابل نفوذ یا تماس سخت Î 8F برقرار میشود که اجازه سایش و جدایش لایهها را میدهد ولی اجازه نفوذ لایهها به هم را نمیدهد. خواص ماده آلومینیومی در جدول 1 آورده شده است.
جدول -1 خواص آلومینیوم 2024
از آنجایی که تحریک در فرکانسی نزدیک به فرکانس طبیعی سازه انجام میشود فرکانس های طبیعی سازه را بدست آورده و مناسبترین فرکانس با توجه به اندازه عیب انتخاب میشود. نکته مهم در انتخاب فرکانس تحریک، توجه به تغییر شکل سازه در این فرکانس و اندازه عیب است. اگر اندازه عیب به گونهای است که شکل مد سازه در اثر تحریک در این فرکانس، نواحی وسیعتری از محل عیب را در بر می گیرد، پاسخ مناسبی از تحلیل مسأله با این فرکانس بدست نخواهد آمد چراکه سایش در نواحی عیب به خوبی ایجاد نمیشود و بایستی فرکانسهای طبیعی بالاتر را انتخاب کرد تا تغییر شکل سازه محدوده عیب را به خوبی پوشش دهد. از بین فرکانس های طبیعی سازه سالم، فرکانس 24522 هرتز انتخاب میشود که شکل مود آن مطابق با شکل 2 است.
