بخشی از مقاله
چکیده
با گسترش شهر های الکترونیک ضرورت استفاده و بکار گیری از وسایل وابزارالکترونیکی بهویژه ربات ها بر کسی پوشیده نیست. در حوادث شهری رباتهای امدادگر نقش بسیار مهمیایفا میکنندو به عنوان ابزاری مفید به کمک مدیریت حوادث و اتفاقات شهری میآیند. در حوادث شهری ربات ها باید در شرایط سختی فعا لیت کنند به گونه ای که حتی با ضربات فیزیکی دچار آسیب نشده و کارایی خود را از دست ندهند. بنابر این طراحی ربات امدادگر با قابلیت اطمینان بالا و سیستم مکانیکی ایمن از مهمترین ویژگیهای ربات امداد گر است. ازاین رو در این مقاله طراحی بهینه حفاظ ربات مستقر در حوادث شهری مورد نظر میباشد.
برای این منظور باید بیان کرد که جاذبهای انرژی به عنوان ضربه گیر در صنعت کاربردهای فراوانی دارند. یکی از انواع این جاذبها سازههای لوله ای جدار نازک است که انرژی حاصل از ضربه وارد شده به صورت تغییر شکل پلاستیک مستهلک مینمایند. با توجه به این که یکی از متغیرهای مهم در مقدار و چگونگی جذب انرژی این سازهها شکل مقطع سازه حفاظ ربات امدادگر میباشد در این تحقیق جذب انرژی سازهها با شکلهای مقطع مختلف بررسی میگردد تا شکل مقطع بهینه از لحاظ جذب انرژی برای ربات امداد گر ارائه گردد.
-1 مقدمه
یکی از مهم ترین مشکلاتی که رباتهای امداد گر با آن مواجه هستند نا پایداری و غیر قابل پیش بینی بودن محیط کاری ربات ها است، در شرایط بحرانی که میتواند ناشی از بلایای طبیعی و یا حوادث شهری باشد داشتن ربات هایی که در برابر ضربات فیزیکی ناشی از حوادث مقاومت بیشتری داشته باشند بسیار مهم است، بنا بر این طراحی ربات امدادگر با قابلیت اطمینان بالا و سیستم مکانیکی ایمن از مهمترین ویژگی های ربات امدادگر است. از این رو طراحی بهینه حفاظ ربات مستقر در حوادث شهری ضرورتی اجتناب ناپذیر است.
در عملیات امدادی علاوه بر این که شخص امدادگر با توجه به شرایط فیزیکی محیط ممکن است نتواند به خوبی از تمام ظرفیتهای خود استفاده کند در معرض خطرات مختلفی هم قرار میگیرد لذا بکارگیری ربات امدادگرمی تواند جلوی رسیدن آسیب به شخص امدادگر را بگیرد اما از سوی دیگر ربات در معرض آسیب قرار میگیرد. بنابراین ضروری است به منظور انجام عملیت امدادی از ربات های امدادگری استفاده شود که نسبت به ضربات ناشی از محیط نا ایمن مقاومت بهتری داشته باشند . داشتن ربات امدادگر مقاوم نسبت به ضربات محیط نا پایدار علاوه بر این که میتواند شخص امدادگر را از آسیبهای احتمالی حفظ کند عملیات امداد ونجات را با اطمینان بیشتری پیگیری میکند.
در نگهداری سیستم های مکانیکی، محافظت سیستم و قسمت های حساس آن در مقابل ضربه های وارده بر سیستم ازاهمیت زیادی بر خوردار است. اگر از ربات های امدادگر به خوبی محافظت نشود ممکن است با ضرباتی که به آن ها وارد میشود کارایی خود را از دست بدهند. پس محافظت سیستم در مقابل بار های دینامیکی و ضربه ای به علت میزان آسیب این نوع ضربه ها بسیار مهم است. برای مقابله با این مشکلات از وسایلی با نام ضربه گیر استفاده میشود که دارای انواع وکاربرد مختلفی است. جاذب های انرژی در صنعت به دلیل کاربرد های فراوان دارای اهمیت بالایی هستند. جاذب انرژی وسیله ای است که انرژی جنبشی را به شکل دیگری از انرژی تبدیل میکند و هدف اصلی آن کاهش نیروی آسیب رسان منتقل شده به سازه است. بررسی بار جانبی بر روی لولهها به عنوان دسته مهمیاز جاذبهای انرژی از گذشته مورد توجه محققین بوده است. گوپتا* و همکارانش به بررسی بار جانبی بر روی سازه ها با مقاطع مربع و مستطیل پرداختند و نشان دادند که شکل سطح مقطع بر میزان جذب انرژی تاثیر گذار میباشد
گوپتا پارامتر هایی چون شکل سطح مقطع، ضخامت، همچنین ضریب اصطکاک را مورد بررسی قرار داد و نشان داد که با افزایش ضخامت میزان جذب انرژی افزایش مییابد. همچنین در مورد تاثیر مقاطع بر روی میزان جذب انرژی بحث نمود و با بررسی عامل اصطکاک و تغییرات آن نشان داد این عامل تاثیر چندانی بر میزان جذب انرژی ندارد.
گوپتا و همکارانش در تحقیقات بعدی خود به بررسی بار جانبی بر روی لوله ها پرداختند .[2] آن ها با ارائه ی یک مدل تئوری برای تغییر شکل لوله ها و تقسیم بندی نواحی مختلف مقطع لوله از نظر نحوه ی تغییر شکل، به شبیه سازی آن پرداخته و توزیع تنش و کرنش در بخش های مختلف مقطع را با یکدیگر مقایسه نمودند. سپس اثر نسبت قطر به ضخامت لوله را مورد بررسی قرار دادند و دریافتند که با افزایش این نسبت، مقدار جذب انرژی کاهش مییابد. انتخاب بهترین شکل جاذب انرژی به منظور افزایش میزان جذب انرژی و کاهش نیروهای آسیب رسان به سازه، ارزش زیادی داشته و مطالعات بسیاری در این خصوص انجام شده است.[3] در این مقاله بررسی بیشتری بر روی جذب انرژی انواع مختلف مقاطع جدار نازک در بارگذاری شبه استاتیکی به روشهای تجربی و عددی انجام شده است.
-2 حفاظ های مورد آزمایش
حفاظ هایی ساخته شده از لوله های جدار نازک با شکل های هندسی مختلف - سطح مقطع دایره ای، شش ضلعی، مربعی، مستطیلی با نسبت ابعاد 1/5 :1، مثلثی - ، در شکل 1 مشاهده میشوند.
-4 آزمایشها
آزمایش بارگذاری جانبی به صورت شبهاستاتیکی، با سرعت 100 میلیمتر بر ثانیه و با استفاده از دستگاه اینسترون، انجام شده و منحنی نیرو- تغییرمکان به دست آمده و مقدار انرژی جذب شده هر یک از حفاظ ها با توجه به سطح زیر نمودارها محاسبه گردیده است. - در حفاظ با مقطع مستطیل در حالت - a - بارگذاری روی عرض و در حالت - b - بارگذاری بر روی طول آن اعمال شده است - در شکلهای 3 تا 6 حفاظ ها با مقاطع مختلف تحت بارگذاری جانبی و در شکل های 7 تا 10 نمودار نیرو-تغییرمکان آنها نشان داده شده است.
شکل:1 حفاظهای تهیه شده با مقاطع مختلف برای انجام آزمایش
شکل:2 دستگاه اینسترون مدل 8503
شکل :3 حفاظ با مقطع دایره تحت بارگذاری، راست: قبل از بارگذاری روش کارگاهی چپ: بعد از بارگذاری
-3 انجام آزمایش کشش
آزمایش کشش با استفاده از دستگاه اینسترون مدل8503 ساخت کشور انگلستان - شکل - 2 بر روی نمونه ها ی به دست آمده از ورق آلومینیومیانجام گرفت که در نهایت تنش تسلیم آن برابر 130 مگا پاسکال به دست آمد.
شکل :4 حفاظ با مقطع مثلث تحت بارگذاری، راست: قبل از بارگذاری چپ: بعد از بارگذاری
شکل :5 حفاظ با مقطع شش ضلعی تحت بارگذاری، راست:قبل از بارگذاری چپ: بعد از بارگذاری
شکل :6 حفاظ با مقطع مستطیل تحت بارگذاری، راست:قبل از بارگذاری چپ: بعد از بارگذاری
شکل :7 نمودار نیرو- تغییرمکان به دست آمده از آزمایش تجربی بر روی حفاظ با مقطع دایره
شکل:8 نمودار نیرو- تغییرمکان به دست آمده از آزمایش تجربی بر روی حفاظ با مقطع مثلث
شکل :9 نمودار نیرو- تغییرمکان به دست آمده از آزمایش تجربی بر روی مقطع با مقطع شش ضلعی
شکل :10 نمودار نیرو- تغییرمکان به دست آمده از آزمایش تجربی بر روی حفاظ با مقطع مستطیل با اعمال بارگذاری بر روی عرض
پس از انجام آزمایش ها و به دست آوردن نمودارهای نیرو-تغییر مکان، جذب انرژی در انتهای فرآیند فشرده سازی از مساحت زیر نمودار نیرو-تغییر مکان به دست میآید. در جدول 1 مقادیر حداکثر جابجایی، نیروی حد اکثر، نیروی میانگین و انرژی جذب شده در انتهای فرآیند برای حفاظ ها با مقاطع مختلف با یکدیگر مقایسه شدهاند.
جدول:1 مقایسه میزان جذب انرژی، نیروی میانگین و نیروی حداکثر به دست آمده از انجام آزمایش تجربی با تغییر هندسه حفا ظ ها
-5 شبیه سازی بارگذاریهای شبه استاتیکی
برای انجام شبیه سازی بار گذاری های شبه استاتیکی حفاظ های مختلف، ابتدا جزء ساختاری هر نمونه، مطابق ابعاد مورد نظر به وسیله نرم افزار FEM27 بین دو صفحه ی صلب ایجاد شده به شکلی که صفحه ی پایینی مقید و صفحه ی بالایی در راستای عمودی و به سمت پایین با سرعت 100 میلیمتر بر ثانیه قابلیت حرکت داشته باشد. نوع المان نمونه ها shell با ضخامت 1/5 میلیمتر و همچنین ضریب اصطکاک بین دو صفحه ی انتهایی و هر نمونه 0/2 در نظر گرفته شده اند. نوع مواد نیز برای صفحات انتهایی ماده شماره 20 - regid - و برای نمونه های مورد آزمایش، ماده ی شماره Mat- - 24 - انتخاب شده است.
