بخشی از مقاله
چکیده
به صورت تئوري مخازن تحت فشار میتوانند به هر شکلی ساخته شوند، اما در عمل بیشتر این مخازن به صورت کره، استوانه و مخروط میباشند. بهترین شکل جهت ساخت مخزن از لحاظ تحمل فشار و تنش هاي ایجاد شده و داشتن استحکام بالا، مخازن کروي میباشد که به صورت تمام فلزي یا فلزي-کامپوزیتی - رشتهپیچی مارپیچ - ساخته میشوند. معمولترین نوع رشتهپیچی مخازن کروي، رشتهپیچی مارپیچ میباشد. در این نوع از مخزن ها به دلیل شکل آنها نمیتوان از رشتهپیچی محیطی استفاده کرد. در این مقاله طرح قالبی ارائه شده است که با استفاده از آن میتوان همانند رشتهپیچی مارپیچ، از رشتهپیچی محیطی نیز در ساخت مخزن کروي استفاده کرد.
این روش علاوه بر کاهش وزن مخزن، باعث افزایش استحکام آن نیز میشود. در این طرح، مخزن میتواند به گونهاي باشد که الیاف محیطی در راستاي عمود بر محل جوش دو نیمکره مخزن پیچیده شوند. این عمل باعث افزایش استحکام جوش نیز خواهد شد. همچنین به دلیل استفاده از تکههاي رویی قالب، در نهایت مخزن تولید شده داراي سطحی صاف و یکنواخت خواهد بود. در انتها سه مخزن کروي تمامفلزي، فلزي-کامپوزیتی با چیدمان مارپیچ و فلزي -کامپوزیتی با چیدمان مارپیچ و محیطی با وزن یکسان مورد تحلیلهاي استاتیکی قرار میگیرند و نتایج حاصله با یکدیگر مقایسه میشوند. نتایج نشان خواهند داد که الیاف محیطی استفاده شده با استفاده از قالب مورد نظر، استحکام مخزن را به صورت قابل توجهی بالا میبرد.
کلمات کلیدي: مخزن کروي، طراحی قالب، فیلامنت وایندینگ، تحلیل تنش
مقدمه
مخازن تحت فشار بالا به صورت گسترده در کاربردهاي تجاري و هوافضا و نیز وسایل نقلیه به کار میروند. مخازن الیافپیچیشده، که از روش ساخت الیافپیچی براي ایجاد قطعات تقویت شده سبک و با استحکام بالا بهره میبرد، نوع مهمی از مخازن تحت فشار میباشد. بهترین شکل جهت ساخت مخزن از لحاظ تحمل فشار و تنشهاي ایجاد شده و داشتن استحکام بالا، مخازن کروي میباشد. با توجه به شکل کروي این مخازن امکان استفاده از الیاف محیطی - هوپ - بر روي این مخازن وجود ندارد. چیدمان الیاف محیطی نقش بسیار مهمی در افزایش میزان استحکام مخازن دارد.مهدي ظهور و همکاران[1] مخزن تمام فلزي گاز فشرده CNG خودرو را طراحی کردهاند.
صادق رحمتی و همکاران [2] طراحی مخرن تحت فشار کامپوزیتی را طی چند مرحله - با تغییر چیدمان و زوایا - انجام دادهاند. کریکانو [3] و جانکی و همکاران [4] یک رهیافت تحلیلی براي بهینه سازي براي مخازن کامپوزیتی تحت فشار تحت قیود سفتی و استحکام ارائه دادند. در این مقاله طرح قالبی ارائه شده است که با استفاده از آن می توان در تمامی قسمتهاي مخزن اعم از کلگی و استوانهاي - مخازن کروي داراي قسمت استوانهاي نیستند - ، از چیدمان هوپ استفاده کرد که این چیدمان باعث افزایش استحکام مخزن میشود. در نهایت سه طرح مختلف از مخزن کروي - تمامفلزي، فلزي-کامپوزیتی با چیدمان مارپیچ و فلزي-کامپوزیتی با چیدمان مارپیچ و محیطی - با وزن یکسان با استفاده از نرمافزار اجزامحدود آباکوس مورد تحلیل استاتیکی و ضربه قرار گرفتند و نتایج نشان دادند که الیاف هوپ به صورت قابل توجه در افزایش استحکام مخزن مؤثر میباشد.
مواد و روشها
معمولترین روش ساخت مخازن تحت فشار کروي فلزي-کامپوزیتی به این ترتیب است که ابتدا دو نیمکره از جنس فلز مشخص با ضخامت کم ساخته شده و به یکدیگر جوش داده میشوند. سپس این مخزن در راستاي افزایش استحکام و عمر آن، با استفاده از مواد کامپوزیتی رشتهپیچی میشود. معمولترین نوع رشتهپیچی مخازن کروي، رشتهپیچی مارپیچ میباشد. در این نوع از مخزنها به دلیل شکل آنها نمیتوان از رشتهپیچی محیطی استفاده کرد. اما همانطورکه در مخازن استوانهاي هم مشاهده شده است، چیدمان محیطی باعث افزایش استحکام مخزن در قسمت استوانهاي آن - و نه دو کلگی - میشود. در شکل 1 طرح قالب مورد نظر ارائه شده است. در این شکل قطعات قالب به صورت جدا و مونتاژ شده نشان داده شدهاند. همانطورکه در این شکل دیده میشود، طرح موردنظر از چهار قسمت اصلی تشکیل شده است: خود مخزن فلزي با ضخامت کم، شفت و تکههاي رویی قالب.
روش پیچش با استفاده از این طرح به این ترتیب است که ابتدا مخزن کروي که از یک فلز با ضخامت کم ساخته شده است، توسط دو شفت به دستگاه فیلامنتوایندیگ بسته میشود. این حالت در شکل 2 نشان داده شده است. سپس چیدمان مارپیچ الیاف با زاویه مشخص طراحی شده - در این مقاله با زاوبه 55 درجه نسبت به محور شفت پیچیده می شود - ، بر روي مخزن پیچیده میشود.پس از اتمام پیچش الیاف مارپیچ، دو تکه رویی قالب بر روي شفتها سوار شده و در یک فاصله مشخص از الیاف مارپیچ - این فاصله ضخامت الیاف هوپ را تعیین می کند - بسته میشوند. در شکل 3 نماي برش خورده قالب در حالتی که الیاف هوپ بر روي آن پیچیده میشود، نشان داده شده است. الیاف از قسمت نشان داده شده در این شکل، بر روي مخزن آمده و با توجه به اینکه قبلاً الیاف مارپیچ آغشته به رزین بر روي مخزن پیچیده شده است، روي مخزن لغزنده بوده و این امر باعث میشود تا الیاف هوپ آغشته به رزین به داخل قالب کشیده شده و با پر کردن فاصله بین مخزن و تکههاي رویی، کل این فاصله را پر کند.
در نهایت پس از اتمام پیچش، کل قالب جهت پخت در داخل کوره قرار داده میشود. پس از پخت کامل کامپوزیت قالب از کوره بیرون آورده شده و دمونتاژ گردیده و مخزن فلزي -کامپوزیتی مورد نظر ارائه میگردد. در ادامه مخزن مورد نظر از لحاظ استحکام با مخازن هموزن خود مورد مقایسه قرار میگیرد.سه مخزن کروي تحت فشار داخلی 500 بار با وزن یکسان اما جنس و نوع چیدمان متفاوت الیاف توسط نرمافزار اجزامحدود آباکوس مورد شبیهسازي و تحلیل قرار گرفتند. مخزن اول، تمام فلزي، مخزن دوم، فلزي-کامپوزیتی با چیدمان فقط مارپیچ و مخزن سوم، فلزي-کامپوزیتی با چیدمان هوپ و مارپیچ - مورد مطالعه در این مقاله - میباشند. در این مخازن از فلز آلومینیم 6061 عملیات حرارتیشده[5] و براي کامپوزیت از الیاف T700 و رزین اپوکسی 5052 استفاده شده است.[6] وزن هر سه مخزن برابر با 47 کیلوگرم میباشد.در شکل 4 کانتور تنش فون-مایزز ایجاد شده در این سه مخزن ارائه شده اند.
