بخشی از مقاله
چکیده
دراین مقاله جایگزینی قطعه انحنادار فلزي1 در بالاي دماغه لکوموتیو PC۴٢ER با مواد کامپوزیتی و بهینه سازي چند منظوره آن مورد بررسی قرار گرفته است. هدف از این جایگزینی کاهش وزن قطعه و ساده نمودن روش تولید و بهبود خواص مکانیکی می باشد.
در بهینه سازي از روش الگوریتم ژنتیک استفاده شده است . ضخامت و زاویه الیاف به عنوان متغیر طراحی انتخاب شده و از معیار شکست تساي_وو به عنوان معیار شکست استفاده شده است. براي تحلیل عددي از نرم افزار ANSYS استفاده شده و اعتبار سنجی روش در ابتدا روي صفحه مستطیلی با لایه چینی متقارن و با شرایط مرزي مختلف ارزیابی شده است. ابتدا طرح اولیه کامپوزیتی تحلیل گردیده و سپس از الگوریتم ژنتیک، جهت بدست آوردن چیدمان بهینه لایه ها استفاده شده است . نتایج بدست آمده 55.3 درصد وزن کمتر را نسبت به نمونه مشابه فلزي و 31.2 درصد نسبت به نمونه کامپوزیتی اولیه نشان می دهد.
مقدمه
امروزه به کارگیري کامپوزیتها در صنعت به سرعت در حال گسترش است . علاوه بر نسبت استحکام به وزن بالا، با استفاده از کامپوزیتها، وزن بطور قابل ملاحظه اي کاهش می یابد. کاهش بیشتر منوط به بهینه سازي سیستم مواد، همچون زاویه الیاف، ضخامت لایه ها، و چیدمان لایه ها می باشد
کاربردهاي فعلی کامپوزیت ها در قطار، عمدتا محدود به قطعات سه بعدي در دماغه قطار، اجزاي داخلی و پانل هاي حفاظتی تجهیزات می باشد. استفاده از کامپوزیتها در دماغه قطار، به علت فرم پیچیده و لزوم آیرودینامیک بودن آنهاست که ساخت این اجزاء از فلزات بسیار سخت تر و پر هزینه تر خواهد بود
لکوموتیو دیزل الکتریک PC۴٢ER لکوموتیوي است پیشرفته با کاربرد مسافربري که بمنظور تامین نیروي کشش خطوط پر سرعت راه آهن جمهوري اسلامی ایران توسط شرکت مهندسی و ساخت لکوموتیو مپنا با همکاري شرکت زیمنس آلمان در حال ساخت در گروه مپنا می باشد
شکل:1 لکوموتیو دیزل الکتریکPC۴٢ER
تحلیل المان محدود و بهینه سازي
تحلیل عددي در نرم افزار ANSYS صورت گرفته است و براي بهینه سازي بین این نرم افزار و نرم افزار MATLAB ارتباط برقرار شده است . در مواردي که مساله جواب واحدي ندارد، مثل بهینه سازي چند هدفه، الگوریتم ژنتیک براي مشخص کردن همزمان جواب ها مفید خواهد بود. الگوریتم ژنتیک یک مجموعه از جواب هاي بالقوه را ارائه می دهد و انتخاب جواب نهایی به عهده کاربر است
در این مقاله در الگوریتم ژنتیک از روش تقاطع یکنواخت و جهش چند نقطه اي استفاده شده است. همچنین در نمایش ژن ها و کدگذاري کروموزوم ها از اعداد حقیقی استفاده شده است چون نیازي به خارج کردن از حالت کد شده نداشته در نتیجه فضاي کمتري اشغال می کند. توقف الگوریتم به صورت تعداد معین تکرار جواب نهایی در نظر گرفته شده است . به منظور بهبود عملکرد الگوریتم در صورتی که تکرار جواب از تعداد مشخصی عبور کند، روش تقاطع و جهش نیز تغییر می یابند.
تابع هدف، رابطه - 1 - شامل دو بخش کلی جابجایی - - w و وزن - - W می باشد که نسبت تاثیر آنها با ضریب μ مشخص می شود. به عبارت دیگر تعداد اهداف به صورت کلی به دو بخش وزن و جابجایی تقسیم می شود که با تغییر ضریب μ بین صفر تا یک میزان تاثیر هریک از اهداف در جواب نهایی تغییر می یابد و در صورتی که این ضریب صفر یا یک منظور شود مساله به یک مساله یک هدفه تبدیل می شود. به منظور بی بعد کردن تابع هدف، وزن و جابجایی بر وزن و جابجایی اولیه که شامل لایه چینی صفر و ضخامت 0/75 میلیمتر می باشد تقسیم شده اند. متغیرها ضخامت و زاویه الیاف می باشند. شکل ریاضی مساله در رابطه2 نشان داده شده است که t نشاندهنده ضخامت و زاویه را نشان می دهد که هردو متغیر، گسسته می باشند . همچنین معیار تساي وو به عنوان قید، کوچکتر از یک در نظر گرفته شده است
تحلیل صفحه مستطیلی
در ابتدا مراحل تحلیل عددي و بهینه سازي روي یک صفحه مستطیلی مطابق شکل2 در شرایط طول و عرض برابر یک متر و نیروي فشاري 100kPa با ترکیبی از شرایط مرزي گیردار 2 و ساده3 و آزاد4 بررسی شده است.
شکل:2 صفحه مستطیلی و شرایط مرزي آن
به دلیل محدودیت در شرایط ساخت صفحات کامپوزیتی، مجموعه اي از ضخامتها و زاویه الیاف مشخص شده که جواب بهینه از این مجموعه انتخاب می شود. مجموعه زاویه لایه ها شامل 90 - ،٠۶±،۵۴±،٣٠±،٠ - بوده و مجموعه ضخامت به صورت 2/25 - ، 2، 1/75، 1/5، 1/25، 1، - 0/75 میلیمتر معین شده است. به منظور جلوگیري از تاثیرات تاب خمشی صفحات متقارن در نظرگرفته شده اند. در ضمن مساله براي ۵.٠ بررسی شده است. نمایش گرافیکی جابجایی و معیار تسایی-وو بر اي جواب بهینه با شرایط مرزي - f,s,c,s - به ترتیب در شکل3 و شکل4 نشان داده شده است.
شکل:3 نمایش گرافیکی جابجایی براي جواب بهینه با شرایط مرزي
شکل:4 نمایش گرافیکی معیار تساي-وو براي جواب بهینه با شرایط مرزي
براي اعتبار سنجی روش، نتایج با نتایج کار والکر] 5٧[ مقایسه شده است که در شرایط مرزي - f,s,c,s - درصد اختلاف تابع هدف -1.6 و در شرایط مرزي - c,c,c,c - درصد اختلاف -3.23 می باشد که صحت روش را تایید می کند
جدول:1 نتایج اعتبار سنجی روش
مدل سازي قطعه انحنادار
این قطعه که در شکل5 مشخص است در قسمت بالاي لکوموتیو بوده و چهار ضلع آن داراي انحنا می باشد. ابتدا قطعه در نرم افزار طراحی Solid Works مدلسازي شده و سپس به منظور تحلیل در نرم افزار ANSYS وارد شده است.
شکل:5 قطعه انحنادار در بالاي دماغه لکوموتیو
به منظور کاهش زمان محاسبات و چون قطعه متقارن است نیمی از آن مدل شده است. در محل اتصال پوسته با سازه شرایط مرزي به صورت ثابت در نظر گرفته شده است که در شکل6 مشخص می باشد.
شکل:6 مدل المان محدود قطعه انحنادار و شرایط مرزي آن
جدول:2 ثابت هاي مهندسی شیشه-اپوکسی
جدول:3 مقاومت هاي شیشه- اپوکسی
نتایج
در این مقاله بهینه سازي چند هدفه مواد کامپوزیتی مورد بررسی قرار گرفته است که تاثیر هریک از اهداف قابل تغییر می باشد. در ابتدا طراحی اولیه با 8 لایه و لایه چینی - 0/45/-45/90 - s با ضخامت یک میلیمتر براي هر لایه در کل قطعه در نظر گرفته شده است؛ که نتایج تحلیل در این حالت ارضاي قیود را نشان می دهد. سپس به منظورکاهش وزن که منجر به کاهش هزینه هم خواهد شد فرایند بهینه سازي روي آن انجام شده است. با توجه به اهمیت هریک از اهداف با تغییر ضریب تاثیر مناسب در جواب نهایی اعمال می شود. به منظور رسیدن به جواب هاي بهتر ضخامت صفر به عنوان حذف لایه به مجموعه ضخامت ها اضافه شده است به عبارت دیگر تعداد لایه ها بطور غیر مستقیم به عنوان متغیر قرار داده شده است. نتایج تغییر ضریب از 0.1تا 0.9بر وزن وجابجایی بهینه در شکل7 نشان داده شده است.
شکل:7 تغییرات وزن و جابجایی بر حسب μ
مشاهده می شود با افزایش ضریب وزن قطعه افزایش و جابجایی قطعه کاهش می یابد. با توجه به جابجایی مجاز کمتر از یک میلیمتر بهترین جواب در = 0.5 بدست آمده که نتایج نهایی در جدول4 آورده شده است.
