بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
طراحی و آنالیز یک سازه جدید برای بهبود ضربه پذیری مخازن گاز طبیعی فشرده (CNG)
چکیده
امروزه کاهش آلاینده های محیطی، لزوم استفاده ازگاز طبیعی فشرده (CNG) را به عنوان سوخت خودروها افزایش داده است. مشکلات ناشی از ذخیره سازی سوخت گاز و ایمنی آن، به عنوان یک مانع بزرگ در توسعه سریع خودروهای گازسوز جلوه کرده است. جهت کاهش خطر انفجار (در هنگام ضربه) در این مخازن روشهای متعددی پیشنهاد میشود که عبارتند از: استفاده از مواد کامپوزیتی و فلزات اسفنجی در ساخت مخزن یا تغییر در هندسه و شکل سیلندر. در این مقاله روشهای مختلف بهبود مقاومت در برابر ضربه برای کپسولهای گاز طبیعی فشرده مورد بررسی قرار گرفته و یک روش جدید برای این امر پیشنهاد و بررسی میشود . این روش با راه حلی کاملاﹰ متفاوت از روشهای قبلی، پتانسیل زیادی در افزایش مقاومت به ضربه در سیلندرهای ذخیره گاز طبیعی فشرده دارد.
کلمات کلیدی: گاز طبیعی فشرده، مخزن ذخیره گاز، جذب ضربه.
مقدمه
گاز طبیعی فشرده (CNG) امروزه در صنایع حمل و نقل استفاده فراوانی پیدا کرده است. عواملی نظیر پائین بودن قیمت این سوخت و کمتر بودن میزان آلودگی آن نسبت به سوختهای معمول، مانند بنزین و گازوئیل از مهمترین دلایل افزایش روزافزون استفاده از این گاز به عنوان سوخت جایگزین در خودروها میباشد]۱.[
یکی از مهمترین قسمتهای یک سیستم سوخت رسانی گازی، مخزن سوخت می باشد. این مخازن بسته به نوع خودرو و حجم موتور آن، به شکل استوانه ای و معمولاﹰ از فولاد ساخته میشوند. به عنوان مثال در موتورهای چهارزمانه با حجم موتور حداکثر cc۰۰۰۲، از مخازن ۰۶ لیتری استفاده می شود . به خاطر مسائل ایمنی مربوط به گاز، مخازن سوخت گازی نسبت به مخازن سوخت بنزینی وزن بسیار زیادتری دارند که این امر باعث افزایش وزن خودرو و در نتیجه افزایش سوخت مصرفی خودرو میگردد]۲.[ بنابراین برای استفاده بهینه از سوخت گاز باید در جهت کاهش وزن مخزن سوخت تلاش نمود. از طرفی در تصادفات رانندگی امکان ضربه مستقیم به کپسول و انفجار آن وجود دارد. بر این اساس پیدا کردن یک روش مناسب جهت افزایش مقاومت در برابر ضربه و کاهش خطرات ناشی از ضربه مکانیکی یک امر مهم میباشد. این روشها را به دو دسته کلی می توان تقسیم بندی نمود: الف- تغییر در مواد مورد استفاده در ساخت کپسول، که میتوان به استفاده از مواد کامپوزیتی و مواد اسفنجی (فلزات و پلیمرهای اسفنجی) اشاره نمود.
ب- تغییر در هندسه و ساختار کپسول، به عنوان مثال استفاده از ساختار لانه زنبوری]۳.[
در ادامه بطور خلاصه این روشها را مورد بررسی قرار میدهیم:
۱- استفاده از مواد مرکب (Composite Materials)
مواد کامپوزیتی امروزه در ساخت سازههای مختلف کاربردهای فراوانی پیدا کردهاند. در دهه ۰۶۹۱ سیلندرهای کامپوزیتی برای صنایع فضایی ساخته شدند و از سال ۲۹۹۱ برای ذخیره گاز طبیعی فشرده در صنایع خودرو سازی بکار میروند. این کپسولها معمولاﹰ از لاینر (Liner) آلومینیوم و پیچیدن الیاف کربن، فایبر گلاس، کولار یا دیگر فیبرهای آرامید با رزین اپوکسی روی لاینر ساخته میشوند]۴.[
استفاده از مواد کامپوزیت در ساخت کپسول گاز CNG نسبت به فلزات معمولی نظیر فولاد مزایایی دارد که به چند نمونه از آنها اشاره میکنیم: الف- در مسائل حمل و نقل وزن نقش تعیین کنندهای دارد. با استفاده از مواد کامپوزیت میتوان حتی تا %۰۷ وزن را کاهش داد.
ب- قابلیت تحمل فشارهای بالا به گونه ای که برخی از این کپسولها میتوانند حتی تا فشار psi۰۰۰۰۱ را تحمل نمایند.
ج- با توجه به هندسه خاص این استراکچر ساده ترین روش برای ساخت آن روش پیچش الیاف (Filament-Winding) میباشد که زمان تولید آن خیلی کمتر از حالتی است که از فولاد استفاده میشود.
د- با استفاده از کپسول کامپوزیتی می توان امکان انفجار در آتش سوزی را کاهش داد.
ه- مواد کامپوزیتی مقاومت بسیار خوبی در برابر ضربه دارند. مطالعاتی که در سال ۸۹۹۱ توسط Bert-and-Birman بر روی استراکچرهای کامپوزیتی غیر مسطح انجام شد نشان داد که میزان انرﮊی جذب شده در واحد جرم برای کامپوزیتها (به عنوان مثال (CFRP خیلی بیشتر از مواد فلزی مانند آلومینیوم و فولاد است]۴.[
عوامل مختلفی در میزان انرﮊی جذب شده توسط مواد کامپوزیتی موثرند که عبارتند از:
الف) مواد :(Materials) نوع مواد فیبر (Fiber) و ماتریس در جذب انرﮊی تاثیر مستقیم دارد. Thornton در سال ۹۷۹۱ و Farley در سال ۳۸۹۱ نشان دادند سیلندرهایی که از ماده کامپوزیتی carbon-epoxy ساخته شدهاند انرﮊی بیشتری را نسبت به aramid-epoxy و glass-expoxy جذب میکنند] ۵، ۶، ۷.[
ب) طراحی لایهها :(Laminate Design) تحقیقات انجام شده نشان میدهد زاویه پیچش الیاف در ساخت ماده کامپوزیتی بر میزان جذب ضربه موثر است. Edwards-and-Thornton در سال ۲۸۹۱ نشان دادند سیلندرهایی که زاویه پیچش الیاف آنها )n۵۴/۵۴) میباشد، مشخصه جذب انرﮊی کمتری نسبت به حال )n۰۹/۰) دارند ]۵، ۸.[
ج) دما: Thornton در سال ۹۷۹۱ نشان داد مشخصه جذب انرﮊی در سیلندرهای کامپوزیتی کربن و شیشه با افزایش دما (بالای صفر) کاهش مییابد ]۵، ۶.[
د) هندسه استراکچر :(Structural Geometry) مشخصات هندسی از قبیل ضخامت دیواره، طول و قطر میانگین، در ظرفیت جذب انرﮊی سیلندرها موثرند ]۵.[
عملکرد سیلندرهای کامپوزیتی در تست ضربه
برای مقایسه میزان جذب ضربه توس ط سیلندرهای کامپوزیتی، تست شبیه سازی برخورد اتومبیل انجام میشود. به عنوان مثال تست زیر:
سیلندر مورد آزمایش یک سیلندر کامپوزیتی میباشد که با لاینر آلومینیوم، الیاف کربن و رزین اپوکسی ساخته شده است و حداکثر می تواند فشار bar۰۵۷ ۱ را تحمل کند . حجم این سیلندر dm³۹ است که برای ذخیره گاز نیتروﮊن در فشار کاری bar۰۰۷ بکار میرود. سیلندر به صورت افقی روی یک بلوک سنگین بتنی ثابت شده و ارتفاع آن به گونهای تنظیم میشود که سپر اتومبیل با آن برخورد کند (شکل ۱- الف). اتومبیل حرکت می کند و در هنگام برخورد دارای سرعت km/hr۵۶ و انرﮊی جنبشی kj۴۴ ۱ میباشد. همانگونه که در شکل (۱ - ب) نشان داده شده است برخورد اتومبیل به دیواره سیلندر صدمه وارد می کند اما انفجار صورت نمیگیرد، در حالی که اتومبیل کاملا آسیب میبیند. پس از برخورد، تست گسیختگی هیدرولیکی انجام شد که مشاهده گردید گسیختگی در قسمت استوانهای کپسول (از جایی که در تست برخورد صدمه دیده است ) اتفاق میافتد. اما فشار گسیختگی bar۰۰ ۷۱ میباشد، در حالی که حداکثر فشار قابل تحمل کپسول bar۰۵۷۱ بوده است. بنابراین ملاحظه میشود جذب kj۴۴۱ انرﮊی توسط کپسول تاثیر چندانی بر مقاومت مکانیکی کپسول نداشته است ]۹.[
برخورد
(الف)
ناحیه صدمه دیده
(ب)
شکل (۱): (الف) تست شبیه سازی برخورد اتومبیل، (ب) کپسول پس از تست برخورد
۲- استفاده از فوم (Foam)
مواد اسفنجی ( متال فوم، پلیمر فوم) دارای یک رفتار تغییر شکل غیرخطی ویژهای هستند که باعث استفاده از آنها در کاربردهای مختلف شده است. این مواد در ساختار خود دارای حفرههای هوا میباشند که اگر شکل و اندازه حفرهها دارای توزیع یکنواختی باشد، کاملاﹰ ایزوتروپیک و همگن خواهند بود. همان گونه که در شکل (۲) مشاهده میکنید، متال فوم وقتی تحت فشار قرار میگیرند سه ناحیه تغییر شکل مجزا دارند:
الف - ناحیه تغییر شکل الاستیک ب- ناحیه تغییر شکل پلاستیک
ج- افزایش دانسیته فوم در اث ر فشار و از بین رفتن حفرههای هوا باعث سخت تر شدن ساختار فوم میشود که این سخت شدگی بستگی به دانسیته اولیه فوم و نوع ماده تشکیل دهنده آن دارد.
تحقیقات نشان میدهد که این مواد در واحد جرم انرﮊی بیشتری را نسبت به فلزات معمولی جذب میکنند و این امر باعث شده تا در سازههای مختلف به عنوان ماده مقاوم در برابر ضربه استفاده شوند. میزان جذب انرﮊی به عواملی مانند دانسیته اولیه فوم، دانسیته مواد تشکیل دهنده، تنش بحرانی و عدد ما خ v/c) ، که در آن v سرعت متوسط جرم و c سرعت انتشار صوت در فوم میباشد) بستگی دارد]۰۱.[
شرکت QUANTUM در ساخت کپسولهای هیدروﮊن خود از ترکیب مواد کامپوزیت و فوم استفاده کرده است. همانطور که در شکل (۳) ملاحظه میکنید، کپسول مورد نظر دارای لاینر پلیمر سخت شده میباشد و قسمت کامپوزیتی آن از الیاف کربن ساخته شده و یک لایه مقاوم در برابر ضربه در قسمت خارجی آن وجود دارد. همچ نین در ناحیه کروی آن برای مقاومت در برابر ضربه از فوم استفاده شده است ]۳.[
شکل (۲) : رفتار تغییر شکل آلومینیوم فوم تحت فشار
شکل (۳): یک نمونه کپسول هیدروﮊن ساخته شده توسط شرکت
روش پیشنهادی
در این مقاله یک روش پیشنهادی جهت بهبود ضربه پذیری مخازن که تحت عنوان Multi-Tubes Structure نامگذاری شده است، مورد بررسی و تحلیل قرار خواهد گرفت. همانگونه که می دانیم مخازن سوخت گازی که امروزه ساخته میشوند دارای سطح مقطع استوانهای میباشند (شکل(۴-الف )). با فرض اینکه سطح مقطع و شعاع خارجی (در نتیجه مقدار مادهای که در ساخت مخزن استفاده میشود، همچنین حجم اشغال شده) در سازه جدید نسبت به حالت اولیه یکسان باشد، مقطع جدیدی را بدست میآوریم (شکل(۴- ب)) و مقاومت آن را در برابر ضربه نسبت به سازه اولیه بررسی می کنیم]۳.[
(ب) (الف)
شکل(:(4 نمایش مقطع کپسول (الف) مدل اولیه، (ب) مدل جدید
بررسی و انتخاب مقطع جدید
مخزن ابتدایی به شکل استوانهای با شعاع خارجی mm۰۲۱ و ضخامت mm۶ بوده (شکل(۵)) که از یک نوع فولاد آلیاﮊ ی با تنش تسلیم Mpa۰۹۹ ساخته شده است]۱۱.[ نکته مهم و اساسی در این مقاله این است که تنها ناحیه سیلندر مورد بررسی قرار میگیرد و در تمامی موارد اثر عدسیهای دو طرف مخزن را در نظر نمیگیریم.
شکل(۵): نمای کلی مخزن اولیه
در ابتدا بایستی بر اساس اینکه مساحت مقطع نسبت به حالت اولیه ثابت باشد مشخصات مقطع جدید را بدست آورد. بر اساس برنامه نوشته شده، حالات مختلفی از نظر تعداد تیوبهای داخلی و ضخامتها برای مقطع جدید وجود دارد. تعدادی از این حالات در جدول(۱) نشان داده شده است.
جدول(۱): مشخصات هندسی حالات مختلف مقطع جدید
که در آن N تعداد تیوبهای داخلی، t1 ضخامت استوانه خارجی، t2 ضخامت استوانه داخلی، r2 شعاع خارجی استوانه داخلی، t3 ضخامت تیوبهای داخلی و r3 شعاع خارجی تیوبهای داخلی میباشد (شکل(۶)).
شکل (۶): مشخصات هندسی مقطع جدید
برای انتخاب سطح نهایی دو شرط را در نظر میگیریم. اولاﹰ حجم مفید مخزن نبایستی نسبت به حالت اول خیلی کاهش یابد و ثانیاﹰ ضخامت تیوبهای داخلی بیش از اندازه کوچک نباشد. همانگونه که در جدول (۱) ملاحظه می کنید، هر چه تعداد تیوبهای داخلی کمتر باشد کاهش حجم بیشتری داریم، از طرفی با افزایش تعداد تیوبها ضخامت آنها کم می شود. با در نظر گرفتن موارد فوق، یک مقطع با مشخصات زیر انتخاب گردید:
یکی از پارامترهای اساسی در مخازن، راندمان حجمی آنها میباشد که از تقسیم حجم مفید بر حجم کل مخزن بدست میآید. این پارامتر برای حالات اولیه و جدید بصورت زیر محاسبه میشود:
که v1 راندمان حجمی سیلندر در حالت اولیه و v2 راندمان حجمی آن در حالت جدید میباشد. همانگونه که ملاحظه میکنید راندمان حجمی حدود ۰۳% کاهش یافته و این یکی از معایب طرح میباشد]۳.[
مدل سازی و تحلیل
پس از انتخاب مقطع جدید در مرحله اول توسط ماﮊور STRUCTURAL در نرم افزار ANSYS تحلیل استاتیکی انجام داده و مدل را از نظر حداکثر فشار قابل تحمل و حداکثر تنشهای ایجاد شده مورد بررسی قرارمی دهیم و مشخص می نمائیم ضریب ایمنی در این حالت نسبت به حالت اولیه چه تغییری دارد. از آنجایی که هدف اصلی، بررسی و مقایسه قابلیت ضربه پذیری این دو نمونه می باشد در مرحله بعد وارد تحلیلهای دینامیکی شده و با استفاده از ماﮊور LSDYNA در نرم افزار ANSYS قابلیت ضربه پذیری این دو سازه را با یکدیگر مقایسه مینمائیم. در ادامه به تفصیل این تحلیلها را مورد بررسی قرار می دهیم:
الف- مدل سازی و آنالیز تنش در حالت استاتیکی
اولین و مهمترین قدم در آنالیز تنش، تحلیل استاتیکی است. این روش ساده ترین شیوه و معمولاﹰ اولین مرحله در حل مسائل است و به همین دلیل کاربرد فراوانی در صنعت دارد . در تحلیل استاتیکی مبنای حل، معادلات تعادل هستند و این امر باعث میشود که برخلاف تحلیل دینامیکی از اثر ترم اینرسی صرف نظر گردد. آنالیزهای استاتیکی در نرم افزار ANSYS بصورت دو بعدی یا سه بعدی صورت میگیرند. تحلیلهای سه بعدی معمولاﹰ زمانبر هستند. بنابراین تا جایی که امکان دارد تحلیل دو بعدی متنا ظر با تحلیل سه بعدی انجام میشود. در اینجا نیز سعی شده از فرضهای ساده شونده (به عنوان مثال شرط تقارن) جهت کوتاهتر شدن زمان حل استفاده شود.
هدف در این قسمت محاسبه حداکثر تنش ایجاد شده در استوانه و بدست آوردن ضریب ایمنی می باشد. از آنجایی که طول سیلندر نسبتاﹰ زیاد است و شرایط در طول سیلندر (بجز در دو انتها) یکنواخت میباشد، میتوان از حالت کرنش صفحه ای جهت انجام تحلیل استفاده نمود. از طرفی چون مسئله کاملاﹰ تقارن دارد می توان از این شرط استفاده نموده و تنها یک قسمت از مقطع سیلندر را تحلیل کنیم. بنابراین یک کمان ۰۳ درجه از مقطع را مورد بررسی قرار میدهیم. همچنین جهت مشبندی از المان دو بعدی Solid82 با اعمال شرای ط تقارن و کرنش صفحهای استفاده میکنیم. مخزن تحت فشار داخلی bar۰۰۲ Mpa)۰۲) قرار دارد که این تنها بارگذاری اعمال شده در مسئله میباشد . همچنین مدول الاستیسیته ماده برابر Gpa۷۰۲ و ضریب پواسون آن نیز ۳/۰ در نظر گرفته شده است. پس از حل مسئله، کانتور تنش معادل فون مایزز مطابق شکل (۷) بدست میآید.
ناحیه حداکثر تنش
شکل (۷): کانتور تنش فون مایزز در تحلیل سیلندر اولیه
همانگونه که مشاهده می کنید، حداکثر تنش معادل Mpa۳۶۳ می باشد که در سطح داخلی استوانه اتفاق می افتد. ضریب ایمنی نیز در این حالت بصورت زیر محاسبه میگردد:
همانطور که در قبل اشاره شد، عدسیهای دو انتهای مخزن را در نظر نمی گیریم همچنین به علت نازک بودن سیلندر، تنش شعاعی ناچیز است. پس تنها تنش ایجاد شده همان تنش محیطی میباشد. جهت یک تخمین تقریبی و مقایسه نتایج در این قسمت می توان از ابتداییترین رابطه برای پوستههای جدار نازک استفاده کرد.
براین اساس تحلیل نرم افزار تا حد زیادی با نتایج تئوری مطابقت داشته و تقریباﹰ تفاوت ۵/۴ درصدی را ایجاد میکند.
برای مدل پیشنهادی نیز یک تحلیل استاتیکی با فرضیات قسمت قبل انجام گرفت پس از انجام آنالیز، کانتور تنش معادل فون مایزز مطابق شکل (۸) بدست آمد . همانگونه که ملاحظه میکنید حداکثر تنش بوجود آمده Mpa۸۱۷ می باشد که در قسمت کوچکی از شعاع داخلی مخزن اتفاق میافتد.
ناحیه حداکثر تنش
شکل (۸): کانتور تنش فون مایزز مدل جدید در آنالیز استاتیکی
ضریب ایمنی در این حالت نیز بصورت زیر محاسبه میگردد:
همانگونه که ملاحظه می کنید ضریب ایمنی در حالت استاتیکی نسبت به حالت اولیه تقریباﹰ نصف شده است]۳.[
ب- مدل سازی و آنالیز تنش در حالت دینامیکی
بطور کلی مسائلی که تحت بارگذاری متغیر با زمان هستند، مانند مسائل ضربه، باید توسط روشهای تحلیل دینامیکی آنالیز شوند. تحلیل دینامیکی بر خلاف تحلیل استاتیکی مرتبط با زمان است . در یک آنالیز استاتیکی فقط یک فاصله زمانی (Time Step) وجود دارد و معادلات تعادل در آن فاصله زمانی حل می شوند و نتایج که معمولاﹰ تنشها در جهات و نقاط مختلف هستند، محاسبه می گردند. اما تحلیل دینامیکی دارای یک بازه زمانی متشکل از چند فاصله زمانی است که در آن بازه نیروها مشخص هستند و مقدار هر نیرو با گذشت زمان متغیر است.
دو روش کلی برای حل مسائل دینامیکی وجود دارد:
