تبلیغات
انجمن علمی سازه های چوبی - سازه‌های مشبك كامپوزیتی

انجمن علمی سازه های چوبی
 
Scientific Society of wooden structures
سازه‌های مهندسی باید دارای ویژگی‌ها و خواصی برای ارضاء نیازهای متداول و مطرح در زمینه‌های سازه و نیرو باشند و در واقع، موفقیت یك طرح مهندسی به میزان موفقیت طراحان در شناسایی سازه‌ها و مواد لازم برای ارضاء بارهای مطرح در یك برهه مكانی و زمانی خاص، می‌باشد. با روی كار آمدن مواد كامپوزیتی اندیشه ساخت سازه‌های كامپوزیتی بدلیل استحكام و دوام این سازه‌ها در مقابل سازه‌های فلزی، مطرح‌شد. به‌تبع این اندیشه، برای عملی كردن این افكار، روش‌های متنوعی برای ساخت سازه با مواد اولیه كامپوزیتی ابداع شد. نتیجه این عملكردها، سازه‌هایی به نام "سازه‌های مشبك كامپوزیتی" می‌باشد.


این سازه‌ها مجموعه ای از نوارهای متصل‌شده از الیاف متنوع می‌باشند كه امروزه كاربرد وسیعی در صنایع مختلف به ویژه ساخت انواع موشك، ماهواره و لوله‌های پتروشیمی و... دارند. در ادمه به بررسی ویژگی‌های مختصری از این سازه‌ها می‌پردازیم 1-3- روش‌های ساخت سازه­های مشبك کامپوزیتی


مهمترین هدف در فرآیند ساخت، تأمین خواص مکانیکی و کیفیت مناسب نوارهای مارپیچی که عامل اولیه تحمل بار در سازه شبکه‌ای هستند، می‌باشد.



الف- شکل‌دهی آزاد [1] : نوارها شامل رشته‌پیچی سنتی می‌باشند، اما رشته‌هـا در یک فاصله خاص از یکدیگر قرار می‌گیرند و روی رشته قبلی پیچیده می‌شوند. این فرآیند هزینه پایینی داشته و منجر به کیفیت ضعیف نوارها می‌شود. رشته‌پیچی پیوسته نوارهای مارپیچی با پین‌هایی که در دو انتهای قالب قرار دارد، انجام می‌شود .

ب- رشته‌پیچی درون یک هسته فومی سبک‌وزن: که در این روش سازه دارای پوسته داخلی می‌باشد. ابتدا هسته فومی روی پوسته داخلی اسپری می‌شود و سپس توسط ماشین‌کاری شیارها یی درون هسته فومی ایجاد شده و در ادامه رشته‌پیچی درون شیارها انجام می‌گردد و بر روی آن پوسته خارجی رشته­پیچی می‌شود. این فرآیند دارای ویژگی‌هایی چون هزینه متوسط و کیفیت نسبتاً بالای نوارها می‌باشد.





ج- رشته‌پیچی درون شیارهای پلاستیکی: که این شیارها درون یک پوشش الاستیک (به عنوان مثال لاستیک سیلیکون) ایجاد شده است، به طوری که می‌توان پس از ساخت قطعه آن­ها را خارج کرد.


د- رشته‌پیچی درون شـیارهای فلزی: که این رشته‌پیچی درون شـیارهای ایجـاد شـده درون یک لایه فلزی، یک سازه هیبریدی فلز- کامپوزیت شبکه‌ای را نتیجه می‌دهد که قابل استفاده به عنوان تحمل‌کننده بار در مخازن‌ و محفظه‌های فشار می­باشد.



2-3- دسته‌بندی پوسته‌های مشبك كامپوزیتی



پوسته‌های مشبك كامپوزیتی بسته به نوع كاربرد و پروسه تولید می‌توانند به اشكال مختلفی تقسیم‌بندی شوند. ساختارهای مختلفی از پوسته‌های مشبك كامپوزیتی در سازه موشك و موشك‌های حامل ماهواره استفاده می‌شوند، از جمله این ساختارها عبارتند از:

- پوسته‌های مشبك كامپوزیتی تشكیل‌شده از دنده‌های مایل و قائم.

- پوسته‌های مشبك كامپوزیتی تشكیل شده از دنده‌های مایل و پوسته خارجی.

- پوسته‌های مشبك كامپوزیتی تشكیل شده از دنده های مایل، دنده های قائم و پوسته خارجی.

- پوسته‌های مشبك كامپوزیتی تشكیل شده از دنده‌های مایل، پوسته های داخلی و خارجی

- پوسته‌های مشبك كامپوزیتی تشكیل شده از دنده‌های مایل، دنده های قائم، پوسته داخلی و پوسته خارجی.

- پوسته‌های مشبك كامپوزیتی تشكیل شده از دنده‌های مایل، پوسته خارجی، پوسته داخلی كه فضای بین پوسته‌ها و دنده ها به كمك ماده پركننده پر‌شده‌است.

- پوسته مشبك كامپوزیتی تشكیل‌شده از دنده‌های مایل، پوسته خارجی و پوسته داخلی فلزی كه دنده‌های مایل در داخل شیارهای ایجاد شده بر روی سطح فلز قرار گرفته‌اند.


3-3- روش‌های تست و تحلیل سازه های مشبك كامپوزیتی



تعیین بسیاری از ویژگی‌های سازه‌های مشبك كامپوزیتی مانند شیار‌ها، تعداد رشته‌ها، ویسكوزیته رزین و... قبل از ساخت و تست سازه به سختی قابل پیش‌بینی است. برای یافتن این مشخصات، یك مدل خاص با اندازه كامل ساخته می‌شود و تا تخریب مورد تست قرار می‌گیرد برای مطالعه تجربی به قطعات ریزتری تبدیل می‌شود.

یكی دیگر از راه‌های تشخیص پارامترهای هندسی و ویژگی‌های سازه‌های مشبك مدل كردن آن‌ها در نرم افزارهای ویژه و بررسی نقاط ضعف و قدرت این سازه‌ها با استفاده از الگوریتم‌های خاص مانند SPANDO در شبكه‌های سری و موازی و كدهای تغییر‌یافته LMM و... می‌باشد.




4-3- كاربرد سازه‌های مشبك كامپوزیتی در صنایع مختلف


- صنایع فضایی

سازه‌های مشبك كامپوزیتی بدیل راندمان وزنی و عملكردی مناسب در ساخت ماهواره‌ها، فضاپیماها و راكت‌ها مورد استفاده قرار‌می‌گیرند. از جمله نمونه‌های فضایی كه در پروسه ساخت‌شان از مواد كامپوزیتی استفاده‌شده، وسایلی به نام وفق‌دهنده‌ها می‌باشند كه اتصال بین راكت و فضاپیما را ایجاد می‌كنند، استفاده از مواد كامپوزیتی در سازه وفق‌دهنده‌ها باعث كاهش 40 درصدی وزن سازه نسبت به نمونه‌های اولیه شده‌است .



- صنایع هوایی



بدلیل استحكام بالای مواد كامپوزیتی، از این مواد در صنایع تولید هواپیما و سایر متعلقات مرتبط با آن استفاده می‌شود. از جمله این نمونه‌ها می‌توان به صفحات و پوسته‌ها، در و پنجره‌ها، قاب‌ها، سازه های مربوط به بدنه و وسایل داخلی هواپیما، آنتن رادها و... اشاره نمود.





- صنایع كشتی سازی



در این صنایع همیشه نیاز به سازه ای با وزن كم و بدون ترك و دارای استحكام بالا حس می شود، بنابراین با توجه به این نیاز می توان به جایگاه مواد مشبك كامپوزیتی در این صنایع پی برد. دلیل دیگر استفاده از این مواد در پروسه ساخت كشتی و قایق ، طول عمر یا ماندگاری بیشتر این مواد نسبت به سازه های چوبی می باشد.


- صنایع قایق سازی


كاربرد کامپوزیت در صنعت قایق‌سازی همانند مصرف این مواد در هواپیما، صرفه­جویی زیادی در وزن یا هزینه­های مواد را به همراه داشت و در ثانی نیاز به سازه‌ای مقاوم به سایش، نسبتاً سبك وزن و بزرگ، و بدون ترك و سوراخ را برطرف کرد. بیشتر سازندگان قایق از روش‌های معمولی مشابه به آنچه در هواپیمای کامپوزیتی است، استفاده می‌كنند، اما كیفیت ‌های بیشتری دارند كه هر شركت هواپیماسازی به آن غبطه می‌خورد.
setarehbaran
2010-May-01, 08:10
پوسته‌های استوانه­ای مشبك كامپوزیتی بخاطر دارا بودن فوایدی همچون استحكام ویژه بالا، سبكی وخواص مقاومت به خوردگی، امروزه بطور وسیعی در صنایع هواپیماسازی، صنایع موشكی و دریایی مورد استفاده قرار می­گیرند. در بعضی موارد مانند سازه موشك، این پوسته­ها تحت بار محوری فشاری قرار
می­گیرند. بدین ترتیب، پایداری سازه­های مخروطی و استوانه­ای تحت نیروهای خارجی یك مسئله سازه­ای بحرانی برای طراحی راكت، مخازن تحت فشار، پوسته­های موتور راكت و تانكرهای گاز می­باشد.

كامپوزیت­های كربن­ـ­اپوكسی در صنعت هوافضا به دلیل دو پارامتر مهم طراحی، پایین بودن وزن و بالا بودن استحكام از اهمیت ویژه­ای برخوردار می­باشند. لازم به ذكر است كه استحكام و مدول ویژه بالای كامپوزیت­های كربن­ـ­اپوكسی تنها در جهت الیاف و بنا­براین بیشترین میزان تحمل بار در این جهت می­باشد.

یك سازه كامپوزیتی مشبك را می­توان قرار­گیری ریب­های كامپوزیتی متصل به یكدیگر كه تشكیل یك مجموعه پیوسته را به صورت 2 بعدی (صفحه­ای) یا 3 بعدی (فضایی) می­دهند، در نظر گرفت. این مجموعه از ریب­ها (نوارها) كه شكل شبكه­ای به سازه می­دهند از الیاف پیوسته­، چقرمه­، سفت و مستحكم تشكیل شـده­اند. بدین ترتیـب سازه­های كامپوزیتی مشبـك به دلیـل داشتن استـحكام بالا، نسـبت وزنی كم، انعـطاف پذیری در طراحی دارای قابلیت­های كاربردی بیشتری نسبت به سازه­های فلزی می­باشند.

اجزای اصلی این سازه مشبك شامل گره­ها، ریب­ها و سلول واحد می­باشد. معمولاً هر سازه از تكرار چند سلول واحد تشكیل شده و استحكام سازه­های مشبك كامپوزیتی رابطه مستقیم با این واحد­ها دارد، ضمناً محل برخورد ریب­ها، گره نامیده می­شود. یكی از ویژگی­های اصلی سازه­های مشبك كامپوزیتی رخداد حالتهای مختلف شكست در آنها می­باشد. شكست سازه مشبك كامپوزیتی می­تواند ناشی از شكست ریب­ها (ریب­های مایل)، كمانش موضعی ریب­ها و یاكمانش كلی پوسته و در نهایت شكست پوسته یا شبكه باشد.



پوسته‌های مشبك كامپوزیتی غالباً از ریب‌های مایل (هلیكال) تشكیل می‌شوند كه ابعاد (عرض، ضخامت و تعداد آنها)، فاصله آنها نسبت به یكدیگر و زاویه قرارگیری‌شان نسبت به محور طولی پوسته، از خروجی‌های طراحی می‌باشند.



سازه­های مشبك كامپوزیتی را می­توان براساس جهات قرارگیری ریب­ها به صورت زیر تقسیم­بندی نمـود:

1- سازه­های مشبك كامپوزیتی شامل ریب­­های محیطی، طولی و مایل(4 جهته)

2- سازه­های مشبك كامپوزیتی شامل ریب­های محیطی و مایل (3 جهته)

3- سازه­های مشبك كامپوزیتی شامل ریب­های مایل

4- سازه­های مشبك كامپوزیتی شامل ریب­های محیطی و طولی[2]

همچنین سازه­های مشبك كامپوزیتی شامل ریب­های محیطی و ریب­های مایل به دو دسته مثلثی (Triangular) و شش­ضلعی (Hexagon) تقسیم می­گردند. در سازه مشبك نوع مثلثی در هر محل اتصال، سه ریب رویهم قرار گرفته و این در حالی است كه در سازه­های مشبـك نوع شـش­ضلعی در هر محل اتصال تنها دو ریب روی یكدیگر قرار گرفته­اند[3]. لازم به ذكر است كه سازه­های مشبك كامپوزیتی بسته به نوع كاربرد می­توانند شامل پوسته داخلی، خارجی و یا هر دو باشند.



ابتدا ساختـارهای مشبك فلزی در چهارچوب هـواپیمای بمب‌افكـن انگلیسیWellington WWII [2] مورد استفاده قرار گرفت. طراحی سازه‌های مشبك در روسیه، با ساخت برج رادیویی مسكو با ارتفاع 3/148 متر توسط شوخوف(Shukhov) در سال 1921 [4]، آغاز گردید.



اولین كامپوزیت مشبك آزمایشی در CRISMB در سال 1981 [4و5] با قطر 3/1 متر و طول 4/1 متر ساخته و تحت بار محوری فشاری مورد مطالعه قرار گرفت. نتایج حاصله مبنی بر­آن بود كه سازه بالاتر از مقادیر پیش‌بینی شده براساس معیارهای واماندگـی پوستـه، دچـار وامانـدگی می­گردد. تحلیل بیشـتر نشان داد كه سازه‌های مشبـك دارای ویژگـی خود- پایدارسازی می­باشند. در شرایطی كه سازه مشبك تحت بارگـذاری فشـاری قرار گیرد، ریب­های مارپیـچی فشار را در ریب­های محیطی یا پوسته تبدیل به كشش كرده و بدین ترتیب بار فشاری مشابه با یك نیروی فشاری درونی عمل می‌كند. این فشار شكل دایره‌ای را تثبیت كرده و حساسیت پوسته را به عیوب شكلی كاهش و مقدار بار بحرانی را افزایش می‌دهد.

در سال 1981 یك برنامه پژوهشی خاص در CRISMB به منظور بهبود مفاهیم پایه طراحی، روش‌های تحلیل، ساخت، بازرسی و نحوه انجام تست‌ها برای سازه‌های مشبك با هسته میانی آغاز شد. اتمام این برنامه در سال 1985 [4و5] منجر به ساخت آزمایشـی دو سازه با هسـته میانی گردید.



هر دو سازه كامپوزیتی متشكل از لایه­های مخـتلفی از جنـس آرامید- اپوكسی كه از طریق پیچش نوارهای كربنی روی شیارهای ایجاد شده توسط ماشینكاری برروی لایه فومی ساخته شدند.

در گذشته (قبل از ناكامورا 1988) [3]، ریب­های محیطی و مارپیچی در سیلندرهای مشبك با استفاده از روش­های مختلفی ساخته می­شدند. ریب­های مارپیچی با روش لایه­گذاری دستی و ریب­های محیطی با استفاده از روش رشته­پیچی ساخته و در اتوكلاو پخته شده تا سازه، شكل بگیرد. این فرآیند قابلیت اتوماتیك شدن را نداشته و بنابراین هزینه تولید بالا می­باشد.

مخازن تحت فشار كامپوزیتی بعلت وزن پایین، استحكام بالا و هزینه­های كم تولید، به طور گسترده­ای در صنعت موشكی به منظور ساخت موتورهای موشك بكار می­روند (گرامولGramoll))1990) [3]. مزیت اولیه روش رشته­پیچی اینست كه الیاف به طور پیوسته و در جهت بار وارده پیچیده و نیاز به اتوكلاو به حداقل رسیده و در محصول نهایی می توان به درصد حفره پایین همراه با درصد حجمی الیاف بالا رسید (چن 1988) [6]، علاوه بر­این بعلت استفاده از رزین و الیاف با قیمت پایین­تر نسبت به الیاف از پیش آغشته، هزینه­ها كاهش می­یابد.

چن(1988) [6] رفتار كمانشی پوسته­های كامپوزیتی كه به عنوان سازه­های دریایی كاربرد دارند، را مورد مطالعه قرار داد. نمونه های تست با استفاده ازروش رشته­پیچی از طریق پیچش نوارهای باریك از پیش آغشته شده روی مندرل گرم با دمای مناسب (دمایی كه چسبناكی و جریان­یابی مناسب رزین را فراهم سازد) حاصل شد. در حین فرآیند پیچش، از ابزاری به منظور اطمینان از مستقیم بودن الیاف و خارج شده هوای محبوس شده، استفاده می­گردد. عیوب ناشی از فرآیند ساخت از قبیل چین خوردگی، موج دار شدن الیاف و حفرات، به محصول نهایی آسیـب می­رساند. جهت گیری­های مختلف الیاف در پوسته به منظور ایجاد بهـینه­ترین میزان نیروی كمانش، مورد مطالعه قرار گرفت.

هوسومورا (1981) [7] به بررسی واماندگی سیلندر مشبك نوع مثلثی پرداخت. او دریافت كه اگرچه CFRP از نظر استحكام و مدول ویژه نسبت به فلزات و یا دیگر مواد ایزوتروپ بالاتر است، اما این مزیت تنها در جهت الیاف می­باشد، همچنین متوجـه شد كه CFRP در اتصـالات پیچی ضعیف عمل می­كنـد. سازه­های CFRP طوری طراحی می­شوند كه نیروها همواره درجهت الیاف بوده و همچنین الیاف در حین فرآیند ساخت بریده نشده و فرآیند رشته­پیچی به طور پیوسته صورت بگیرد.


مطالعات انجام شده در كشور:

علی اصغر نجف­زاده خویی، دانش‌آموخته مهندسی مواد مركب دانشگاه صنعتی مالك اشتر در تحقیقات پایان‌نامه كارشناسی‌ارشدش با عنوان «طراحی و روشهای تست مخزن مشبك كامپوزیتی تحت نیروی محوری و فشار داخلی» و با راهنمایی دكتر اسكندری و مشاوره دكتر ذبیح­پور تاثیر پارامترهای مختلف طراحی از قبیل ابعاد ریب، زاویه ریب و چیدمان لایه­ها در پوسته­های داخلی و خارجی در میزان بارپذیری مخزن با استفاده از نرم‌افزار ANSYS بررسی نمود (شكل 1-8). لازم به ذكر است كه این تحقیق (مخزن مشبك كامپوزیتی) برای اولین بار وتوسط گروه مذكور، طراحی و مورد بررسی قرار گرفته است.

در این تحقیق بمنظور بررسی رفتار مخزن مشبك كامپوزیتی تحت بار محوری فشاری و فشار داخلی، مدل­های متعددی از سازه­های مشبك كامپوزیتی بدون پوسته و همراه با پوسته ساخته و در شرایط بارگذاری مختلف مورد مقایسه و بررسی قرار گرفتند. همچنین به منظور تأیید صحت مدلسازی، نتایج حاصل از روش المان محدود با روش تئوری حاكم بر سـازه­های مشبك كامپوزیتی مورد مقایسه قرار گرفت. در پایان، مطالعه پارامتریك محدودی برروی متغیرهای طراحی به منظور دستیابی به شرایط بهینه صـورت پذیرفت.





بنابر نتایج مطالعه پارامتریك، زاویه 60 درجه زاویه­ای مناسب برای تحمل بار محوری فشاری در سازه­های مشبك كامپوزیتی است و همچنین تغییر­فرم در ریب­های مایل به مراتب بیشتر از ریب­های محیطی بوده و با توجه به ارتباط ابعادی سلول واحد، كاهش و افزایش زاویه پیچش از 60 درجه، منجر به افزایش تنش ماكزیمم ریب­ها می­گردد.

اتوماسیون فرآیند ساخت از یك طرف و به حداقل رسیـدن هزینه­های سـاخت از طرف دیـگر، منجـر به انتخـاب روش رشته­پیچی(فیلامنت­ وایندینگ) گردید، همچنین بدلیل بالا بودن اهمیت ایمنی مـخازن كامپوزیتی، به بررسی تسـت­های مربوط به سـازه­های مشبك تحت نیروهای محـوری فشاری و تست­های مختلف مخرب و غیرمخرب معمول برای مخازن كامپوزیتی تحت فشار پرداخته شد.




مراجع:


[1] Huybrechts S.M., Meink T.E., Wenger P. M., Ganley J.M., “Manufacturing Theory for Advanced Grid Stiffened Structures”, Composites, 2001.

[2] Mavidis P., “FE Based design of anisogrid lattice Shells”, CranfieldUniversity, September 2007.

[3] Hou A., “Strength of Composite Lattice Structures”, Georgia Institue of Technology, April 1997.

[4] Vasiliev, V.V. Barynin, V.A. Rasin, A.F. , Anisogrid Lattice Structures- A survey of Development and Application”, Composite Structures, Vol.54, pp 361:370, 2001.

[5] Vasileve, V.V.Rasin, A.F., “Anisogrid Composite Lattice Structures for Spacecraft and Aircraft Applications, Composite Structures, Vol 76, pp 182:189, 2006.

[6] Chin H.B. and Pervorse D.C., “Design of Composite Hull Structures for Underwater Service”, Proceeding of the fourth Japan-U.S. Conference on Composite Material,pp 935-962, 1988.

[7] Hosomura, T., Kawashima T., and Mori D., “New CFRP Structural Element”, Japan-US Conference on Composite Materials, Tokyo,pp447-452, 1981.


منبع: انجمن کامپوزیت ایران




برچسب ها: سازه‌های مشبك كامپوزیتی،  
این صفحه را به اشتراک بگذارید
نوشته شده در تاریخ سه شنبه 16 فروردین 1390 توسط هادی شوکت
اوکسین ادز معتبرترین و بزرگترین سیستم کسب درآمد وبمسترها
تمامی حقوق این وب سایت متعلق به انجمن علمی سازه های چوبی مرکز آموزش عالی فنی شهید صدوقی یزد می باشد| طراحی : صفحه اصلی
قالب وبلاگ