تحلیل کمانش و جذب انرژی پوسته‌های باز استوانه‌ای ساندویچی کامپوزیتی با هسته انعطاف‌پذیر (ویسکو الاستیک) تحت فشار جانبی دینامیکی (انفجار)

Buckling and Energy Absorption of Cylindrical Composite sandwich Panels with Flexible Core under Lateral Dynamic Pressure

  • جزئیات
  • خلاصه پژوهش
  • تعریف مسئله
  • اهمیت و ضرورت
  • اهداف
  • توضیحات تکمیلی
  • حمایت‌های موردنیاز
  • فایل‌های پیوست
  • پیام‌ها
  • حامیان پیشنهادیه
:   کاربردی
:  
دکترای حرفه‌ای (Ph.D)
مهندسی مکانیک
مهندسی مکانیک - مکانیک جامدات
:   16 ماه
:   1397/06/31

سازه­های کامپوزیتی سه لایه با لایه میانی انعطاف­پذیر دارای قابلیت­های زیادی از جمله جذب انرژی زیاد، نسبت مقاومت به وزن بالا، سفتی زیاد، مقاومت به خوردگی عالی و آشکارسازی مغناطیسی و راداری کم هستند. از این رو امروزه این سازه­ها به عنوان جایگزین مناسب برای ساختارهای فلزی سنتی در شناورها، هواپیماها و تجهیزات فضایی، به کار برده می­شوند. در این رساله به تحلیل بر روی رفتار کمانش و جذب انرژی پوسته­های استوانه­ای باز سه لایه (پانل ساندویچی) با لایه­های داخلی و خارجی تشکیل شده از مواد اورتتروپ و لایه میانی انعطاف­پذیر از جنس فوم پلیمری، تحت فشار جانبی دینامیکی پرداخته می­شود. مطالعات آزمایشگاهی انجام شده بر روی فوم­های پلیمری نشان می­دهد رفتار مکانیکی این دسته از مواد وابسته به نرخ کرنش می­باشد. از این رو بر خلاف تحلیل­های موجود که در آن برای لایه میانی رفتار الاستیک و یا الاستیک - پلاستیک کامل در نظر گرفته می­شود، در این پژوهش برای ماده به کار رفته در لایه میانی رفتار ویسکو الاستیک - پلاستیک کامل اتخاذ گردیده و قابلیت تغییر ضخامت برای این لایه در طول فرآیند تغییر شکل سازه مد نظر قرار می­گیرد. برای انجام محاسبات تئوری مسئله کمانش، معادلات دیفرانسیل حاکم بر پایداری پوسته­های استوانه­ای با استفاده از روش­های موجود مانند به معادلات دیفرانسیل معمولی برحسب زمان تبدیل شده و با روش­های عددی مناسب حل خواهند شد. در مطالعه جذب انرژی، یک مدل تئوری با استفاده از روش تعادل انرژی مد نظر قرار داده شده است تا رفتار فشردگی پانل­ها را پیش­بینی نماید. از یک روش تکرار برای حل معادلات غیر خطی حاصله در این بخش بر مبنای تئوری پلاستیسیته نموی استفاده خواهد شد. پس از تأیید نتایج برای شرایط خاصی از مسئله و همچنین به کمک روش المان محدود، مقایسه­ای بین مدل­های الاستیک، الاستیک-پلاستیک کامل و ویسکوالاستیک-پلاستیک کامل انجام خواهد شد و اختلاف نتایج آنها در رفتار کمانش و جذب انرژی مورد بحث قرار خواهد گرفت. حالت­های مختلف خرابی پانل ساندویچی شامل شکست لایه­های اورتتروپ، تسلیم هسته، کمانش موضعی و اثر پارامترهای مختلف از قبیل ابعاد هندسی، خواص مکانیکی، دامنه و مدت زمان اعمال بار دینامیکی ضربانی و غیره مورد مطالعه قرار می­گیرد. 

تحلیل کمانش پوسته­های باز استوانه­ای سه لایه (پانل ساندویچی) تشکیل شده از مواد اورتتروپ بخش اول از موضوع این رساله می­باشد. با توجه به کاربرد این سازه­ها در وسایلی از جمله هواپیما­ها، فضاپیماها، کشتی­ها و غیره و شرایط کارکرد این تجهیزات، اثرات بارهای فشاری جانبی استاتیکی و دینامیکی بر روی آنها بررسی خواهد شد، شکل ‏4‑1. فشار دینامیکی وارد شده بر سازه از نوع ضربانی تک مرحله­ای می­باشد که در یک بازه زمانی بسیار کوتاه اعمال می­گردد. رفتار لایه­های درونی و بیرونی در این مرحله از تحلیل الاستیک در نظر گرفته می­شود و برای هسته تغییر شکل­های ویسکوالاستیک مدل­سازی می­گردد. از آنجایی که ساختارهای ساندویچی با هسته انعطاف­پذیر به دلیل تغییر شکل پلاستیک هسته قابلیت بسیار خوبی در جذب انرژی از خود نشان می­دهند، در ادامه به تحلیل جذب انرژی این پانل­های ساندویچی تحت بارگذاری دینامیکی وارد شده پرداخته می­شود. در لایه میانی پانل ساندویچی موادی با رفتار ویسکوالاستیک-پلاستیک کامل به کار برده می­شود. معادلات حاکم بر کمانش دینامیکی و همچنین جذب انرژی پانل به گونه­ای استخراج می­شوند که قابلیت تغییر ضخامت لایه میانی در طول فرآیند تغییر شکل حفظ گردد. در راستای تکمیل مطالعات، به تجزیه و تحلیل پارامترهای مختلف تأثیرگذار بر عملکرد پانل استوانه­ای ساندویچی از جمله لایه­بندی و آرایش الیاف در لایه­های جانبی، نوع هسته، ابعاد پانل، دامنه و دوره اعمال نیرو، کمانش موضعی در لایه­های پانل و غیره پرداخته می­شود.

 

شکل ‏41 پانل استوانه­ای کامپوزیتی ساندویچی تحت بارگذاری فشار جانبی

تفاوت کار حاضر با آنچه در مطالعات دیگر محققان گزارش شده را به صورت کلی می­توان در مواردی مانند استفاده از مدل ویسکوالاستیک - پلاستیک کامل برای هسته فوم پلیمری، در نظر گرفتن قابلیت تغییر شکل لایه میانی انعطاف­پذیر، تحلیل جذب انرژی تحت بارگذاری دینامیکی، تحلیل کمانش دینامیکی پانل ساندویچی تحت بار ضربانی تک مرحله­ای نام برد. سهم اصلی کار پیش­رو در موارد زیر دسته بندی می­شود:

1- ارائه فرمولاسیون یک پارچه برای تحلیل کمانش دینامیکی پانل­های استوانه­ای ساندویچی با لایه­های اورتتروپ و هسته میانی انعطاف­پذیر با خواص ویسکوالاستیک و قابلیت تغییر ضخامت هسته.

2- ارائه فرمولاسیون و حل پارامتری معادلات پانل استوانه­ای ساندویچی با هسته انعطاف­پذیر برای جذب انرژی با در نظر گرفتن رفتار ویسکوالاستیک پلاستیک کامل برای لایه میانی (هسته) و قابلیت تغییر ضخامت هسته در طول فرآیند بارگذاری.

3- مطالعه و بررسی اثر نوع، دامنه و دوره اعمال بار بر رفتار کمانش و جذب انرژی پانل.

 

4- مقایسه کامل و جامع بین پانل­های ایزوتروپ، کامپوزیتی و ساندویچی.

امروزه تقاضای محیط زیستی، اقتصادی، نظامی و ایمنی در صنعت هوافضا، هواپیماها و کشتی­ها سازندگان را مجبور کرده است تا به سبک­سازی در ساخت سازه­ها توجه ویژه­ای نمایند. سفتی بالا و مشخصه­های مقاومتی خوب موجب می­شود تا کامپوزیت­ها در کاربردهایی که نیازمند وزن بهینه هستند، به عنوان یک انتخاب ویژه مد نظر قرار داده شوند. پتانسیل بالای مواد کامپوزیتی ساندویچی در کاهش وزن موجب گردیده دست­یابی به سازه­های سبک متناسب با نیاز مصرف کنندگان دسترس­پذیر­تر باشد. تحقیقات نشان می­دهد هنوز برخی حوزه­ها مانند قابلیت کمانش، تحمل آسیب، مقاومت به عیوب و بارگذاری­های دینامیکی به طور کامل پوشش داده نشده­اند و این موارد پتانسیل استفاده بهینه از سازه­های کامپوزیتی را محدود کرده­اند. همانگونه که بخش­های پیشین بدان اشاره شد، سازه های استوانه­ای کامپوزیتی به طور گسترده در بدنه شناورها و هواپیماها در حال استتفاده می­باشند. از جمله تهدیداتی که این سازه­ها با آن رو به رو هستند بارگذاری­های دینامیکی ناشی از قرار گرفتن در معرض فشارهای هیدرودینامیکی (شکل ‏4‑2)، نیروهای فشاری ناشی از ضربه، شوک­های ناشی از اختلاف دما یا اختلاف فشار و یا نیروهای موج ناشی از سیال مجاور، بار دینامیکی اعمال شده به بدنه زیرین هواپیما و هلیکوپتر در هنگام نشستن و غیره است.

   

شکل ‏42 پدیده کمانش در اثر برخورد موج ناشی از انفجار زیرآب

 

علاوه بر این در برخی از صنایع از قبیل صنایع نظامی و یا صنعت نفت، در برخی از کاربردها پانل­های ساندویچی به کار رفته تحت اثر بارهای ناشی از انفجار قرار دارند. در این رساله نمونه­هایی از این نوع نیروهای فشاری وارد بر سازه درنظر گرفته می­شود و رفتار کمانشی و جذب انرژی سازه در آنها مورد بررسی قرار می­گیرد. تحقیقات مختلف نشان می­دهد در حالت­های مختلف بارگذاری دینامیکی، بار کمانشی می­تواند کمتر و یا بیشتر از بار کمانش استاتیکی باشد. روش­های عمومی طراحی که برای سازه­های کامپوزیتی و ساندویچی تحت بارگذاری­های دینامیکی به کار برده می­شود، با استفاده از فرضیات ساده­سازی بار به صورت شبه استاتیکی و استفاده از ضریب اطمینان محتاطانه، فرآیند طراحی را ساده می­نمایند. همچنین مدل­سازی دقیق رفتار مکانیکی مواد تشکیل دهنده سازه می­تواند از خطاهای ایجاد شده بین نتایج تئوری و آنچه در واقعیت اتفاق می­افتد، جلوگیری نماید. نمونه این رفتار می­توان به خواص ویسکوالاستیک فوم­های پلیمری اشاره کرد که به عنوان هسته در ساختارهای ساندویچی مورد استفاده در صنایع دریایی بسیار کاربرد دارند. در نظر گرفتن بار دینامیکی در برخی موارد می­تواند منجر به این گردد که سازه کامپوزیتی سبک­تر، ارزان­تر و با قابلیت اطمینان بیشتر تولید شود. هدف از انجام این رساله توسعه و اعتبارسنجی عملی یک روش تحلیل کمانش دینامیکی با قابلیت اطمینان مناسب، برای کاربردهای مهندسی در صنایع هوایی و دریایی می­باشد.

از سوی دیگر پوسته­های با هسته­های انعطاف­پذیر مانند فوم­های پلیمری، به این دلیل که دارای خاصیت جذب انرژی و نسبت مقاومت به وزن بالا در مقایسه با دیگر مواد هستند، به عنوان جذب کننده انرژی در جهت افزایش ایمنی و کاهش صدمات، کاربرد گسترده­ای در صنایع پیدا کرده­اند. کاربردهای این نوع از هسته­ها وابسته به پیکربندی هندسی و مشخصات ساختاری آن­ها است. دست­یابی به یک مدل پارامتری از این نوع هسته­ها که بتواند با انواع مختلف پیکربندی­ها هم­خوانی داشته باشد می­تواند کمک شایانی در این حوزه به شمار آید.

در این رساله کمانش دینامیکی و رفتار جذب انرژی پانل­های استوانه­ای کامپوزیتی و ساندویچی با هسته فوم پلیمری و در نظر گرفتن رفتار ویسکوالاستیک آن مورد بررسی قرار می­گیرد. اهداف و نوآوری­های کلی زیر در چارچوب انجام این رساله به چشم می­خورد.

- توسعه روابط جهت تحلیل کمانش دینامیکی سازه­های کامپوزیتی ساندویچی با (لایه میانی) هسته انعطاف­پذیر با خواص ویسکوالاستیک خطی و قابلیت تغییر ضخامت در طول تغییر شکل پانل، تحت بارگذاری دینامیکی ضربانی.

- ارائه فرمول­بندی برای تحلیل جذب انرژی پانل ساندویچی تحت بارگذاری دینامیکی، با (لایه میانی) هسته انعطاف­پذیر با قابلیت تغییر ضخامت در طول تغییر شکل پانل و  در نظر گرفتن رفتار ویسکوالاستیک-پلاستیک کامل برای هسته.

- بررسی تأثیر سرعت بارگذاری بر روی رفتار دینامیکی سازه ساندویچی با هسته ویسکوالاستیک.

- ارزیابی عددی تأثیر نوع بارگذاری و مدت اعمال آن بر روی رفتار کمانش دینامیکی سازه­های کامپوزیتی با استفاده از مدل اعتبار سنجی شده.

- مدل­سازی المان محدود کمانش دینامیکی و جذب انرژی پانل­های ساندویچی کامپوزیتی با استفاده از نرم­افزارهای تجاری.

حامیان پیشنهادیه:

بدون حامی