پایگاه علمی سعید سان دانلود رایگان مقالات علمی کنفرانس و ژورنال
دانلود بررسی اثر حضور الگوهایی از معایب ساخت در طراحی مخازن کامپوزیتی
پایان‌نامه برای دریافت درجه کارشناسی ارشد
در رشته مهندسی مکانیک گرایش ساخت‌و‌تولید
چکیده
در چند دهه اخیر، استفاده از مواد مرکب به دلیل داشتن خواصی ویژه از جمله سفتی و استحکام ویژه بالا، در صنایع مختلف روندی رو به رشد را داشته است. اخیرا لوله‌ها و مخازن کامپوزیتی یکی از تولیدات مهم صنایع هوایی، دریایی و پالایشگاه‌ها می‌باشند و تا به امروز فرآیند رشته‌پیچی مناسب‌ترین روش در تولید آن‌ها محسوب می‌شود.
عمده عیوب ایجاد شده در فرآیند رشته‌پیچی شامل خطای زاویه الیاف و عدم یکنواختی در توزیع رزین (درصد حجمی الیاف) می‌باشد. این عیوب بر رفتار مکانیکی قطعات تولید شده تاثیر یسزایی می‌گذارد. در نتیجه در این پژوهش به بررسی تاثیر خطای زاویه الیاف و عدم یکنواختی در توزیع رزین بر رفتار کمانشی لوله و مخازن کامپوزیتی تحت فشار خارجی هیدرواستاتیک یکنواخت پرداخته شده است.
ساخت دستگاه در دقت‌های بالا، مشمول صرف هزینه‌های بسیار بالا می‌باشد که ابتدا باید پاسخی برای سوال “چه میزان دقت لازم است؟” پیدا کرد. در این پژوهش، کمانش لوله و مخزن کامپوزیتی تحت فشار خارجی به صورت تجربی و شبیه‌سازی اجزای محدود مورد مطالعه قرار گرفته است. در این راستا از لوله و مخزن کامپوزیتی به قطرهای 150 و 500 میلی‌متر و طول 5/1متر از جنس E-glass/Epoxy استفاده شده است. تاثیر خطای زاویه الیاف و درصد حجمی الیاف بر رفتار کمانشی این قطعات مورد مطالعه قرار گرفت.
در بررسی خطای زاویه، بیشترین اثر خطا در لایه چینی [30±] دیده شد و کمترین اثر خطا در لایه چینی [60±] مشاهده شد. اثر خطای (5±) درجه در دستگاه پیچش الیاف سبب اختلاف 10 درصدی در فشار کمانشی مخزن می‌شود. در لوله‌ها و مخازن تولید شده با نسبت طول به قطر 4 اثر خطا سبب می‌شود فشار کمانشی تا 12 درصد کاهش یابد و همچنین در نسبت قطر به ضخامت 50 باعث می‌شود فشار کمانشی تا 37 درصد کاهش یابد.
واژه‌های کلیدی: کمانش مخزن و لوله کامپوزیتی، دستگاه پیچش الیاف، فرآیند رشته‌پیچی، خطای زاویه و درصد حجمی الیاف
لوله‌ها و مخازن کامپوزیتی از تولیدات مهم صنایع هوایی، دریایی و پالایشگاه‌ها محسوب می‌شوند و فرآیند رشته‌پیچی از مناسب‌ترین روش‌ها در تولید آن‌ها به شمار می‌آید. در قطعات ساخته شده به روش رشته‌پیچی، تحت بارگذاری‌های خارجی سبب کمانش شده که در تخریب و کاهش عمر سازه اثر گذار است. در این پایان نامه، مطالعه ای بر معایب ساخت دستگاه پیچش الیافی صورت گرفته که قادر به تولید مخازنی تا قطرهای 4 متر و طول‌های 12 متر می‌باشد. قسمت عمده این عیوب در فرآیند رشته‌پیچی بر روی دستگاه پیچش الیاف تمرکز دارد.
کامپوزیت[1] به معنی ماده مرکب و مواد کامپوزیتی به معنی مواد مرکب می‌باشد. ماده مرکب از ترکیب چندین ماده با ویژگی ها و خصوصیات مختلف بوجود می‌آید. مطالعه تاریخ نشان می‌دهد که اولین بار ساخت مواد مرکب توسط بشر، در دوره پارسنگی[2] می‌باشد و همچنین حدود 5000 سال قبل از میلاد مسیح در خاورمیانه از پلیمر برای قیراندود کردن قایق ها استفاده شده است. اما مهمترین تحولات در مواد مرکب بین سالهای 1847 تا 1946 اتفاق افتاد که دانشمندان مفهوم جدیدی از آن ارایه کردند[1].
تا قبل از ورود کامپوزیت به صنعت، فلزات و آلیاژهای آن‌ها مورد توجه صنایع فضایی و دریایی بودند اما امروزه بخش مهمی از این صنایع به آن‌ها وابسته است. آلیاژ ها نمونه ای از مواد مرکب هستند منتها از ترکیب مواد در مقیاس میکروسکوپی بوجود می‌آیند، آلیاژهای فلزی در مقیاس ماکروسکوپی، بعنوان یک ماده هموژن فرض می‌شوند. مقیاس ماکروسکوپی یعنی هر کدام از مواد تشکیل دهنده ماده پس از ترکیب، با چشم غیر مسلح دیده می‌شوند. شکل (1-1) ترکیب تقویت کننده و زمینه را نشان می‌دهد[2].
در صنایع مکانیک ماده کامپوزیت به مفهوم ترکیب دو جزء تقویت کننده[3] و زمینه[4] می‌باشد. هر جزء متحمل وظیفه ای است که جزء اصلی یا تقویت کننده، وظیفه تحمل نیرو را دارد و در واقع خصوصیات اصلی کامپوزیت به این جزء وابسته است. جزء دیگر، زمینه نام دارد که پایه کامپوزیت است و وظیفه اصلی آن انتقال و تقسیم نیرو می‌باشد[2]. در شکل (1-2) خصوصیات مکانیکی الیاف و رزین و ترکیب این دو ماده را نشان می‌دهد.
از خصوصیات مواد مرکب می‌توان به توانایی در انتخاب جنس و اجزای تشکیل دهنده اشاره کرد. مواد کامپوزیتی علاوه بر خصوصیت مذکور توانایی تقویت ماده در جهت دلخواه را دارند از طرفی دیگر خصوصیات مکانیکی ماده تقویت کننده و زمینه در کامپوزیت‌ها، خصوصیات ویژه‌ای را در اختیار طراح می‌گذارد که عبارتند از:
| نسبت استحکام به وزن بالا | سختی متوسط |
| طول عمر زیاد | مقاوم در برابر حرارت |
| مقاوم در برابر خوردگی | مقاوم در برابر سایش |
طبیعتاً تمام این خصوصیات به صورت بهینه در یک ماده مرکب یافت نمی‌شود چرا که گاهاً بعضی از این خصوصیات اثراتی متقابل روی هم دارند. به هر حال بر اساس عملکرد یک سازه می‌توان خصوصیات را اولویت بندی و بهینه نمود[2].
تقویت کننده‌ها بر اساس جنس و ساختار ظاهری تقسیم بندی می‌شوند. تقویت کننده‌ها بر اساس جنس به شیشه، گرافیت و آرامید دسته بندی می‌شوند و بر اساس ساختار ظاهری به دو گروه که می‌توان به کامپوزیت های تقویت شده با الیاف[5] و کامپوزیت‌های تقویت شده با ذرات[6] اشاره کرد. زمینه هم بر اساس جنس و نوع عملکرد به دسته بندی های گوناگونی طبقه بندی شده است. یک نمونه از گروه‌بندی مواد کامپوزیت در شکل (1-3) نشان داده شده است.
| (الف) | (ب) | (ج) |
- انواع آرایش تقویت کننده در کامپوزیت[3]. الف) تقویت کننده ذره ای ب) تقویت کننده با الیاف و ویسکرز ج) تقویت کننده با الیاف پیوسته
در این پژوهش از الیاف شیشه پیوسته با زمینه اپوکسی استفاده شده است. از خصوصیات الیاف شیشه می‌توان به استحکام بالا، قیمت پایین، مقاومت شیمیایی بالا و خواص عایقی مناسب اشاره کرد. از معایب آن می‌توان به مدول الاستیک پایین، پیوند ضعیف به پلیمرها، وزن مخصوص بالا، حساسیت به سایش (که باعث کاهش استحکام کششی می‌شود) و مقاومت در برابر خستگی پایین اشاره نمود. الیاف شیشه انتخاب شده در این پژوهش از خانواده (E) انتخاب شده که این حرف معرف واژه الکتریکال به این دلیل ذکر می‌شود که این نوع الیاف برای کاربردهای الکتریکی طراحی شده است. البته مصارف دیگری مانند کاربردهای تزیینی و حتی سازه‌ای نیز دارد. با این وجود استحکام کششی مناسب الیاف شیشه باعث شده تا این الیاف در مخازن تحت فشار داخلی و خارجی، موشک و دیگر سازه‌ها نیز مورد استفاده قرار گیرد. ساخت الیاف شیشه معمولا از سنگ شیشه و الیاف توسط ذوب کردن سنگ شیشه با کنترل دقیق درجه حرارت حاصل می‌شود[4].
رزین اپوکسی نقش تقویت کننده را در نمونه‌های ساخته شده بر عهده دارد. رزین‌های اپوکسی، در دسته بندی زمینه های پلیمری قرار دارند که از سایر زمینه‌های پلیمری گران قیمت‌تر است ولی مشهورترین و پرکاربردترین نوع ماتریس‌ها در PMCها محسوب می‌شود. نزدیک به 70 درصد ماتریس‌های پلیمری مورد استفاده در صنایع هوافضا، از اپوکسی تشکیل شده‌اند. دلایل اصلی کاربرد فراوان این رزین‌ها در استحکام بالا، ویسکوزیته پایین، فراریت کم در طول فرآیند پخت[7] و نرخ انقباض کم می‌باشد. از مزایای مهم آن‌ها نیز می‌توان به بهبود در خواص الکتریکی و شیمیایی اشاره کرد[4].
| خصوصیات | واحد | الیاف شیشه | رزین اپوکسی |
| گرانش مخصوص[8] | – | 54/2 | 28/1 |
| مدول یانگ[9] | GPa | 4/72 | 79/3 |
| استحکام کششی نهایی[10] | MPa | 3447 | 72/82 |
در بیان پوسته های کامپوزیتی باید گفت که هر ماده ای که استحکام بالا و خصوصیت مناسبی در برابر تنش های کششی داشته باشد مورد توجه صنایع لوله سازی و مخازن قرار گرفته می‌گیرد. سازمان ASME طبق استانداردهای خاص لیستی از بهترین مواد با محدودیت دما و فشار را برای تولید لوله و مخازن تحت فشار ارایه کرد، که نام کامپوزیت‌ها در این لیست به چشم می‌خورد. پوسته‌های کامپوزیتی را می‌توان بر اساس جنس، ابعاد و فرم ظاهری طبقه بندی نمود و همچنین نسبت‌های بین طول، قطر و ضخامت در طبقه بندی آن موثر است.
امروزه یکی از کاربردهای مهم پوسته های کامپوزیتی، در تولید لوله و مخازن تحت فشار خارجی است. این لوله‌ها و مخازن علاوه بر فشار داخلی سیال در برابر فشارهای خارجی، استحکام خوبی دارند و می‌توان از آن‌ها در فشار خارجی بالا استفاده کرد. کاربرد لوله‌های کامپوزیتی در خطوط انتقال نفت از سکوها به پالایشگاه و کاربرد مخازن کامپوزیتی در صنایع دریایی و حمل نقل می‌باشد[5]. شکل (1-4) یک طرح کلی از تولید یک مخزن کامپوزیتی را نشان می‌دهد که عیوب ساخت در مراحل نصب و راه‌اندازی دستگاه و فرآیند رشته‌پیچی رخ می‌دهد.
امروزه دستگاه‌های پیچش الیاف، سرعت و دقت در تولید محصولات کامپوزیتی را افزایش داده‌اند. هر دستگاه پیچش الیاف دارای یک تعداد محور یا درجه آزادی مشخص است که هرچه تعداد این محورها بیشتر باشد، امکان تولید قطعات با شکل‌های پیچیده‌تر میسر خواهد شد. شکل (1-5) دستگاه پیچش الیاف را نشان می‌دهد. این فرآیند نه تنها برای اشکال متقارن تک محوری بلکه برای مقاطع منشوری و حتی اشکال پیچیده نیز استفاده می‌شود. شکل (1-6) نمونه‌ای از تولیدات دستگاه پیچش الیاف می‌باشد. رشته‌پیچی به دو صورت مرطوب و خشک انجام می‌شود که در ادامه توضیح داده می‌شود.
تعریف کامل تر از فرآیند رشته‌پیچی را اینگونه می‌توان مطرح کرد: پیچش الیاف به دور مندرل[11] به صورت محیطی، مارپیچی، قطبی و طولی، که در هر بار چرخیدن، پوششی به اندازه ضخامت الیاف روی بدنه مندرل در جهت طولی ایجاد می‌شود. بعد از اتمام عمل پیچش الیاف، قطعه را جهت پخت در داخل کوره قرار می دهند.
[1] Composite
[2] حدود 8000 سال قبل از میلاد مسیح
[3] Reinforcment
[4] Matrix
[5] Fiber
[6] Particles
[7] Curing
[8] Specific gravity
[9] Young’s modulus
[10] Ultimate tensile strenght
[11] Mandrel
فهرست مطالب
فصل 1: مقدمه 1
1-1 مقدمه. 2
1-2 نگاهی به کامپوزیت‌ها 2
1-3 پوسته‌های کامپوزیتی… 5
1-4 فرآیند رشته‌پیچی… 6
1-4-1 رشته‌پیچی مرطوب… 9
1-4-2رشته‌پیچی خشک….. 10
1-5 خطاهای ساختی… 10
1-6 الگوهای رشته‌پیچی… 12
1-6-1 رشته‌پیچی محیطی… 12
1-6-2 رشته‌پیچی مارپیچی… 12
1-6-3 رشته‌پیچی قطبی… 13
1-7 کمانش پوسته‌های کامپوزیتی… 14
1-8 اهداف پژوهش….. 17
فصل 2: مروری بر منابع 20
2-1 مقدمه. 21
2-2 پژوهش های انجام شده پیرامون کمانش پوسته های استوانه‌ای کامپوزیتی… 22
فصل 3: مراحل شبیه‌سازی 37
3-1 مقدمه. 38
3-2 معرفی نرم‌افزار شیبه سازی… 38
3-3 تحلیل المان محدود مخزن کامپوزیتی در نرم‌افزار آباکوس…. 39
3-3-1 ایجاد مدل هندسی قطعات در محیط ترسیم.. 40
3-3-2 تعریف مشخصات ماده در محیط تعریف خواص ماده. 41
3-3-3 مونتاژ قطعات در محیط مونتاژ. 44
3-3-4 تعریف مراحل انجام تحلیل در محیط گام. 44
3-3-5 تعریف برهم کنش‌ها در محیط تماس…. 44
3-3-6 تعریف بارگذاری و شرایط مرزی در محیط بارگذاری… 45
3-3-7 تحلیل المان بندی روی مخزن در محیط شبکه بندی… 45
3-3-8 تحلیل فرآیند در محیط تحلیل.. 47
3-3-9 مشاهده نتایج تحلیل در محیط نتایج… 47
3-4 فرضیات پژوهش….. 48
فصل 4: مراحل آزمایشگاهی 49
4-1 مقدمه. 50
4-2 ساخت لوله و مخزن کامپوزیتی… 50
4-2-1 خصوصیات لوله کامپوزیتی… 51
4-2-2 خصوصیات مخزن کامپوزیتی… 51
4-3 تست فشار خارجی هیدرواستاتیک….. 52
4-3-1 مخزن تحت فشار. 53
4-3-2 کپسول گاز ازت… 53
4-4 مراحل آزمایشگاهی… 54
4-5 جمع بندی… 57
فصل 5: نتایج 58
5-1 مقدمه. 59
5-2 نتایج آزمون فشار خارجی هیدرواستاتیک….. 59
5-2-1 بررسی کمانش در لوله کامپوزیتی… 60
5-2-2 بررسی کمانش در مخزن کامپوزیتی… 62
5-3 اثر خطای ساختی در مخزن مورد مطالعه با کمک شبیه‌سازی… 65
5-3-1 اثر خطای زاویه در کمانش مخزن کامپوزیتی… 66
5-3-2 اثر خطای درصد حجمی در کمانش مخزن کامپوزیتی… 66
5-4 اثر زاویه در کمانش مخازن کامپوزیتی… 67
5-5 اثر درصد حجمی بر کمانش مخازن کامپوزیتی… 68
5-6 اثر معایب ساخت در طول‌ها و قطرهای مختلف…. 69
5-6-2 اثر خطای زاویه در کمانش مخازن 45± رشته‌پیچی شده. 70
5-6-3 اثر خطای زاویه در کمانش مخازن 60± رشته‌پیچی شده. 72
فصل 6: نتیجه گیری و پیشنهادات 75
6-1 مقدمه. 76
6-2 نتیجه گیری… 76
6-3 پیشنهادات… 78
مراجع 79
| فرمت فایل: Word (قابل ویرایش) |
| تعداد صفحات: 91 |
| حجم: 6.26 مگابایت |