ضربه روی صفحات کامپوزیتی هیبریدی تقویت شده با آلیاژهای حافظه‌دار با نرم افزار Abaqus

1-2- کامپوزیت­ها

مواد کامپوزیت از ترکیب دو یا چند ماده در مقیاس ماکروسکوپیک به دست می­آیند. این مواد خواص مهندسی بهتری نسبت به مواد معمولی مانند فلزات دارند. امروزه در بسیاری از کاربردهای مهندسی، به تلفیق خواص مواد نیاز است و امکان استفاده از یک نوع ماده که همه خواص موردنظر را برآورده سازد، وجود ندارد. به‌عنوان‌مثال در صنایع هوافضا به موادی نیاز است که ضمن داشتن استحکام بالا، سبک باشند و همچنین مقاومت سایشی و مقاومت در برابر نور ماوراءبنفش خوبی داشته باشند و در دماهای بالا استحکام خود را از دست ندهند. ازآنجاکه نمی‌توان ماده‌ای یافت که همه خواص فوق را دارا باشد. باید به دنبال راه‌حلی برای ترکیب خواص مواد بود. این راه‌حل همان مواد کامپوزیت است. کامپوزیت ماده‌ای چند جزئی است که خواص آن از هرکدام از اجزا بیشتر است. ضمن آن­که اجزای مختلف کارایی یکدیگر را بهبود می­بخشد.

کامپوزیت­ها به‌طورکلی از دو بخش تشکیل شده است:

1- فاز زمینه (ماتریس)[1]

2- فاز تقویت‌کننده

که ماتریس فاز پیوسته[2] و فاز تقویت‌کننده، فاز ناپیوسته[3] نیز نامیده می­شود.

از یک دیدگاه می­توان مواد کامپوزیتی را بر اساس هندسه تقویت‌کننده تقسیم‌بندی نمود.(شکل 1-1)

1- کامپوزیت­های ذره­ای

2- کامپوزیت­های لیفی

در برخی موارد کامپوزیت‌ها را ازنظر نوع زمینه آن­ها نیز می­توان طبقه­بندی کرد. از این دیدگاه کامپوزیت­ها به سه دسته زیر تقسیم‌بندی می­شود[2].

1-2-1- کامپوزیت­های زمینه پلیمری[4]

کامپوزیت­های زمینه پلیمری تحت عنوان پلیمرهای تقویت‌شده با الیاف[5] یا کامپوزیت­های پایه رزینی[6] نیز شناخته می‌شوند. این کامپوزیت­ها از ترکیب رزین­های پایه پلیمری به‌عنوان زمینه و الیاف به‌عنوان تقویت‌کننده ساخته می­شوند. کامپوزیت­های زمینه پلیمری به­طور رایج در سازه­های با کارایی بالا به کار می­روند. این کامپوزیت­ها خصوصیات مکانیکی بسیار خوبی دارند. استحکام ویژه بالا، سختی ویژه بالا، چقرمگی شکست بالا، عمر خستگی طولانی و مقاومت بالا در برابر خوردگی و سوراخ شدن. بعضی از کاربردهای متداول این کامپوزیت­ها عبارت­اند از سازه‌های هوافضایی، قطعات خودرو، وسایل نقلیه کنترل از راه دور، جلیقه ضدگلوله و قطعات زرهی[3]. در این میان انواع کامپوزیت­ها، کامپوزیت­های زمینه پلیمری بیشترین حجم استفاده را دارند.

1-2-2- کامپوزیت­های زمینه فلزی^[7]

کامپوزیت­های زمینه فلزی مواد پیشرفته­ای هستند زیرا دارای تلفیقی از خصوصیات مختلف از قبیل مقاومت در برابر خوردگی، سختی بالا، نسبت بالای استحکام به چگالی و بعضی خصوصیات ویژه الکتریکی و حرارتی هستند. این مواد استفاده­ی روزافزونی در صنایع خودروسازی دارند. برای ساخت آن­ها از ماتریس فلزی و تقویت‌کننده ساخته‌شده از الیاف سرامیکی پیشرفته استفاده می­شود.

1-2-3- کامپوزیت­های زمینه سرامیکی^[8]

کامپوزیت­های زمینه سرامیکی هنگامی‌که به‌کاربرده می­شوند که به ماده­ای باقابلیت تحمل شرایط کاری با دمای بالا و مقاومت در برابر خوردگی در محیط­های خشن نیاز باشد. برای ساخت این کامپوزیت­ها از ماتریس سرامیکی و الیاف کوتاه به‌عنوان تقویت‌کننده استفاده می­شود.

1-3- برخورد سرعت پایین در سازه­های کامپوزیتی

کامپوزیت­های تقویت‌شده توسط الیاف به دلیل داشتن استحکام ویژه و سختی ویژه بالا مزایای بی‌شماری دارند. استحکام و سختی این کامپوزیت­ها را می­توان با تغییر آرایش و تعداد لایه­های آن بهینه کرد. به دلیل این مزایا، کامپوزیت لیفی استفاده­ی بسیاری در زمینه­های هوانوردی و هوافضا خصوصاً برای کاهش وزن به‌طور گسترده مورداستفاده قرار می­گیرند. بااین‌وجود این مواد به دلیل چقرمگی پایین در برابر آسیب­های ناشی از برخورد ضعیف هستند. رفتار مواد کامپوزیتی در برابر بارگذاری ضربه­ای سرعت‌پایین به این دلیل اهمیت یافته است که وضعیت جهان واقعی را شبیه­سازی می­کند. برای مثال برخوردهایی مانند افتادن ابزار، برخورد پرندگان، بارش تگرگ و تماس با مواد دیگر که می­توانند آسیب­های داخلی پنهان و یا آسیب­های ظاهری بزرگی را سبب شوند؛ بنابراین مقاومت در برابر ضربه و آسیب­های ناشی از ضربه مسائل مهمی برای ایمنی سازه­های کامپوزیتی هستند. اخیراً مطالعات مختلفی بر روی برخورد سرعت‌پایین و سرعت‌بالا در سازه­های کامپوزیتی صورت گرفته است. پدیده­ی برخورد بر اساس سرعت ضربه زننده به‌صورت زیر دسته­بندی می­شود[8-4]:

1) برخورد سرعت‌پایین

2) برخورد سرعت متوسط

3) برخورد بالستیک

4) برخورد سرعت‌بالا

شكل 1-2: تغيير شكل سراسري در پاسخ به برخورد سرعت‌پایین و برخورد بالستيك[9]

کنتول[9] و مورتون[10] [10] در پژوهشی بر روی مقاومت کامپوزیت در برابر برخورد، برخوردهای با سرعت کمتر از 0.01 km/s را به‌عنوان برخورد سرعت‌پایین در نظر گرفته­اند درحالی‌که ابریت[11] [11] برخوردهای با سرعت کمتر از 0/1 km/s را برخورد سرعت‌پایین تعریف کرده است. بر اساس نظر اولسون[12] [12] تعریف برخورد سرعت‌پایین، حالتی است که در آن زمان برخورد با زمان موردنیاز برای رسیدن موج برشی به مرزهای جسم برابر باشد. (ضربه زننده، با جرم کم و سرعت زیاد) یا هنگامی است که مدت‌زمان برخورد خیلی بزرگ­تر از زمان موردنیاز برای رسیدن موج‌برشی به مرزهای جسم باشد (برخوردهای ناشی از ضربه زننده با جرم زیاد در سرعت­های خیلی کم) هرچند روش اولسون به دلیل در نظر گرفتن انرژی برخورد و زمان تماس روش معقولی است؛ اما در نظر گرفتن سرعت­های کمتر از 0/1 km/s به‌عنوان برخورد سرعت‌پایین که توسط ابریت پیشنهادشده است نیز به دلیل سهولت بیشتر در استفاده و نیز از دیدگاه آزمون­های برخورد قابل‌قبول است. همچنین برخوردهای سرعت‌پایین می­توانند به‌عنوان رویدادهایی تعریف شوند که بسته به‌سختی هدف، خصوصیات مواد و جرم ضربه زننده در حدود سرعت 1-10 m/s رخ می­دهند[13].

به دلیل استفاده گسترده از کامپوزیت­های لیفی بخش بزرگی از پژوهش­ها بر روی فهم رفتار ضربه­ای این مواد متمرکزشده است. همچنان که گفته شد ضربه­ی عرضی سرعت‌پایین از شیوه­های متداول بارگذاری است. رفتار ضربه­ای کامپوزیت­های لیفی موضوع گسترده­ای است و بازه­ی گسترده­ای از پارامترها بر آن حاکم هستند که به دودسته‌ی پارامترهای ضربه زننده و پارامترهای ماده کامپوزیتی تقسیم­بندی می­شوند. پارامترهای ضربه زننده شامل سرعت و جرم ضربه زننده، زاویه برخورد و جزئیات ضربه زننده از قبیل نوع، اندازه و هندسه آن و پارامترهای ماده کامپوزیتی شامل ضخامت، کسر حجمی الیاف، خصوصیات مکانیکی، رزین مورداستفاده، انحنای ورق فرآیند ساخت و غیره هستند. هر یک نقشی را در پیچیده­تر شدن رفتار ضربه­ای کامپوزیت ایفا می­کنند. علاوه بر این ممکن است که ضربه زننده و هدف ساکن باشند و یا نسبت به یکدیگر حرکت کنند.

1-4- کاربرد مواد کامپوزیتی در صنایع

نخستین بار از مواد پلاستیکی تقویت‌شده به­وسیله الیاف شیشه، به خاطر استحکام بالا، قیمت پایین، وزن کم و مقاومت بالا در برابر خوردگی استفاده شد. به‌تدریج با شناخت بیشتر پژوهشگران و مهندسان باقابلیت‌های این مواد، موارد استفاده از آن­ها گسترش یافت. به‌گونه‌ای که امروزه یکی از پرکاربردترین مواد در صنایع هوایی، فضایی، صنایع خودرو و حمل‌ونقل، تجهیزات و وسایل ورزشی، قطعات ماشین‌آلات و ابزارهای صنایع شیمیایی، پزشکی و وسایل خانگی است. در ادامه به‌طور مختصر برخی کاربردها بیان می‌شود[14].

1-4-1-صنایع هوافضایی

لمینیت­های الیاف-فلز در صنایع هواپیماسازی جایگزین بسیاری از قطعات فلزی شده­اند؛ زیرا دارای وزنی بهینه، مستحکم، بادوام و مقاوم در برابر ضربات هستند. الیاف مورداستفاده در صنایع هوایی معمولاً از جنس کربن، آرامید، شیشه و برن هستند؛ که به‌تنهایی یا به‌صورت ترکیب هیبریدی مورداستفاده قرار می­گیرند. رزین­های آن­ها نیز معمولاً از اپوکسی­هایی ساخته می­شوند که دمای پخت آن­ها بین 120-175 درجه سانتی‌گراد هست. از بین آن­ها می­توان به رزین­ اپوکسی و پلی اتراترکتون اشاره نمود.

1-4-2-کاربرد در حمل ونقل

به دلیل نیاز به جایگزینی فلزات در سازه­های هواپیماها و به دنبال سال­ها تحقیق و توسعه و آزمایش­های فراوان، فناوری تولید مواد مرکب در سالیان اخیر به میزان زیادی بهبود و هزینه­های تولید نیز کاهش یافته است. این مواد در صنایع خودرو هم کاربرد پیدا نموده­اند. قسمت­هایی از ساختار بیرونی بدنه خودروها از الیاف شیشه است. همچنین در ساخت فنرهای لایه­ای خودروهای سنگین و سبک استفاده از مواد کامپوزیتی در قطعات سازه­ای و موتور خودروها را در برنامه­های خود قرار داده­اند و هزینه­های بالایی صرف تحقیق و توسعه در این زمینه می‌نمایند.

1-4-3-کاربرد در ساخت ماشین‌آلات و ابزارها

به‌کارگیری مواد کامپوزیتی در ساخت تیغه­ی توربین­ها و کمپرسورها، تیغه­ی آسیاب­های بادی تولید برق­، سانتریفیوژهای با سرعت‌بالا و چرخ­دنده­ها تجربه‌شده است. همچنین استفاده از مواد کامپوزیتی در ساخت اجزای سازه­ای بزرگ­، نظیر لوله­های خارجی و تجهیزات حفاری چاه نفت و گاز نیز در دست بررسی و تحقیق قرار دارد. به‌طورکلی می­توان عنوان نمود که استفاده از ماشین‌آلات صنعتی به‌سرعت رو به افزایش است و باید به‌زودی منتظر استفاده بیشتر از مواد مرکب در انواع ماشین‌آلات و ابزارها بود.

1-4-4- کاربرد در پزشکی

مواد کامپوزیتی در ارتوپدی کاربرد زیادی یافته است و امروزه قطعات رابط استخوان­های لگن و زانویی از مواد کامپوزیتی با الیاف کربن ساخته‌شده و مورداستفاده قرار می­گیرند. در دندان‌پزشکی نیز جهت ثابت نگه‌داشتن ریشه دندان از مواد کامپوزیتی استفاده می­شود همچنین استفاده از مواد مرکب در وسایلی مانند عصاها، اندام­های مصنوعی و ویلچرها نیز بسیار متداول است.

فهرست

پیشگفتار مولف.. 1

■ فصل اول

1-1- مقدمه. 5

1-2- کامپوزیتها 5

1-2-1- کامپوزیتهای زمینه پلیمری.. 6

1-2-2- کامپوزیتهای زمینه فلزی.. 7

1-2-3- کامپوزیتهای زمینه سرامیکی. 7

1-3- برخورد سرعت پایین در سازه های کامپوزیتی. 9

1-4- کاربرد مواد کامپوزیتی در صنایع. 11

1-4-1-صنایع هوافضایی. 11

1-4-2-کاربرد در حمل ونقل. 11

1-4-3-کاربرد در ساخت ماشین آلات و ابزارها 12

1-4-4- کاربرد در پزشکی. 12

1-5-کامپوزیتهای تقویت شده با آلیاژهای حافظه دار 13

1-6- ساخت کامپوزیتهای تقویت شده با آلیاژهای حافظه دار 14

1-7- مدلسازی و تحلیل ضربه روی کامپوزیتهای تقویت شده با آلیاژهای حافظه دار 16

1-8-موضوع بررسی. 18

■  فصل دوم

معرفي آلیاژهای حافظه دار 21

2-1- مقدمه. 23

2-2-تاریخچه ی آلیاژهای حافظه دار 23

2-3- معرفی آلیاژهای حافظه دار 24

2-3-1- رفتار حافظه ای یک طرفه و دوطرفه. 25

2-4- ساختار آلیاژهای حافظه دار 27

2-5- رفتار ترمودینامیکی. 29

2-6- مقایسه ی گروه هایی از آلیاژهای حافظه دار 31

2-6-1- نیتینول. 32

2-6-2- آلیاژهای حافظه دار پایه مس… 33

2-7- کاربردهای مختلف آلیاژهای حافظهدار 35

■ فصل سوم

مدلسازي تحليلي ضربه. 37

سرعت  پايين روي ورق. 37

كامپوزيتي تقويت شده با آلياژهاي حافظه دار 37

3-1 مقدمه. 39

3-2- خصوصیات مکانیکی ورق کامپوزیتی ترکیبی تقویت شده با سیم حافظه دار 40

3-3- استخراج معادلات حرکت ورق بر اساس تئوری تغییر شکل برشی مرتبه اول. 47

3-4- معادلات بنیادی.. 55

3-5- پاسخ دینایکی ورق. 62

3-5-1- نیروی تماسی. 62

3-5-2- تحلیل خيز ورق کامپوزیتی. 69

3-5-3-محاسبه کرنش و تنش… 79

3-6- روش حل مساله. 81

■  فصل چهارم

نتیجه‌گیری. 83

4-1- راستی آزمایی مدل تحلیلی. 85

4-2- شبیه سازی از مواد SMA در ضربه. 85

4-3- خصوصیات ضربه زننده 88

4-4- نکات مهم در نظر گرفته شده در شبیه سازی.. 92

4-4-1- تعریف استپ dynamic implicit 92

4-4-2- تعریف تعداد اینکرمنت.. 92

4-4-3- تعریف زمان خروجی ها و نوع خروجی ها 94

4-4-4- تعریف شرایط مرزی.. 95

4-4-5- تعریف سرعت اولیه برای ضربه زننده یا ساچمه. 96

4-5- سابروتین مواد SMA.. 98

4-6- حالت های ضربه زدن گلوله. 109

4-6-1- ضربه زننده و اپوکسی گرافیت.. 109

4-6-2-ضربه زننده و فولاد. 109

4-7- بحث و نتایج. 113

4-8- تاثیر کسر حجمی سیم های حافظه دار 118

4-9- نتیجه گیری.. 121

منابع و مأخذ. 127