بررسی اثر حضور الگوهایی از معایب ساخت در طراحی مخازن کامپوزیتی

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: مروري 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

 

فهرست شکل ها

شکل (1-1) شکل‌های مختلف مواد مرکب[3] 3

شکل (1-2) خصوصیات مکانیکی کامپوزیت و اجزای تشکیل دهنده آن[3] 3

شکل (1-3) 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. 4

شکل (1-4) طرح کلی از تولید یک مخزن کامپوزیتی… 6

شکل (1-5) دستگاه پیچش الیاف[6] 7

شکل (1-6) انواع قطعات تولید شده با دستگاه پیچش الیاف[7] 8

شکل (1-7) انواع بستر رزین الف) نوع غلتکی، ب) نوع غوطه‌وری[6] 9

شکل (1-8) نمای شماتیک خطای دستگاه رشته‌پیچی با 5 درجه خطا 11

شکل (1-9) بررسی خطای زاویه در حین فرآیند ساخت[7] 11

شکل (1-10) خطای درصد حجمی در حین فرآیند ساخت[9] 11

شکل (1-11) نمودار بار تغییر مکان محوری انتهای استوانه با نقطه حدی A، نقطه دوگانگی B و مسیر پس دوگانگی BD[5] 15

شکل (1-12) منحنی های بار تغییر مکان، بیانگر نقاط حدی و دوگانگی[5] 16

شکل (1-13) ساختار مطالعه بر روی لوله کامپوزیتی… 18

شکل (1-14) ساختار مطالعه بر روی مخزن کامپوزیتی… 19

شکل (2-1) رابطه فشار و جابجایی[11] 24

شکل (2-2) تجهیزات آزمایشگاه[11] 24

شکل (2-3) منحنی رابطه تغییرات نیرو به تغییرات جابجایی الف) مخزن [90/30±]، ب) مخزن [90/45±] و ج) مخزن [90/60±][12] 26

شکل (2-4) رابطه زاویه و فشار بحرانی کمانش در تحلیل‌های عددی[12] 26

شکل (2-5) لایه چینی مواد مرکب[13] 27

شکل (2-6) اثر بارگذاری کمانشی در نمونه مطالعاتی وو مین (الف) در طول 30 میلی‌متر (ب) درطول 60 میلی‌متر[13] 27

شکل (2-7) رابطه کمانش با نسبت قطر به ضخامت[14] 28

شکل (2-8) رابطه کمانش با نسبت طول به قطر[14] 29

شکل (2-9) نمودار تغییرات بار به جابجایی الف) مخزن [90/30±]، ب) مخزن [90/45±] و ج) [90/60±][15] 30

شکل (2-10) منحنی فشار کرنش الف) کرنش محوری ب) کرنش جانبی[16] 31

شکل (2-11) مدل شبیه‌سازی و تجربی الف) مدل سازی کمانش ب) نمای ایزومتریک از کمانش پوسته کامپوزیتی ج) نمای روبرو از کمانش پوسته کامپوزیتی[16] 31

شکل (2-12) اثر ضخامت بر تنشهای فشاری در لوله‌های رشته‌پیچی با زوایای (45±، 55± و 75±)[17] 32

شکل (2-13) منحنی تنش کرنش لوله ]75±[ الف) تنش کرنش محوری ب) تنش کرنش جانبی[17] 32

شکل (2-14) تغییرات نسبت بار کمانشی الف) ]0/45/45-/0[ ب) ]45/45-/45-/45[[18] 33

شکل (2-15) منحنی تغییرات ضخامت بر فشار کمانش[20] 34

شکل (2-16) مقایسه نتایج تعوری و تجربی الف) کرنش محوری ب) کرنش محیطی[21] 34

شکل (2-17) مقایسه آنالیز کمانش خطی وغیر خطی برای یک سازه mm195[23] 35

شکل (2-18) مقایسه نتایج بار کمانشی تجربی و شبیه‌سازی الف) برای شعاع های مختلف ب) برای طول های مختلف[23] 36

شکل (3-1) مدل سه بعدی مخزن کامپوزیتی… 41

شکل (3-2) تعریف خصوصیات مکانیکی مواد کامپوزیتی در نرم‌افزار. 42

شکل (3-3) تعیین المان در مدل سازی مواد کامپوزیتی در نرم‌افزار. 42

شکل (3-4) زاویه چینی و تعیین خصوصیات هر لایه در مدل سازی مواد کامپوزیت در نرم‌افزار. 43

شکل (3-5) تعیین مختصات و قرارگیری زاویه‌ لایه‌های [54±] 43

شکل (3-6) اعمال بارگذاری و شرایط مرزی در مدل.. 45

شکل (3-7) همگرایی مش در لوله کامپوزیتی… 46

شکل (3-8) نتایج بدست آمده از شبیه‌سازی مخزن کامپوزیتی… 47

شکل (4-1) نمونه‌های مطالعاتی در این پژوهش الف) لوله کامپوزیتی ب) مخزن کامپوزیتی… 50

شکل (4-2) درپوش‌های ارتالون استفاده شده در لوله کامپوزیتی… 51

شکل (4-3) درپوش فلزی. الف) درپوش و واشر آب‌بندی ب) درپوش تقویت شده با شمش آهنی… 52

شکل (4-4) مخزن تست. الف) مخزن تست و شیر ورودی گاز ازت ب) فشار سنج و شیر خروجی گاز ازت   53

شکل (4-5) کپسول گاز ازت… 54

شکل (4-6) قرار گیری لوله کامپوزیتی در مخزن تست…. 55

شکل (4-7) نحوه قرار گیری مخزن کامپوزیتی در مخزن تست…. 56

شکل (5-1) نمودار فشار جابجایی در لوله کامپوزیتی… 60

شکل (5-2) کمانش لوله کامپوزیتی پس از انجام آزمایش….. 61

شکل (5-3) لوله کامپوزیتی تحت فشار خارجی هیدرواستاتیک….. 61

شکل (5-4) لوله کامپوزیتی شبیه‌سازی شده با المان محدود. 62

شکل (5-5) نمودار فشار جابجایی در مخزن کامپوزیتی با استفاده از شبیه‌سازی… 63

شکل (5-6) کرنش‌های طولی و جانبی در مخزن کامپوزیتی به کمک شبیه‌سازی… 64

شکل (5-7) مخزن کامپوزیتی پس از آزمون فشار خارجی هیدرواستاتیک 3 مگاپاسکال.. 64

شکل (5-8) مخزن کامپوزیتی بعد از اعمال فشار خارجی هیدرواستاتیک 3 مگاپاسکال.. 65

شکل (5-9) مخزن کامپوزیتی تحت فشار خارجی هیدرواستاتیک 5 مگاپاسکال.. 65

شکل (5-10) اثر خطای زاویه در نمودار فشار جابجایی به کمک نرم‌افزار شبیه‌سازی… 66

شکل (5-11) اثر خطای درصد حجمی در نمودار فشار جابجایی به کمک شبیه‌سازی… 67

شکل (5-12) اثر زاویه در فشار بحرانی کمانش….. 68

شکل (5-13) اثر درصد حجمی بر کمانش مخازن کامپوزیتی به کمک شبیه‌سازی… 69

شکل (5-14) اثر خطای زاویه رشته‌پیچی در مخازن [30±] برحسب نسبت طول به قطر. 70

شکل (5-15) اثر خطای زاویه رشته‌پیچی در مخازن [30±] برحسب نسبت قطر به ضخامت…. 70

شکل (5-16) اثر خطای زاویه رشته‌پیچی در مخازن [45±] برحسب نسبت طول به قطر. 71

شکل (5-17) اثر خطای زاویه رشته‌پیچی در مخازن [45±] برحسب نسبت قطر به ضخامت…. 71

شکل (5-18) اثر خطای زاویه رشته‌پیچی در مخازن [60±] برحسب نسبت طول به قطر. 72

شکل (5-19) اثر خطای زاویه رشته‌پیچی [60±] برحسب نسبت قطر به ضخامت…. 73

شکل (5-20) شبیه‌سازی مخازن کامپوزیتی الف) مخزن کامپوزیتی با لایه‌چینی [30±] بر حسب نسبت طول به قطر 4 و قطر به ضخامت 50 ب) مخزن کامپوزیتی با لایه‌چینی مخزن کامپوزیتی با لایه‌چینی [45±] بر حسب نسبت طول به قطر 4 و قطر به ضخامت 50 ج) مخزن کامپوزیتی با لایه‌چینی [60±] بر حسب نسبت طول به قطر 4 و قطر به ضخامت 50. 74

 

فهرست جدول ها

جدول (1-1) خواص الیاف شیشه و رزین اپوکسی [4] 5

جدول (1-2) مزایا و معایب فرآیند رشته‌پیچی[6] 8

جدول (1-3) شماتیک الگوهای پیچیش لوله‌ها و مخازن کامپوزیتی… 13

جدول (2-1) نتایج بدست آمده از تست مخزن کامپوزیتی کربن اپوکسی[10] 22

جدول (2-2) نتایج بدست آمده از تست مخزن کامپوزیتی شیشه اپوکسی[10] 23

جدول (2-3) نتایج بدست آمده از کمانش در نرم‌افزار اجزای محدود کمانش[11] 23

جدول (2-4) نتایج مطالعه حل عددی و نمونه تجربی مخزن کربن اپوکسی[12] 25

جدول (2-5) نتایج آزمون تجربی و کرنش سنج بر روی لایه چینی‌های مختلف[15] 30

جدول (2-6) نتایج مطالعه لیو و همکارانش[24] 36

جدول (4-1) خصوصیات مکانیکی لوله کامپوزیتی… 51

جدول (4-2) خصوصیات مکانیکی مخزن کامپوزیتی… 52

جدول (4-3) اعمال فشار سیال بر لوله کامپوزیتی… 55

جدول (4-4) اعمال فشار سیال بر مخزن کامپوزیتی… 56

جدول (5-1) نتایج آزمون تجربی و شبیه‌سازی اجزای محدود. 59

جدول (6-1) اثر خطای زاویه در نسبت طول به قطرهای (5_/0 ، 1، 2، 4) 77

جدول (6-2) اثر خطای زاویه در مخازن با نسبت قطر به ضخامت‌های (10، 15، 25، 50) 77