طراحی بهینه¬ی صفحه¬ی مسطح چند لایه¬ی کامپوزیتی تحت بارگذاری دینامیکی

مقدمه:

امروزه براي صنایع مهندسی، کار بر روی موادي که کارآيي بالايي داشته باشد، ضروری است و نياز به مواد پيشرفته و فرآيندهاي توليدي حس مي­شود. شايد مهم­ترين نيازها، به کارگيري موادي با کارآيي بالا، وزن و قيمت نسبي پايين باشد. از جمله اين مواد، كامپوزيت­ها هستندکه بطورگسترده‌اي درسازه‌هاي هوایی به كار مي‌روند. مواد مركب به ‌موادي‌ گفته ‌مي‌شود كه ‌از تركيب ‌دو يا چند ماده ‌مختلف ‌در مقياس ‌ماكروسكوپي ‌به دست‌ مي‌آيد. عموماً مواد مركب ‌را براي‌ به دست‌ آوردن ‌خواص ‌مهندسي ‌بهتر، از جمله سختي ‌بالاتر، استحكام‌ بيشتر، تحمل انواع بارها از جمله استاتیکی و دینامیکی، وزن‌كمتر، مقاومت ‌در برابر حرارت‌، رطوبت‌ و خوردگی که در مواد همگن همچون‌ فلزات‌، نمي‌توان همگي اين‌ خواص ‌را در كنار يكديگر داشت‌، درطراحي‌ها استفاده‌ مي­كنند.

در این پروژه سعی بر آن است که یک ورق مسطح چند لایه­ی کامپوزیتی را از نظر وزن که در معرض بارهای دینامیکی (گسترده­ی یکنواخت و گسترده­ی سینوسی) بهینه شود. پارامترهای بهینه­سازی شامل ضخامت ­و چیدمان زوایای الیاف در لایه­های کامپوزیتی می­باشد.

در فرآیند بهینه­سازی تحت قید عدم شکست با توجه به معیارهای خرابی حداکثر تنش تی سای- وو، وزن کمینه می­شود. برای مدل کردن ورق کامپوزیتی از تئوری کلاسیک ورق­ها با شرایط تگیه­گاهی ساده استفاده است. و برای بهینه­سازی از الگوریتم­های تکاملی استفاده شده است، که برای تبدیل مسأله مقید به نامقید از تابع جریمه­ی دب[1] که با عملگر تورنمنت هم­خوانی دارد، استفاده شده است.

1-2- آشنايي با مواد کامپوزيتي و تقسيم بندي آنها:

مواد مركبي ‌كه‌ درمهندسي‌ سازه‌ مورد استفاده ‌قرار مي‌گيرند عموماً شامل سه گروه ‌اصلي ‌هستند كه ‌عبارتند از:

الف‌) مواد مركب ‌اليافي‌: اين ‌نوع ‌از مواد از يك ‌سري ‌الياف‌ (فايبر) كه ‌در يك ‌ماده‌ ديگر (ماتريس‌) با يك‌ نظم‌ خاص ‌قرار گرفته‌اند،  تشكيل‌ شده­اند.

ب‌) مواد مركب ‌ذرات: اين نوع از مواد مركب، از قرارگيري يك سري ذرات ماكروسكوپي از يك ماده در ماده ديگر به صورت پراكنده تشكيل شده­اند.

ج) مواد مرکب چند لایه:‌ از يك‌ سري ‌لايه‌هايي‌كه ‌بر روي‌ هم‌، با يك ‌نظم‌ خاص ‌چسبانده‌ شده‌اند، تشكيل ‌شده‌اند. اين ‌لايه‌­ها، مي‌توانند مواد همگن‌ غير هم ­نوع‌ يا مواد مركب ‌از نوع (الف‌) يا (ب‌) باشند.

درمواد مركب ‌ذرات‌ ‌ماتريس ‌مي‌توانند مواد فلزي ‌و يا غيرفلزي ‌باشند كه‌ نتيجه‌­ی آن،‌ وجود 4 نوع ‌ماده‌­ی مركب ‌ذرات‌ فلز در فلز، غيرفلز در فلز، فلز در غيرفلز و غيرفلز در غيرفلز است‌. سختي ‌و استحكام‌ در مواد مركب‌ اليافي، بيشتر از الياف حاصل مي­گردد و ماتريس‌ در حقيقت ‌وظيفه ‌نگه‌­ داشتن ‌الياف و انتقال ‌نيرو را به عهده‌ دارد.

نوع ديگري كه مي­توان مواد مركب را تقسيم­بندي كرد، تقسيم­بندي براساس ماتريس است.

1- كامپوزيت­هاي پايه پليمري (ترموست و ترموپلاستيك)

2- كامپوزيت­هاي پايه فلزي

3– كامپوزيت­هاي پايه سراميكي

كامپوزيت‌­هاي پايه پليمري، بيش از 90% كاربرد كامپوزيت­ها را به خود اختصاص داده‌اند و از بقيه مهم­تر هستند. در مواد مركب ‌لايه‌اي‌ كه‌ بيشترين كاربرد را دارد، لايه‌هاي ‌تشكيل ‌دهنده‌­ی ماده­ی مركب،‌ خود از نوع‌ مواد مركب ‌اليافي‌ هستند.

در يك ‌ماده­ی مركب ‌لايه‌اي،‌ مي‌توان ‌لايه‌ها را با زواياي ‌مختلف‌ و تركيب‌هاي‌ متفاوت روي ‌هم‌ چسباند كه‌ عموماً براي ‌چسباندن‌ آن­ها، از ماده‌اي ‌هم‌جنس ماتريس ‌استفاده‌ مي‌شود. از نظر فني، كامپوزيت­هاي ليفي، مهم­ترين نوع كامپوزيت­ها هستندكه خود به دو دسته­ی الياف كوتاه و بلند تقسيم مي‌شوند. الياف مي‌بايست استحكام كششي بسيار بالايي داشته، خواص ليف آن (در قطركم) از خواص توده ماده بالاتر باشد. در واقع قسمت اعظم نيرو توسط الياف تحمل مي‌شود و ماتريس پليمري در واقع ضمن حفاظت الياف از صدمات فيزيكي و شيميايي، كار انتقال نيرو به الياف را انجام مي‌دهد. ضمناً ماتريس، الياف را به مانند يك چسب كنار هم نگه مي‌دارد و البته گسترش خرابی را محدود مي‌كند.

كارايي كامپوزيت­هاي پليمري، توسط خواص اجزاي آن­ها تعيين مي­شود. اغلب آن­ها داراي الياف با مدول بالا هستند كه در ماتريس­هاي پليمري قرار داده شده­اند و فصل مشترك خوبي نيز بين اين دو جزء وجود دارد.

ماتريس پليمري، دومين جزء عمده كامپوزيت­هاي پليمري است. اين بخش عملكردهاي بسيار مهمي دركامپوزيت دارد. اول اين كه به عنوان يك چسب، الياف تقويت كننده را نگه مي­دارد. دوم، ماتريس تحت بار اعمالي تغيير شكل مي­دهد و تنش را به الياف محكم و سفت منتقل مي­كند. سوم، رفتار پلاستيك ماتريس پليمري انرژي را جذب كرده، موجب كاهش تمركز تنش مي­شود كه در نتيجه رفتار چقرمگي در شكست را بهبود مي­بخشد. از الياف متداول دركامپوزيت­ها, مي‌توان به شيشه، كربن و آراميد اشاره نمود.

 در ميان رزين­ها نيز پلي­استر، وينيل­استر، اپوكسي و فنوليك از اهميت بيشتري برخوردار هستند. نوع الياف، مقدار و آرايش يافتگي آن­ها روي خواص زير تأثير مي­گذارد:

– استحكام و مدول كششي، فشاري و خمشي

– استحكام خستگي

– ضرايب انتقال حرارت و الكتريسيته

– وزن مخصوص كامپوزیت

– قيمت

[1] Deb