تحلیل كمانش ورقهای مدورمركب ارتوتروپ با استفاده از نرم افزار المان محدود

در این پایان نامه رفتار كمانش ورق های دایره ای شكل مركب با استفاده از تئوری المان محدود و نرم افزار ANSYS مورد بررسی قرار گرفته است. هدف از این پایان‌نامه بدست آوردن بارهای فشاری كمانش در مودهای مختلف می باشد.

فصل اول مقدمه ای در مورد مواد كامپوزیت می باشد.

در فصل دوم به معرفی ماتریسهای به كار رفته در ساخت مواد مركب و بعضی از ویژگیهای آنها پرداخته شده است.

در فصل سوم الیاف و تقویت كننده های پر كاربرد در ساخت كامپوزیتها بررسی شده است.

در فصل چهارم به معرفی روش ساخت كامپوزیتها و پروسه تولید آنها اشاره شده است.

فصل پنجم به كاربرد كامپوزیتها در صنایع مختلف اختصاص یافته است.

در فصل ششم مقدمه ای از تئوری حاكم برمواد مركب و پیش بینی رفتار شكست این مواد می باشد.

در فصل هفتم معادلات حاكم بر كمانش ورقهای كامپوزیت و معادلات تعادل آنها ارائه شده است.

پدیده كمانش در مورد بسیاری از سازه ها و جزء های تحت تاثیر نیروی فشاری مطرح می باشد. برخلاف تیرها كه پس از كمانش بدون تحمل بار زیادی دچار تسلیم می شوند، ورقها می توانند پس از وقوع كمانش در مواردی تا چندین برابر بار كمانش را تحمل كنند. استفاده از این توانایی ورقها گامی مهم و موثر درجهت بهینه سازی، سازه های هوایی شده است.

در فصل هشتم مقدمه ای در مورد روشهای المان محدود و نرم افزار ANSYS ارائه شده است.

در فصل نهم، به معرفی المانها و روشهای تحلیل كمانش مواد مركب در نرم افزار ANSYS پرداخته شده است. در ادامه، تحلیل گام به گام كمانش ورقهای مركب و معرفی دستورات مربوط به هر مرحله صورت گرفته است.

در فصل دهم نتایج بدست آمده از 60 مورد تحلیل كمانش ارائه شده است.

و بالاخره در فصل یازدهم به مقایسه و تحلیل داده های بدست آمده اختصاص یافته است. در پایان نتیجه گیری و پیشنهاد برای ادامه كار پژوهش آمده است.

فهرست مطالب

چكیده

فصل اول: مقدمه ای بر مواد مركب

1-1- كامپوزیت چیست؟......................... 2

1-2- مزایای كامپوزیتها...................... 4

1-3- محدودیتهای كامپوزیتها.................. 7

1-4- تاریخچه صنعت كامپوزیتها................ 8

1-5- فازهای كامپوزیتی و تقسیم بندی كامپوزیتها10

1-6- خواص كامپوزیتها........................ 12

1-7- مقاومت كامپوزیتهای لیفی................ 14

فصل دوم: ماتریسها (رزیتها)

2-1- ماتریسها............................... 18

2-2- پلیمریزاسیون........................... 19

2-3- پلیمرهای گرما سخت و گرما نرم........... 20

2-4- رزینهای ترموپلاستیك (گرما نرم).......... 20

2-5- رزینها گرما سخت (ترموست)............... 21

2-6- نقش ماتریسها........................... 22

2-7- رزینهای اپوكسی......................... 23

2-8- معایب رزینهای اپوكسی................... 24

2-9- تقسیم بندی انواع تجاری رزینهای اپوكسی.. 24

2-10- رزینهای پلی استر غیراشباع............. 25

2-11- انواع رزینهای پلی استر تجاری.......... 26

2-12- خصوصیات رزینهای پلی استر.............. 28

2-13- معایب رزینهای پلی استر غیراشباع....... 28

2-14- رزینهای فنولیك........................ 29

2-15- خواص و كاربردهای رزینهای فنولیك....... 30

2-16- معایب و محدودیتهای رزینهای فنولیك..... 30

2-17- ماتریسهای فلزی........................ 31

فصل سوم: الیاف (تقویت كننده ها)

3-1- تقویت كننده ها......................... 33

3-2- تقویت كننده های لیفی................... 33

3-3- الیاف شیشه............................. 35

3-4- مزیتهای اصلی الیاف شیشه................ 35

3-5- عیوب اصلی الیاف شیشه................... 36

3-6- سایز الیاف............................. 38

3-7- آهار................................... 39

3-8- خواص الیاف شیشه........................ 40

3-9- الیاف پیشرفته.......................... 41

3-10- الیاف بور............................. 42

3-11- خواص و كاربرد الیاف بور............... 43

3-12- الیاف سیلیكون كاربید.................. 44

3-13- الیاف سیلسیم كاربید................... 44

3-14- الیاف آلومینا......................... 45

3-15- الیاف كربن وگرافیت.................... 46

3-16- الیاف كربن............................ 46

3-17- خواص الیاف كربن و گرافیت.............. 48

3-18- كامپوزیتهای كربن و گرافیت............. 48

3-19- مزیتهای اصلی الیاف كربن............... 49

3-20- بحث میكروسكوپی در مورد الیاف كربن..... 49

3-21- الیاف آرامید یا پلی آمیدهای حلقوی..... 50

3-22- خصوصیات آرامیدها...................... 51

3-23- الیاف پلی اتیلن....................... 52

3-24- الیاف سرامیكی......................... 52

3-25- مقایسه الیاف مختلف.................... 53

عنوان صفحه

فصل چهارم: ساخت مواد مركب

4-1- فرایندهای ساخت كامپوزیتها.............. 56

4-2- قالب گیری باز.......................... 56

4-3- قالب گیری بسته......................... 57

4-4- تقسیم بندی براساس حجم تولید............ 58

4-5- تعاریف فرایند قالب گیری باز............ 59

4-6-تعاریف بكار بردن رزین................... 59

4-7- روش لایه گذاری دستی..................... 60

4-8- روش پاشش توسط پیستوله.................. 62

4-9- فیلامنت وایندینگ........................ 63

4-10- قالب گیری فشاری....................... 66

4-11- روش كششی.............................. 69

4-12- قالب گیری با كیسه خلاء................. 70

4-13- فرایند تزریق در خلاء................... 73

4-14- قالب گیری به روش انتقال رزین RTM...... 74

فصل پنجم: كاربرد كامپوزیتها

5-1- مقدمه.................................. 79

5-2- صنایع حمل و نقل جاده ای................ 79

5-3- استفاده از مواد كامپوزیت در ساخت تانكهای جنگی و سلاح 81

5-4- كاربرد كامپوزیتها در صنایع هوا فضا..... 82

5-5- استفاده در ساخت فضاپیماها.............. 84

5-6- استفاده كامپوزیتها در صنایع حمل و نقل ریلی 86

5-7- كاربرد كامپوزیتها در واحدهای شیمیایی... 86

5-8- كامپوزیتها درصنعت دریایی............... 88

5-9- صنایع الكتریكی......................... 88

5-10- صنعت هسته ای.......................... 89

فصل ششم: تئوری حاكم بر مواد مركب

6-1- مقدمه.................................. 91

عنوان صفحه

6-2- رفتار ماكرومكانیك یك لایه............... 91

6-3- ثابتهای مهندسی برای مواد ارتوتروپ...... 95

6-4- جهت گیری الیاف در مواد مركب............ 96

6-5- استحكام در مواد مركب................... 96

6-6- تئوریهای شكست در حالت دو محوری بر مواد ارتوتروپ 97

6-7- تئوری تنش حداكثر....................... 97

6-8- معیار كرنش حداكثر...................... 98

6-9- تئوری Tsai-Hill............................ 99

6-10- تئوری Tsai-Wu........................... 101

فصل هفتم: كمانش پوسته ها و مباحث تئوری مربوط به آن

7-1- مقدمه.................................. 104

7-2- معادلات غیرخطی تعادل ورق................ 106

فصل هشتم: آشنایی با المان محدود و نرم افزار ANSYS

8-1- مقدمه.................................. 126

8-2- مسائل مهندسی........................... 126

8-3- روشهای عددی............................ 127

8-4- تاریخچه ای كوتاه بر روش المان محدود و نرم افزار ANSYS128

8-5- مراحل اصلی در روش المان محدود.......... 131

8-6- توابع شكل (Shape Function)................... 132

8-7- تقسیم بندی یك ناحیه به تعدادی المان برای المانهای یك بعدی 133

8-8- معرفی توابع شكل برای یك المان خطی...... 134

8-9- خواص توابع شكل......................... 145

8-10- المان درجه دوم........................ 136

فصل نهم: مدل سازی مواد مركب در ANSYS 5.4

9-1- مقدمه.................................. 139

9-2- مدل سازی مواد مركب در روش h-method........ 139

9-3- المان Sheel-91............................ 139

عنوان صفحه

 9-4- المان Shel-99............................. 141

9-5- المان Solid-46............................ 142

9-6- مدل سازی مواد مركب در روش p-method........ 143

9-7- روش تعریف ساختارهای لایه ای............. 144

9-8- روش تعریف خصوصیات هر لایه بطور جداگانه.. 144

9-9- تفاوت روش p-method / h-method................. 144

9-10- روش تحلیل كمانش در نرم افزار ANSYS.... 145

9-11- نكاتی در مورد مش بندی توسط نرم افزار ANSYS 145

9-12- نكاتی در مورد تحلیل كمانش............. 148

9-13- تحلیل ورق های دایره ای شكل در نرم افزار ANSYS 149

9-14- حل مساله كمانش توسط دستورات APDL...... 160

9-15- برنامه APDL برای حل مساله كمانش....... 161

فصل دهم: نتایج

10-1- مقدمه................................. 170

10-2- ملاحظات................................ 170

فصل یازدهم: نتیجه گیری و پیشنهاد برای ادامه كار

11-1- مقدمه................................. 247

11-2- نقش ضخامت بر بارهای حاصل از كمانش..... 247

11-3- نقش مدولهای الاستیسیته................. 250

11-4- زاویه الیاف و تاثیر آن در كمانش....... 252

11-5- پیشنهاد برای ادامه كار................ 253

مراجع....................................... 255

ضمائم....................................... 256

 فهرست اشكال

عنوان صفحه

 فصل اول: مقدمه ای بر مواد مركب

شكل 1-1: انواع مختلف كامپوزیتها............. 12

شكل 1-2: نمودارهای تنش- كرنش در زوایای مختلف13

شكل 1-3: انواع مختلف تقویت كننده ها......... 15

شكل 1-4: انواع مختلف الیاف.................. 16

فصل سوم: الیاف (تقویت كننده ها)

شكل3-1: تنش- كرنش برای تقویت كنندگان مختلف.. 35

شكل3-2: تصاویر میكروسكوپی از الیاف برون اپوكسی42

شكل 3-3: شكل الیاف مختلف.................... 54

فصل چهارم: ساخت مواد مركب

شكل 4-1: نحوه بافت در روش فیلامنت............ 63

شكل 4-2: شماتیك دستگاه بافت فیلامنت.......... 64

شكل 4-3: دستگاه بافت فیلامنت................. 65

شكل 4-4: ماشین آلات بكار رفته در روش BMC..... 66

شكل 4-5: ماشین آلات بكار رفته در روش SMC..... 67

شكل 4-6: روش كششی........................... 69

شكل 4-7: ماشین آلات RTM...................... 75

شكل 4-8: ماشین آلات بكار رفته در روش RTM..... 76

فصل پنجم: كاربرد كامپوزیتها

شكل 5-1: كاربرد كامپوزیتها در بوئینگ 737-30082

شكل 5-2: پوسته موتور و نگهدارنده آن در بوئینگ 757 82

شكل 5-3: كاربرد كامپوزیتها در موتور راكتها.. 85

فصل هفتم: كمانش پوسته هاو مباحث تئوری مربوط به آن

شكل 7-1: ورق مستطیلی تحت نیروی فشاری دو محوره110

شكل 7-2: برایندهای تنش و ممان بر روی یك المان از ورق 110

شكل 7-3: لایه های ورق........................ 117

عنوان صفحه

 شكل 7-4: كوتاه شدگی لبه های ورق............. 117

فصل هشتم: آشنایی با المان محدود و نرم افزار ANSYS

شكل 8-1: كاربرد اولیه المان محدود........... 130

شكل 8-2: مدل سازی تیر مخروطی تحت كشش به فنرهای سری130

شكل 8-3: تقسیم یك ناحیه به مناطق كوچكتر (گره ها و المانها)133

فصل نهم: مدل سازی مواد مركب در ANSYS 5.4

شكل 9-1:المان پوسته ای Shell-91 برای مدل سازی ورق ها و پوسته ها.............................................. 140

شكل 9-2: المان پوسته ای Shell-99 برای مدل سازی ورق ها و پوسته ها.............................................. 141

شكل 9-3: المان سه بعدی Solid-46 المان بندی مسائل سازه ای 143

شكل 9-4: مش بندی آزاد....................... 146

شكل 9-5: استفاده از Smart Size برای ریز كردن مش بندی 146

شكل 9-6: مش بندی دستی....................... 148

شكل 9-7: منوی انتخاب المان.................. 150

شكل 9-8: منوی ویژگیهای مكانیكی.............. 151

شكل 9-9: منوی انتخاب تعداد لایه.............. 152

شكل 9-10: منوی مربوط به ضخامت و زاویه الیاف. 153

شكل 9-11: مدل سازی ورق...................... 153

شكل 9-12: منوی مش بندی...................... 155

شكل 9-13: ورق مش بندی شده از نمای ایزومتریك. 156

شكل 9-14: فعال كردن منوی محاسبه ماتریس سختی. 158

فصل دهم: نتایج

شكل 10-1: نمای روبرو- مود اول كمانش- كولار اپوكسی 172

شكل 10-2: نمای ایزومتریك- مود اول كمانش- كولار اپوكسی 172

شكل 10-3: معادله رویه كمانش داده در مد اول.. 173

شكل 10-4: نمای روبرو- مود دوم كمانش- كولار اپوكسی 174

شكل 10-5: نمای ایزومتریك- مود دوم كمانش- كولار اپوكسی 174

شكل 10-6: معادله رویه كمانش داده در مود دوم. 175

شكل 10-7: معادله رویه كمانش داده در مود دوم. 176

عنوان صفحه

 شكل 10-8: معادله رویه كمانش داده در مود دوم. 177

شكل 10-9: نمای روبرو- مود سوم كمانش- كولار اپوكسی 178

شكل 10-10: نمای ایرومتریك- مود سوم كمانش- كولار اپوكسی 178

شكل 10-11: نمایش رویه كمانش داده در مد سوم.. 179

شكل 10-12: نمایش رویه كمانش داده در مد سوم.. 180

شكل 10-13: نمایش رویه كمانش داده در مد سوم.. 181

شكل 10-14: نمای روبرو- مد چهارم كمانش- كولار اپوكسی182

شكل 10-15: نمای ایزومتریك- مد چهارم كمانش- كولار اپوكسی182

شكل 10-16: معادله روی كمانش داده در مد چهارم183

شكل 10-17: معادله روی كمانش داده در مد چهارم184

شكل 10-18: معادله روی كمانش داده در مد چهارم185

فهرست جداول

عنوان صفحه

فصل سوم: الیاف (تقویت كننده ها)

جدول 3-1: انواع الیاف شیشه تجاری- نام و نوع مواد موجود در لیف 36

جدول 3-2: قطرهای موجود الیاف تجاری.......... 39

جدول 3-3: اتر دما بر استحكام الیاف شیشه نوع E41

جدول 3-4: خواص الیاف Sic..................... 44

جدول 3-5: خواص بعضی از الیاف آلومینا........ 45

جدول 3-6: خواص بعضی از الیاف كربن........... 47

جدول 3-7: مهمترین خصوصیات تقویت كننده های با كارایی بالا 53

فصل پنجم: كاربرد كامپوزیتها

جدول 5-1: برخی از خصوصیات كامپوزیتها و فلزات صنعتی83

جدول 5-2: نمونه ای از اجزاء ساخته شده با كامپوزیت 84

فصل دهم: نتایج

جدول 10-1: ویژگیهای مكانیكی كامپوزیتها...... 170

فصل یازدهم: نتیجه گیری و پیشنهاد برای ارائه كار

جدول 11-1: مقایسه بارهای كمانش برای چهار ماده مركب در حالت زاویه‌ای90/0 با سه

ضریب P 5/0 و 1/0 و 015/0.................... 248

جدول 11-2: نقش الیاف در تغییر بارهای كمانش.. 252