ریپورتر
9th November 2008, 09:50 AM
داشتن یک سختی خارج از صفحه ای) OUT OF PLANE ( و یک مقاومت فشاری برای کامپوزیت لوله ای شکل 3 بعدی به صورت گسترده در صنایع هوا فضا و اتومبیل و زیر دریایی ها بسیار کاربرد دارند.
در حینی که کاربرد کامپوزیت های لوله ای وسیع تر شده اند بسیاری از مدل ها پیشرفت کرده اند برای آنالیز خصوصیات مکانیکی آن ها بنا به ساختار پیچیده آنها برای آنالیز آنها رقابت شدیدی وجود دارد.
در گذشته بسیاری از آنالیز های مکانیکی کامپوزیت های لوله ای شکل سه بعدی روی تاثیر مدول الاستیسیته آنها توجه شده بود [1,2.Ma,Yang and chou [ اولین کسانی بودند که روی تاثیر الاستیک کاربردی کامپوزیت های لوله ای شکل را با بکار بردن مدل رشته های به هم پیوسته و مدل رشته های زاویه ای تحقیق کردند
WHYTE[3] مدل هندسی اصلی آنها را با مخلوط کردن روش مهندسی منسوجی (مواد بافته شده) با لایه های اصلاح شده آنها را پیشرفت داد.[4]Wang و Wang یک جلد کتاب با همکاری مشترک با تکنیک میانگین گیری برای پیشگویی کردن رفتار مکانیکی لوله های کامپوزیتی را ارایه کردند.
اخیرا Zeng[5-7] و Wu یک مدل تحت آسیب را با آنالیز کردن برای یافتن تاثیرات مدول لوله های کامپوزیتی سه بعدی با شکستن آنها علاوه بر آن آنها سختی و مقاومت لوله های کامپوزیتی سه بعدی را در چهار جهت با روش المان محدود که در مرجع 9-8 هست رل بررسی کردند.
به هر حال روی شکست دینامیکی و جذب انرژی فشاری لوله های کامپوزیتی سه بعدی کار کمی انجام شده است.
Chiu etal.[10] روی کاراکتر های لوله های سه بعدی کامپوزیتی برای لوله های مربعی شکل تحقیقاتی را انجام داده است.در کار آنها فهمیدند الیاف های محوری در جذب انرژی برتری دارند به این دلیل که الیاف های لوله ای حالت شکست چلانده شدن را کنترل میکنند.
در این کار که روبه روی شماست نرم افزار کد نویسی LS-DYNA,FE برای شبیه سازی پروژه شکست کامپوزیت های لوله ای شکل برای بررسی جذب انرژی فشاری بکار برده شده است.در آخر کار نتایج عددی با داده های تجربی واقعی مقایسه شده است.
-2مدل المان محدود
در شبیه سازی ، المان محدود در سه مرحله معمولی با بکار بردن محتویات اساسی کد برنامه نویسی
LS-DYNA اجرا میشود.
اولین آنها ساختن مدل بوسیله پیش پردازش گر داخلی (PRE-PROCESSOR ) میباشد.گام دوم بکار بردن آنالیز غیر خطی دینامیکی است و آخرین آنها نتیجه گرفتن ازLS-DYNA برای تفسیر و بیان و همچنین و همچنین دیداری ساختن اطلاعات محاسبه شده است.
1-2 تفاوت های روش های المان محدود
هندسه خاص و نیاز ابعادی آن در شکل 1 نشان داده شده است.در اینجاL به معنی ارتفاع،R,R به ترتیب قطر داخلی و خارجی را مشخص میکنند.شمایل مش آنها برای این نمونه و صفحه حرکت کننده و پایه ثابت آن در شکل 2 نشان داده شده است. المان بکار رفته ( Solid 164 ) هشت نقطه ای، در نرم افزار برای مش بکار رفته است.
10332 المان و 14280 نقطه در این مدل بکار رفته است.صفحه حرکت کننده و صفحه پایه آن به عنوان بدنه های صلب با المانSolid 164 انتخاب شده است.
2-2 خصوصیات مواد
در این قسمت مواد بکار رفته در این نمونه خاص بیان شده است.(برای صفحه متحرک و ثابت).
دو تفاوت نوعی مواد مدل ها در کتابخانه LS-DYNA در قسمت آنالیز المان محدود پیشرفته شرح داده شده است.
1 .مواد مدل 59(Material model 59)
کامپوزیت های لوله شکل سه بعدی به عنوان مواد ایزوتروپیک مورب با خواص مکانیکی میتواند به حساب آید و مواد (مدل 59 ) شکست مدل جامد مواد کامپوزیتی درLS-DYNA انتخاب شده است. مدل بر اساس ضابطه و معیارchang-chang که سه شکست ضابطه ای دارد پایه ریزی شده است.شکست کامپوزیت فرض شده زمانی اتفاق می افتد که تنش (STRESS ) به یک حد بحرانی برسد.این ممکن است شامل رشته ها نیز شود.
a)شکست رشته ها:
کهS نیروی کششی طولی نسبت تنش برشی یه مقاومت برشی میباشد که میتواند به صورت زیر بیان شود:
در اینجاs به تنش برشی بر میگردد و α به پارامتر تنش برشی غیر خطی که بوسیله تنش-کرنش برشی تعیین میشوند برمیگردد.
هنگامیکه رشته ها شکسته میشوند، ثابت هایE,E, G,υ,υ صفر میباشند.
b) ماتریس ترک:
کهS به مقاومت کششی عرضی بر میگردد.در این حالت در ماتریس شکست ثابت هایE,E, G,υ,υ صفر میباشد.
C) شکست فشاری:
که در اینجا C به مقاومت عرضی فشاری برمیگردد که از مقاومت مواد بدست می آید در اینجا هنگامیکه شکست فشاری اتفاق میافتد ثابت های υ, υ ,G صفر میباشند
.
2-مواد مدل 20.
صفخه متحرک و صفحه ثابت از مواد مدل 20 استفاده میکنند.(مواد صلب).در اینگونه مدل ها به صورت تیوری بدنه آنها به صورت صلب فرض میشوند.بخاطر جرم زیاد و سختی آنها المان هایی که صلب فرض میشوند در پردازش المان ها فضایی را اشغال نمیکنند.برای ذخیره کردن حوزه تغییرات متغیر ها.
و به تبع آن مواد صلب ارزش زیادی را در این تحلیل دارند.
.
3-2 مدل سازی سطوح مشترک برخورد:
نوع سطوح برخورد کننده ״ نقطه به سطح ״ بین صفحه صلب ونمونه مورد آزمایش بکار می روند.
در این روش برای جلوگیری از مخلوط شدن نقطه های داخلی نمونه با سطح در طی شکست، المان های لوله کامپوزیت در طول شبیه سازی صلب انتخاب میشوند.
4-2.شرایط مرزی:
شرایط مرزی بستگی به صفحه حرکت کننده بالایی دارد.جرم حرکت کننده به عنوان یک سطح صلب با سه ثابت مشخص میشود.
جابجایی در طول محورx,y وجود ندارد و هیچ چرخشی در هیچ کدام از سه جهت اصلی وجود ندارد و فقط جابجایی در جهت محورz میتواند با سرعت ثابت 6 متر بر ثانیه وجود داشته باشد.برای تکمیل توضیحات قبلی و واضح تر شدن مدل المان های محدود در آنالیز غیر خطی بوسیله یک کد برنامه نویسیLS-DYNA تمام جابجایی ها بر اساس 10 متر بر ثانیه تنظیم میشود
.
3- برنامه تجربی
برای ماده نمونه از رشته کربنK12 T300 و رزینTDE-85( epoxy resin) خواص مکانیکی رشته های رزین در جدول 1 داده شده است . تست های فشاری بوسیله یک وزنه آویزان برجی انجام شده است.نمونه مورد نظر در یک ناحیه ثابت قرار داده شده و بوسیله یک وزنه آویزان تست میشود . و با سرعت 6 متر برثانیه فشرده میشوند.دقت شود که در برخورد فقط فشار ایجاد شود و جابجایی در نمونه وجود نداشته باشد.برای تست فشاری تمام نمونه ها در حالت عمودی در حالی که حرکت نکردن آنها کنترل میشود تست میشوند حداقل 6 نمونه تست شده اند.
4-نتایج:
1-4 :پیشرفت شکست لوله های کامپوزیت سه بعدی :
پیشرفت شکست لوله های کامپوزیت سه بعدی بوسیلهLS-DYNA 3D شبیه سازی شده است.هندسه نمونه به این ترتیب است:
L=100 mm R=28.5 mm t=1.5 mm
زاویه لوله ای شکل آن 45 درجه میباشد.ساختار مواد آنها در مدل های المانی محدود در جدول 1 داده شده است.
تصاویر پیشرفت شکست نمونه که در خروجیLS-DYNA بدست آمده است در شکل 3 نشان داده شده است.
2-4 : تاثیر شعاع داخلی سوراخ:
تقسیمات انرژی کلی میتواند به چهار قسمت کلی تقسیم شود.تغییر شکل رشته ها و شکستن آنها ماتریس ترک و اصطکاک در شکل چهار شرح داده شده است.
تغییرات انرژی کلی به این صورت میباشد که با افزایش شعاع داخلی ( R ) از 13.5 به 29 میلیمتر برای یک لوله به ضخامت 1.5 (شکل چهار) که انرژی کلی میتواند به صورت تکی با افزایش شعاع درونی (R ) افزایش یابد.مقدار آن در این مورد R=29mm ،%45 بزرگتر از زمانی است که R=13.5 . .
شکل 5 نشان میدهد که تغییرات SAE برای انرژی کلی با افزایش جرم شعاع داخلی افزایش می یابد. هنگامی که نسبت R/t افزایش می یابد کمانش ( buckling ) به عنوان شکست اصلی لوله کامپوزیتی باعث قابلیت جذب انرژی در ساختار آن و کاهشSEA میشود.
همچنین شکل 5 یک ضریب ایمنی بین FEM و پیش بینی آن برای نتایج تجربی درSEA نشان میدهد.
3-4: تاثیرات ضخامت پوسته :
شکل 6 تاثیرات افزایش ضخامت پوسته را نشان میدهد.شعاع داخلی در 28.5 ثابت شده است.در حالی که ضخامت تدریجا از 1 به 3 افزایش می یابد.این شکل نشان میدهد که جذب انرژی کلی با افزایش ضخامت پوسته افزایش می یابد.وابسته نبودن SEA در ضخامت ثابت شده شعاع داخلی در شکل 7 نشان داده شده است.
4-4 تاثیر زاویه ای لوله(θ):
تعریف زاویه ای لولهای(braid,θ)،زاویه ی مطـلق بین مسیر رشته و مسیر لوله می باشد(جهـت محور z) .
شکل 8 تغییرات انرژی کلی با زاویه لوله (θ) با شعاع داخلی 28.5 و ضخامت 1.5 زا نشان میدهد.انرژی کلی با افزایش زاویه تا 45 درجه کاهش می یابد.و بعد از آن برای زوایای بیشتر کاهش می یابد.
شکل 9، تغییراتSEA را با افزایش زاویه لوله (θ) نشان میدهد.
دیده میشود که SEA دز ابتدا کاهش و سپس افزایش می یابد.کمترین مقدار آن هنگامی اتفاق می افتد که =45θ باشد.مقدار SEA برای لوله ی کامپوزیتی در زاویه 60 درجه %110 بیشتر از هنگامی است که زاویه لوله 45 درجه باشد
.
5- نتیجه گیری :
در این مطالعه برای مدل کردن المان های محدود برای شکست های محوری از لوله های کامپوزیتی 3 بعدی از کد برنامه نویسی LS-DYNA 3D استفاده شده است.
اگر چه نتایج این ساختار در نیرو های فشاری در حالت ماکروسکوپیک مقداری پیچیده تر از حالت میکروسکوپیک آن می باشد اما نتایج محاسبه شده و مدل سازی شده به یک درجه ضریب اطمینان ضرایب بدست آمده به نتایج عملی بستگی دارد.
تاثیرات پارامتر های هندسی برای زاویه لوله در جذب انرژی واضح و قابل مشاهده است.پیش بینی المان های محدود مشخص کرد که یک زاویه لوله ی بهینه برای بدست آوردن یک مقدار SEA ماکیسمم برای لوله های کامپوزیتی 3 بعدی برای بهترین حالت هندسی مشخص شده وجود دارد.
در حینی که کاربرد کامپوزیت های لوله ای وسیع تر شده اند بسیاری از مدل ها پیشرفت کرده اند برای آنالیز خصوصیات مکانیکی آن ها بنا به ساختار پیچیده آنها برای آنالیز آنها رقابت شدیدی وجود دارد.
در گذشته بسیاری از آنالیز های مکانیکی کامپوزیت های لوله ای شکل سه بعدی روی تاثیر مدول الاستیسیته آنها توجه شده بود [1,2.Ma,Yang and chou [ اولین کسانی بودند که روی تاثیر الاستیک کاربردی کامپوزیت های لوله ای شکل را با بکار بردن مدل رشته های به هم پیوسته و مدل رشته های زاویه ای تحقیق کردند
WHYTE[3] مدل هندسی اصلی آنها را با مخلوط کردن روش مهندسی منسوجی (مواد بافته شده) با لایه های اصلاح شده آنها را پیشرفت داد.[4]Wang و Wang یک جلد کتاب با همکاری مشترک با تکنیک میانگین گیری برای پیشگویی کردن رفتار مکانیکی لوله های کامپوزیتی را ارایه کردند.
اخیرا Zeng[5-7] و Wu یک مدل تحت آسیب را با آنالیز کردن برای یافتن تاثیرات مدول لوله های کامپوزیتی سه بعدی با شکستن آنها علاوه بر آن آنها سختی و مقاومت لوله های کامپوزیتی سه بعدی را در چهار جهت با روش المان محدود که در مرجع 9-8 هست رل بررسی کردند.
به هر حال روی شکست دینامیکی و جذب انرژی فشاری لوله های کامپوزیتی سه بعدی کار کمی انجام شده است.
Chiu etal.[10] روی کاراکتر های لوله های سه بعدی کامپوزیتی برای لوله های مربعی شکل تحقیقاتی را انجام داده است.در کار آنها فهمیدند الیاف های محوری در جذب انرژی برتری دارند به این دلیل که الیاف های لوله ای حالت شکست چلانده شدن را کنترل میکنند.
در این کار که روبه روی شماست نرم افزار کد نویسی LS-DYNA,FE برای شبیه سازی پروژه شکست کامپوزیت های لوله ای شکل برای بررسی جذب انرژی فشاری بکار برده شده است.در آخر کار نتایج عددی با داده های تجربی واقعی مقایسه شده است.
-2مدل المان محدود
در شبیه سازی ، المان محدود در سه مرحله معمولی با بکار بردن محتویات اساسی کد برنامه نویسی
LS-DYNA اجرا میشود.
اولین آنها ساختن مدل بوسیله پیش پردازش گر داخلی (PRE-PROCESSOR ) میباشد.گام دوم بکار بردن آنالیز غیر خطی دینامیکی است و آخرین آنها نتیجه گرفتن ازLS-DYNA برای تفسیر و بیان و همچنین و همچنین دیداری ساختن اطلاعات محاسبه شده است.
1-2 تفاوت های روش های المان محدود
هندسه خاص و نیاز ابعادی آن در شکل 1 نشان داده شده است.در اینجاL به معنی ارتفاع،R,R به ترتیب قطر داخلی و خارجی را مشخص میکنند.شمایل مش آنها برای این نمونه و صفحه حرکت کننده و پایه ثابت آن در شکل 2 نشان داده شده است. المان بکار رفته ( Solid 164 ) هشت نقطه ای، در نرم افزار برای مش بکار رفته است.
10332 المان و 14280 نقطه در این مدل بکار رفته است.صفحه حرکت کننده و صفحه پایه آن به عنوان بدنه های صلب با المانSolid 164 انتخاب شده است.
2-2 خصوصیات مواد
در این قسمت مواد بکار رفته در این نمونه خاص بیان شده است.(برای صفحه متحرک و ثابت).
دو تفاوت نوعی مواد مدل ها در کتابخانه LS-DYNA در قسمت آنالیز المان محدود پیشرفته شرح داده شده است.
1 .مواد مدل 59(Material model 59)
کامپوزیت های لوله شکل سه بعدی به عنوان مواد ایزوتروپیک مورب با خواص مکانیکی میتواند به حساب آید و مواد (مدل 59 ) شکست مدل جامد مواد کامپوزیتی درLS-DYNA انتخاب شده است. مدل بر اساس ضابطه و معیارchang-chang که سه شکست ضابطه ای دارد پایه ریزی شده است.شکست کامپوزیت فرض شده زمانی اتفاق می افتد که تنش (STRESS ) به یک حد بحرانی برسد.این ممکن است شامل رشته ها نیز شود.
a)شکست رشته ها:
کهS نیروی کششی طولی نسبت تنش برشی یه مقاومت برشی میباشد که میتواند به صورت زیر بیان شود:
در اینجاs به تنش برشی بر میگردد و α به پارامتر تنش برشی غیر خطی که بوسیله تنش-کرنش برشی تعیین میشوند برمیگردد.
هنگامیکه رشته ها شکسته میشوند، ثابت هایE,E, G,υ,υ صفر میباشند.
b) ماتریس ترک:
کهS به مقاومت کششی عرضی بر میگردد.در این حالت در ماتریس شکست ثابت هایE,E, G,υ,υ صفر میباشد.
C) شکست فشاری:
که در اینجا C به مقاومت عرضی فشاری برمیگردد که از مقاومت مواد بدست می آید در اینجا هنگامیکه شکست فشاری اتفاق میافتد ثابت های υ, υ ,G صفر میباشند
.
2-مواد مدل 20.
صفخه متحرک و صفحه ثابت از مواد مدل 20 استفاده میکنند.(مواد صلب).در اینگونه مدل ها به صورت تیوری بدنه آنها به صورت صلب فرض میشوند.بخاطر جرم زیاد و سختی آنها المان هایی که صلب فرض میشوند در پردازش المان ها فضایی را اشغال نمیکنند.برای ذخیره کردن حوزه تغییرات متغیر ها.
و به تبع آن مواد صلب ارزش زیادی را در این تحلیل دارند.
.
3-2 مدل سازی سطوح مشترک برخورد:
نوع سطوح برخورد کننده ״ نقطه به سطح ״ بین صفحه صلب ونمونه مورد آزمایش بکار می روند.
در این روش برای جلوگیری از مخلوط شدن نقطه های داخلی نمونه با سطح در طی شکست، المان های لوله کامپوزیت در طول شبیه سازی صلب انتخاب میشوند.
4-2.شرایط مرزی:
شرایط مرزی بستگی به صفحه حرکت کننده بالایی دارد.جرم حرکت کننده به عنوان یک سطح صلب با سه ثابت مشخص میشود.
جابجایی در طول محورx,y وجود ندارد و هیچ چرخشی در هیچ کدام از سه جهت اصلی وجود ندارد و فقط جابجایی در جهت محورz میتواند با سرعت ثابت 6 متر بر ثانیه وجود داشته باشد.برای تکمیل توضیحات قبلی و واضح تر شدن مدل المان های محدود در آنالیز غیر خطی بوسیله یک کد برنامه نویسیLS-DYNA تمام جابجایی ها بر اساس 10 متر بر ثانیه تنظیم میشود
.
3- برنامه تجربی
برای ماده نمونه از رشته کربنK12 T300 و رزینTDE-85( epoxy resin) خواص مکانیکی رشته های رزین در جدول 1 داده شده است . تست های فشاری بوسیله یک وزنه آویزان برجی انجام شده است.نمونه مورد نظر در یک ناحیه ثابت قرار داده شده و بوسیله یک وزنه آویزان تست میشود . و با سرعت 6 متر برثانیه فشرده میشوند.دقت شود که در برخورد فقط فشار ایجاد شود و جابجایی در نمونه وجود نداشته باشد.برای تست فشاری تمام نمونه ها در حالت عمودی در حالی که حرکت نکردن آنها کنترل میشود تست میشوند حداقل 6 نمونه تست شده اند.
4-نتایج:
1-4 :پیشرفت شکست لوله های کامپوزیت سه بعدی :
پیشرفت شکست لوله های کامپوزیت سه بعدی بوسیلهLS-DYNA 3D شبیه سازی شده است.هندسه نمونه به این ترتیب است:
L=100 mm R=28.5 mm t=1.5 mm
زاویه لوله ای شکل آن 45 درجه میباشد.ساختار مواد آنها در مدل های المانی محدود در جدول 1 داده شده است.
تصاویر پیشرفت شکست نمونه که در خروجیLS-DYNA بدست آمده است در شکل 3 نشان داده شده است.
2-4 : تاثیر شعاع داخلی سوراخ:
تقسیمات انرژی کلی میتواند به چهار قسمت کلی تقسیم شود.تغییر شکل رشته ها و شکستن آنها ماتریس ترک و اصطکاک در شکل چهار شرح داده شده است.
تغییرات انرژی کلی به این صورت میباشد که با افزایش شعاع داخلی ( R ) از 13.5 به 29 میلیمتر برای یک لوله به ضخامت 1.5 (شکل چهار) که انرژی کلی میتواند به صورت تکی با افزایش شعاع درونی (R ) افزایش یابد.مقدار آن در این مورد R=29mm ،%45 بزرگتر از زمانی است که R=13.5 . .
شکل 5 نشان میدهد که تغییرات SAE برای انرژی کلی با افزایش جرم شعاع داخلی افزایش می یابد. هنگامی که نسبت R/t افزایش می یابد کمانش ( buckling ) به عنوان شکست اصلی لوله کامپوزیتی باعث قابلیت جذب انرژی در ساختار آن و کاهشSEA میشود.
همچنین شکل 5 یک ضریب ایمنی بین FEM و پیش بینی آن برای نتایج تجربی درSEA نشان میدهد.
3-4: تاثیرات ضخامت پوسته :
شکل 6 تاثیرات افزایش ضخامت پوسته را نشان میدهد.شعاع داخلی در 28.5 ثابت شده است.در حالی که ضخامت تدریجا از 1 به 3 افزایش می یابد.این شکل نشان میدهد که جذب انرژی کلی با افزایش ضخامت پوسته افزایش می یابد.وابسته نبودن SEA در ضخامت ثابت شده شعاع داخلی در شکل 7 نشان داده شده است.
4-4 تاثیر زاویه ای لوله(θ):
تعریف زاویه ای لولهای(braid,θ)،زاویه ی مطـلق بین مسیر رشته و مسیر لوله می باشد(جهـت محور z) .
شکل 8 تغییرات انرژی کلی با زاویه لوله (θ) با شعاع داخلی 28.5 و ضخامت 1.5 زا نشان میدهد.انرژی کلی با افزایش زاویه تا 45 درجه کاهش می یابد.و بعد از آن برای زوایای بیشتر کاهش می یابد.
شکل 9، تغییراتSEA را با افزایش زاویه لوله (θ) نشان میدهد.
دیده میشود که SEA دز ابتدا کاهش و سپس افزایش می یابد.کمترین مقدار آن هنگامی اتفاق می افتد که =45θ باشد.مقدار SEA برای لوله ی کامپوزیتی در زاویه 60 درجه %110 بیشتر از هنگامی است که زاویه لوله 45 درجه باشد
.
5- نتیجه گیری :
در این مطالعه برای مدل کردن المان های محدود برای شکست های محوری از لوله های کامپوزیتی 3 بعدی از کد برنامه نویسی LS-DYNA 3D استفاده شده است.
اگر چه نتایج این ساختار در نیرو های فشاری در حالت ماکروسکوپیک مقداری پیچیده تر از حالت میکروسکوپیک آن می باشد اما نتایج محاسبه شده و مدل سازی شده به یک درجه ضریب اطمینان ضرایب بدست آمده به نتایج عملی بستگی دارد.
تاثیرات پارامتر های هندسی برای زاویه لوله در جذب انرژی واضح و قابل مشاهده است.پیش بینی المان های محدود مشخص کرد که یک زاویه لوله ی بهینه برای بدست آوردن یک مقدار SEA ماکیسمم برای لوله های کامپوزیتی 3 بعدی برای بهترین حالت هندسی مشخص شده وجود دارد.