فهرست مطالب

چكيده

فصل اول: مقدمه اي بر مواد مركب

1-1- كامپوزيت چيست؟ 2

1-2- مزاياي كامپوزيتها 4

1-3- محدوديتهاي كامپوزيتها 7

1-4- تاريخچه صنعت كامپوزيتها 8

1-5- فازهاي كامپوزيتي و تقسيم بندي كامپوزيتها 10

1-6- خواص كامپوزيتها 12

1-7- مقاومت كامپوزيتهاي ليفي 14

فصل دوم: ماتريسها (رزيتها)

2-1- ماتريسها 18

2-2- پليمريزاسيون 19

2-3- پليمرهاي گرما سخت و گرما نرم 20

2-4- رزينهاي ترموپلاستيك (گرما نرم) 20

2-5- رزينها گرما سخت (ترموست) 21

2-6- نقش ماتريسها 22

2-7- رزينهاي اپوكسي 23

2-8- معايب رزينهاي اپوكسي 24

2-9- تقسيم بندي انواع تجاري رزينهاي اپوكسي 24

2-10- رزينهاي پلي استر غيراشباع 25

2-11- انواع رزينهاي پلي استر تجاري 26

2-12- خصوصيات رزينهاي پلي استر 28

2-13- معايب رزينهاي پلي استر غيراشباع 28

2-14- رزينهاي فنوليك 29

2-15- خواص و كاربردهاي رزينهاي فنوليك 30

2-16- معايب و محدوديتهاي رزينهاي فنوليك 30

2-17- ماتريسهاي فلزي 31

 فصل سوم: الياف (تقويت كننده ها)

3-1- تقويت كننده ها 33

3-2- تقويت كننده هاي ليفي 33

3-3- الياف شيشه 35

3-4- مزيتهاي اصلي الياف شيشه 35

3-5- عيوب اصلي الياف شيشه 36

3-6- سايز الياف 38

3-7- آهار 39

3-8- خواص الياف شيشه 40

3-9- الياف پيشرفته 41

3-10- الياف بور 42

3-11- خواص و كاربرد الياف بور 43

3-12- الياف سيليكون كاربيد 44

3-13- الياف سيلسيم كاربيد 44

3-14- الياف آلومينا 45

3-15- الياف كربن وگرافيت 46

3-16- الياف كربن 46

3-17- خواص الياف كربن و گرافيت 48

3-18- كامپوزيتهاي كربن و گرافيت 48

3-19- مزيتهاي اصلي الياف كربن 49

3-20- بحث ميكروسكوپي در مورد الياف كربن 49

3-21- الياف آراميد يا پلي آميدهاي حلقوي 50

3-22- خصوصيات آراميدها 51

3-23- الياف پلي اتيلن 52

3-24- الياف سراميكي 52

3-25- مقايسه الياف مختلف 53

 فصل چهارم: ساخت مواد مركب

4-1- فرايندهاي ساخت كامپوزيتها 56

4-2- قالب گيري باز 56

4-3- قالب گيري بسته 57

4-4- تقسيم بندي براساس حجم توليد 58

4-5- تعاريف فرايند قالب گيري باز 59

4-6-تعاريف بكار بردن رزين 59

4-7- روش لايه گذاري دستي 60

4-8- روش پاشش توسط پيستوله 62

4-9- فيلامنت وايندينگ 63

4-10- قالب گيري فشاري 66

4-11- روش كششي 69

4-12- قالب گيري با كيسه خلاء 70

4-13- فرايند تزريق در خلاء 73

4-14- قالب گيري به روش انتقال رزين RTM 74

فصل پنجم: كاربرد كامپوزيتها

5-1- مقدمه 79

5-2- صنايع حمل و نقل جاده اي 79

5-3- استفاده از مواد كامپوزيت در ساخت تانكهاي جنگي و سلاح 81

5-4- كاربرد كامپوزيتها در صنايع هوا فضا 82

5-5- استفاده در ساخت فضاپيماها 84

5-6- استفاده كامپوزيتها در صنايع حمل و نقل ريلي 86

5-7- كاربرد كامپوزيتها در واحدهاي شيميايي 86

5-8- كامپوزيتها درصنعت دريايي 88

5-9- صنايع الكتريكي 88

5-10- صنعت هسته اي 89

فصل ششم: تئوري حاكم بر مواد مركب

6-1- مقدمه 91

6-2- رفتار ماكرومكانيك يك لايه 91

6-3- ثابتهاي مهندسي براي مواد ارتوتروپ 95

6-4- جهت گيري الياف در مواد مركب 96

6-5- استحكام در مواد مركب 96

6-6- تئوريهاي شكست در حالت دو محوري بر مواد ارتوتروپ 97

6-7- تئوري تنش حداكثر 97

6-8- معيار كرنش حداكثر 98

6-9- تئوري Tsai-Hill 99

6-10- تئوري Tsai-Wu 101

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

7-1- مقدمه 104

7-2- معادلات غيرخطي تعادل ورق 106

فصل هشتم: آشنايي با المان محدود و نرم افزار ANSYS

8-1- مقدمه 126

8-2- مسائل مهندسي 126

8-3- روشهاي عددي 127

8-4- تاريخچه اي كوتاه بر روش المان محدود و نرم افزار ANSYS 128

8-5- مراحل اصلي در روش المان محدود 131

8-6- توابع شكل (Shape Function) 132

8-7- تقسيم بندي يك ناحيه به تعدادي المان براي المانهاي يك بعدي 133

8-8- معرفي توابع شكل براي يك المان خطي 134

8-9- خواص توابع شكل 145

8-10- المان درجه دوم 136

فصل نهم: مدل سازي مواد مركب در ANSYS 5.4

9-1- مقدمه 139

9-2- مدل سازي مواد مركب در روش h-method 139

9-3- المان Sheel-91 139

9-4- المان Shel-99 141

9-5- المان Solid-46 142

9-6- مدل سازي مواد مركب در روش p-method 143

9-7- روش تعريف ساختارهاي لايه اي 144

9-8- روش تعريف خصوصيات هر لايه بطور جداگانه 144

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

9-10- روش تحليل كمانش در نرم افزار ANSYS 145

9-11- نكاتي در مورد مش بندي توسط نرم افزار ANSYS 145

9-12- نكاتي در مورد تحليل كمانش 148

9-13- تحليل ورق هاي دايره اي شكل در نرم افزار ANSYS 149

9-14- حل مساله كمانش توسط دستورات APDL 160

9-15- برنامه APDL براي حل مساله كمانش 161

فصل دهم: نتايج

10-1- مقدمه 170

10-2- ملاحظات 170

فصل يازدهم: نتيجه گيري و پيشنهاد براي ادامه كار

11-1- مقدمه 247

11-2- نقش ضخامت بر بارهاي حاصل از كمانش 247

11-3- نقش مدولهاي الاستيسيته 250

11-4- زاويه الياف و تاثير آن در كمانش 252

11-5- پيشنهاد براي ادامه كار 253

مراجع 255

ضمائم 256

 فهرست اشكال

عنوان     صفحه

فصل اول: مقدمه اي بر مواد مركب

شكل 1-1: انواع مختلف كامپوزيتها 12

شكل 1-2: نمودارهاي تنش- كرنش در زواياي مختلف 13

شكل 1-3: انواع مختلف تقويت كننده ها 15

شكل 1-4: انواع مختلف الياف 16

فصل سوم: الياف (تقويت كننده ها)

شكل3-1: تنش- كرنش براي تقويت كنندگان مختلف 35

شكل3-2: تصاوير ميكروسكوپي از الياف برون اپوكسي 42

شكل 3-3: شكل الياف مختلف 54

فصل چهارم: ساخت مواد مركب

شكل 4-1: نحوه بافت در روش فيلامنت 63

شكل 4-2: شماتيك دستگاه بافت فيلامنت 64

شكل 4-3: دستگاه بافت فيلامنت 65

شكل 4-4: ماشين آلات بكار رفته در روش BMC 66

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

شكل 4-6: روش كششي 69

شكل 4-7: ماشين آلات RTM 75

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

فصل پنجم: كاربرد كامپوزيتها

شكل 5-1: كاربرد كامپوزيتها در بوئينگ 737-300 82

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

شكل 5-3: كاربرد كامپوزيتها در موتور راكتها 85

فصل هفتم: كمانش پوسته هاو مباحث تئوري مربوط به آن

شكل 7-1: ورق مستطيلي تحت نيروي فشاري دو محوره 110

شكل 7-2: برايندهاي تنش و ممان بر روي يك المان از ورق 110

شكل 7-3: لايه هاي ورق 117

عنوان     صفحه

شكل 7-4: كوتاه شدگي لبه هاي ورق 117

فصل هشتم: آشنايي با المان محدود و نرم افزار ANSYS

شكل 8-1: كاربرد اوليه المان محدود 130

شكل 8-2: مدل سازي تير مخروطي تحت كشش به فنرهاي سري 130

شكل 8-3: تقسيم يك ناحيه به مناطق كوچكتر (گره ها و المانها) 133

فصل نهم: مدل سازي مواد مركب در ANSYS 5.4

شكل 9-1:المان پوسته اي Shell-91 براي مدل سازي ورق ها و پوسته ها 140

شكل 9-2: المان پوسته اي Shell-99 براي مدل سازي ورق ها و پوسته ها 141

شكل 9-3: المان سه بعدي Solid-46 المان بندي مسائل سازه اي 143

شكل 9-4: مش بندي آزاد 146

شكل 9-5: استفاده از Smart Size براي ريز كردن مش بندي 146

شكل 9-6: مش بندي دستي 148

شكل 9-7: منوي انتخاب المان 150

شكل 9-8: منوي ويژگيهاي مكانيكي 151

شكل 9-9: منوي انتخاب تعداد لايه 152

شكل 9-10: منوي مربوط به ضخامت و زاويه الياف 153

شكل 9-11: مدل سازي ورق 153

شكل 9-12: منوي مش بندي 155

شكل 9-13: ورق مش بندي شده از نماي ايزومتريك 156

شكل 9-14: فعال كردن منوي محاسبه ماتريس سختي 158

فصل دهم: نتايج

شكل 10-1: نماي روبرو- مود اول كمانش- كولار اپوكسي 172

شكل 10-2: نماي ايزومتريك- مود اول كمانش- كولار اپوكسي 172

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

شكل 10-4: نماي روبرو- مود دوم كمانش- كولار اپوكسي 174

شكل 10-5: نماي ايزومتريك- مود دوم كمانش- كولار اپوكسي 174

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

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

عنوان     صفحه

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

شكل 10-9: نماي روبرو- مود سوم كمانش- كولار اپوكسي 178

شكل 10-10: نماي ايرومتريك- مود سوم كمانش- كولار اپوكسي 178

شكل 10-11: نمايش رويه كمانش داده در مد سوم 179

شكل 10-12: نمايش رويه كمانش داده در مد سوم 180

شكل 10-13: نمايش رويه كمانش داده در مد سوم 181

شكل 10-14: نماي روبرو- مد چهارم كمانش- كولار اپوكسي 182

شكل 10-15: نماي ايزومتريك- مد چهارم كمانش- كولار اپوكسي 182

شكل 10-16: معادله روي كمانش داده در مد چهارم 183

شكل 10-17: معادله روي كمانش داده در مد چهارم 184

شكل 10-18: معادله روي كمانش داده در مد چهارم 185

 فهرست جداول

فصل سوم: الياف (تقويت كننده ها)

جدول 3-1: انواع الياف شيشه تجاري- نام و نوع مواد موجود در ليف 36

جدول 3-2: قطرهاي موجود الياف تجاري 39

جدول 3-3: اتر دما بر استحكام الياف شيشه نوع E 41

جدول 3-4: خواص الياف Sic 44

جدول 3-5: خواص بعضي از الياف آلومينا 45

جدول 3-6: خواص بعضي از الياف كربن 47

جدول 3-7: مهمترين خصوصيات تقويت كننده هاي با كارايي بالا 53

فصل پنجم: كاربرد كامپوزيتها

جدول 5-1: برخي از خصوصيات كامپوزيتها و فلزات صنعتي 83

جدول 5-2: نمونه اي از اجزاء ساخته شده با كامپوزيت 84

فصل دهم: نتايج

جدول 10-1: ويژگيهاي مكانيكي كامپوزيتها 170

فصل يازدهم: نتيجه گيري و پيشنهاد براي ارائه كار

جدول 11-1: مقايسه بارهاي كمانش براي چهار ماده مركب در حالت زاويه‌اي90/0 با سه

ضريب P 5/0 و 1/0 و 015/0 248

جدول 11-2: نقش الياف در تغيير بارهاي كمانش 252

 چكيده:

در اين پايان نامه رفتار كمانش ورق هاي دايره اي شكل مركب با استفاده از تئوري المان محدود و نرم افزار ANSYS مورد بررسي قرار گرفته است. هدف از اين پايان‌نامه بدست آوردن بارهاي فشاري كمانش در مودهاي مختلف مي باشد.

فصل اول مقدمه اي در مورد مواد كامپوزيت مي باشد.

در فصل دوم به معرفي ماتريسهاي به كار رفته در ساخت مواد مركب و بعضي از ويژگيهاي آنها پرداخته شده است.

در فصل سوم الياف و تقويت كننده هاي پر كاربرد در ساخت كامپوزيتها بررسي شده است.

در فصل چهارم به معرفي روش ساخت كامپوزيتها و پروسه توليد آنها اشاره شده است.

فصل پنجم به كاربرد كامپوزيتها در صنايع مختلف اختصاص يافته است.

در فصل ششم مقدمه اي از تئوري حاكم برمواد مركب و پيش بيني رفتار شكست اين مواد مي باشد.

در فصل هفتم معادلات حاكم بر كمانش ورقهاي كامپوزيت و معادلات تعادل آنها ارائه شده است.

پديده كمانش در مورد بسياري از سازه ها و جزء هاي تحت تاثير نيروي فشاري مطرح مي باشد. برخلاف تيرها كه پس از كمانش بدون تحمل بار زيادي دچار تسليم مي شوند، ورقها مي توانند پس از وقوع كمانش در مواردي تا چندين برابر بار كمانش را تحمل كنند. استفاده از اين توانايي ورقها گامي مهم و موثر درجهت بهينه سازي، سازه هاي هوايي شده است.

در فصل هشتم مقدمه اي در مورد روشهاي المان محدود و نرم افزار ANSYS ارائه شده است.

در فصل نهم، به معرفي المانها و روشهاي تحليل كمانش مواد مركب در نرم افزار ANSYS پرداخته شده است. در ادامه، تحليل گام به گام كمانش ورقهاي مركب و معرفي دستورات مربوط به هر مرحله صورت گرفته است.

در فصل دهم نتايج بدست آمده از 60 مورد تحليل كمانش ارائه شده است.

و بالاخره  در فصل يازدهم به مقايسه و تحليل داده هاي بدست آمده اختصاص يافته است. در پايان نتيجه گيري و پيشنهاد براي ادامه كار پژوهش آمده است.

 فصل اول

مقدمه اي بر مواد مركب

1-1- كامپوزيت چيست؟

كامپوزيت به موادي اطلاق مي شود كه در ساختار آن بيش از يك جز ماده استفاده شده باشد. در اين مواد اجزاء مختلف خواص فيزيكي و شيميايي خود را حفظ كرده و در نهايت ماده اي حاصل مي شود كه داراي خواص بهينه اي مي باشد. اين خواص در تك تك مواد شركت كننده به صورت مجزاء و در همه حالت ها وجود ندارد.

تعريف جامع كامپوزيت را به صورت زير مي توان ارائه داد.

دو ماده غير يكسان كه در صورت تركيب، ماده‌حاصله از تك تك مواد قوي‌تر باشد.

كامپوزيتها همه بصورت طبيعي و همه به صورت مصنوعي ساخته مي شوند.

چوب مثال خوبي از يك كامپوزيت طبيعي است. چون تركيبي از الياف سلولزي و ليگنين مي باشد. الياف سلولزي استحكام را ايجاد مي كند و ليگنين چسبي است كه الياف را به هم مي چسباند و پايدار مي كند.

بامبو  يا ني خيز ران، يك سازه كامپوزيتي چوبي بسيار كارآمد مي باشد. اجزاء بامبو همان سلولز و ليگنين مي باشد با اين تفاوت كه بامبو توخالي است و اين امر باعث مي شود سازه سفت و سبك حاصل شود. چوبهاي بلند ماهيگيري كامپوزيتي و چوبهاي گلف، كپي شده از اين طرح طبيعي هستند.

از جمله مواد كامپوزيت مصنوعي كه به دست انسان ساخته شده مي توان موارد زير را نام برد.

آجرهاي خشتي كه اولين بار توسط مصريان بكار رفت و تركيبي از گل و كاه مي‌باشد.

تخته چندتايي كه تركيبي از ورقهاي نازك چوب و چسب مي باشد.

بتن مسلح كه تركيبي از فولاد و بتن مي باشد. فولاد به لحاظ ساختار مكانيكي در مقابل كشش قوي بوده و بتن ماده اي است كه داراي استحكام فشاري بالا مي باشد. با تركيب اين دو ماده، سازه اي بوجود مي آيد كه در مقابل كشش و فشار قابليت بالايي از تحمل را از خود نشان مي دهد.

تاير اتومبيل تركيبي است از مخلوط لاستيك و تقويت كننده هايي نظير فولاد، نايلون، آراميد يا ديگر الياف. لاستيك به عنوان ماتريس عمل مي كند و تقويت كننده را در جاي خود نگه مي دارد. ماتريس چسبي است كه الياف را در جاي خود نگه مي دارد.

با توجه به آنچه بيان گرديد و با توجه به مثالهاي بالا شايد تعريف كامپوزيتها در عين كامل بودن بسيار عمومي به نظر رسد.

تعريف پيشرفته مواد كامپوزيت كه در اين پروژه نيز بكار مي رود به صورت زير مي باشد. تركيبي از الياف تقويت كننده و يك ماتريس پليمري به عنوان رزين. به عنوان مثال مي توان رزين پلي استر  والياف تقويت كننده فايبر گلاس  را نام برد.

در ادامه در مورد الياف و ماتريسها به صورت جداگانه صحبت خواهد شد.

1-2- مزاياي كامپوزيتها

استفاده روز افزون كامپوزيتها در ذهن هر خواننده اي اين مساله را تداعي مي كند كه چرا اين مواد با اين سرعت در حال رشد و تكامل هستند. آنچه مسلم است اين مواد نسبت به ساير مواد مهندسي مرسوم (عموماً فلزها) داراي مزاياي قابل توجه اي هستند كه در ذيل تعدادي از آنها نام برده شده است.

– استحكام ويژه بالا :

استحكام ويژه، عبارتي است كه به نسبت استحكام به وزن اطلاق مي شود. كامپوزيتها از استحكام ويژه بالاتري نسبت به بسياري از مواد ديگر برخوردار هستند. مواد كامپوزيت براي نيازهاي استحكامي خاص در يك كاربرد مي توانند طراحي شوند. توانايي استفاده كردن از انواع رزين ها و الياف و همچنين نحوه قالبگيري و تركيب آنها باعث فراهم شدن رنج بالا و متنوعي از استحكام براي اين مواد شده است.

– وزن مخصوص كم:

كامپوزيتها موادي را ارائه مي دهند كه مي توانند براي استحكام بالا و هم وزن طراحي پايين مورد استفاده قرار گيرند.

– مقاومت به خوردگي بالا:

مثالهاي بيشماري از كامپوزيتها وجود دارد كه داراي سرويسي به مدت چهل تا پنجاه سال بوده است. در سال 1947 گارد ساحلي آمريكا يك سري قايقهاي گشتي 40 فوتي را با استفاده از رزين پلي استر و فايبرگلاس ساخت. اين قايقها تا اوايل دهه 1970 استفاده شدند تا اينكه به دليل منسوخ شدن طراحي، از سرويس خارج شدند. تستهاي زيادي روي لايه ها بعد از خارج شدن از ماموريتهاي آنها انجام شد و معلوم شد كه فقط 2% تا 3% از استحكام اوليه بعد از 25 سال سرويس سخت افت كرده است.

تفاوتهاي بيشمار ديگري از قايقها، ساختمانها و ديگر سازه هاي كامپوزيتي در سال 1950 وجود دارد كه هنوز درحال سرويس دهي هستند.

بدنه اوليه اتومبيلهاي كروت  در سال 1953 فايبرگلاس بوده اند و به استثناء تعميرات تزئيناتي، تاامروز سالم و بي عيب مانده اند.

 مواردي از مجاري و لوله هاي فايبرگلاس كه در كارخانجات شيميايي به مدت 25 سال به كار گرفته شده اند موجود هستند،‌ كه در شرايط محيطي بسيار سخت شيميايي و به صورت 24 ساعته و هفت روز در هفته در حال كار بوده اند.

– انعطاف پذيري طراحي:

كامپوزيتها نسبت به ديگرمواد اين مزيت را دارند كه مي توانند با شكلهاي پيچيده نسبت به هزينه كم قالبگيري شوند. انعطاف پذيري در ايجاد شكلهاي پيچيده، به طراحان آزادي عمل مي دهد كه نشاني از موفقيت كامپوزيتها است. قايقها نمونه اي از اين توانايي شكل پذيري كامپوزيتها را نشان مي دهند.

– سرمايه گذاري نسبتاً كم:

يك دليل آنكه صنعت كامپوزيتها موفق بوده است سرمايه گذاري نسبتاً كم در تاسيس و ايجاد وسايل ساخت كامپوزيتها است. تعداد بسياري از شركتهاي بزرگ و خلاق سازنده كامپوزيتها ريشه خود را در شركتهاي كوچك اوليه سازنده اين مواد پيدا مي كنند.

در فرايند قالبگيري ترموپلاستيكها هزينه هاي چند ميليون دلاري براي تجهيزات نياز است. ولي اين هزينه ها در قالبيگري باز به مراقب كمتر و با توجيه اقتصادي بيشتري همراه است. آنچه مسلم است ورود به بازار كامپوزيت با هزينه كمتري نسبت به ساير مواد امكان پذير است.

از ديگر مزاياي كامپوزيتها مي توان به موارد زير اشاره كرد:

– پايداري حرارتي خوب

– توانايي بالا در جذب انرژي ها

– ظرفيت دمپينگ بالا

– مقاومت به خستگي بالا

– هزينه پرداخت كاري پائين

1-3- محدوديتهاي كامپوزيتها

محدوديت كامپوزيتها را مي توان در موارد ذيل جمع بندي كرد.

– با وجود آنكه قوانين

ساده اي براي نمونه هاي كوچك وجود دارد. اما پيش بيني خواص نمونه هاي بزرگتر مسئله ساز بوده و از لحاظ ايمني باعث وقوع زيانهاي جدي مي گردد.

– پيچيدگي كنترل كيفيت قطعات ساخته شده از مواد مركب بويژه قطعات حساس و تحت تنشهاي مكانيكي شديد نظير قطعات هواپيما.

– طرح مهندسي ويژه كامپوزيتها، اين محدوديت بيشتر در موارد عمومي صنعتي وجود دارد، نه در تا صنايع فضايي كه در آن، طرح هاي غامض معمول مي باشد.

– محدوديت تخصصي و آموزشي در تمام سطوح در عرصه طراحي، ساخت و مصرف كامپوزيتها.

1-4- تاريخچه صنعت كامپوزيتها

استفاده ازمواد كامپوزيت طبيعي، بخشي از تكنولوژي بشر از زماني كه اولين بناهاي باستاني، كاه را براي تقويت كردن آجرهاي گلي بكار بردند بوده است.

مغولهاي قرن دوازدهم، كمانهاي پيشرفته اي را كه كوچكتر و قوي تر از ديگر وسايل مشابه بودند، ساختند. اين كمانها سازه‌هاي كامپوزيتي بوده اند كه بوسيله تركيب زردپي احشام (تاندون)، شاخ، خيزران (بامبو) و ابريشم ساخته شده بودند و با كلوفون طبيعي پيچيده مي شدند. اين كمانها از نظر قدرت 80% كمانهاي كامپوزيتي مدرن بودند….