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

فصل اول مقدمه ای در مورد مواد کامپوزیت می باشد.

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

در فصل سوم الیاف و تقویت کننده های پر کاربرد در ساخت کامپوزیتها بررسی شده است.

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

فصل پنجم به کاربرد کامپوزیتها در صنایع مختلف اختصاص یافته است.

در فصل ششم مقدمه ای از تئوری حاکم برمواد مرکب و پیش بینی رفتار شکست این مواد می باشد.

در فصل هفتم معادلات حاکم بر کمانش ورقهای کامپوزیت و معادلات تعادل آنها ارائه شده است.

پدیده کمانش در مورد بسیاری از سازه ها و جزء های تحت تاثیر نیروی فشاری مطرح می باشد. برخلاف تیرها که پس از کمانش بدون تحمل بار زیادی دچار تسلیم می شوند، ورقها می توانند پس از وقوع کمانش در مواردی تا چندین برابر بار کمانش را تحمل کنند. 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 کمانش مواد مرکب در نرم افزار ANSYS پرداخته شده است. در ادامه، تحلیل گام به گام کمانش ورقهای مرکب و معرفی دستورات مربوط به هر مرحله صورت گرفته است.

در فصل دهم نتایج بدست آمده از 60 مورد تحلیل کمانش 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 کار پژوهش آمده است.

فهرست مطالب

چکیده

فصل اول: مقدمه ای بر مواد مرکب

1-1- کامپوزیت چیست؟......................... 2

1-2- مزایای کامپوزیتها...................... 4

1-3- محدودیتهای کامپوزیتها.................. 7

1-4- تاریخچه صنعت کامپوزیتها................ 8

1-5- فازهای کامپوزیتی و تقسیم بندی کامپوزیتها10

1-6- خواص کامپوزیتها........................ 12

1-7- مقاومت کامپوزیتهای 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 ترموپلاستیک (گرما نرم).......... 20

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

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

2-7- رزینهای اپوکسی......................... 23

2-8- معایب رزینهای اپوکسی................... 24

2-9- تقسیم بندی انواع تجاری رزینهای اپوکسی.. 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 فنولیک........................ 29

2-15- خواص و کاربردهای رزینهای فنولیک....... 30

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

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

فصل سوم: الیاف (تقویت کننده ها)

3-1- تقویت کننده ها......................... 33

3-2- تقویت کننده 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 کاربرد الیاف بور............... 43

3-12- الیاف سیلیکون کاربید.................. 44

3-13- الیاف سیلسیم کاربید................... 44

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

3-15- الیاف کربن وگرافیت.................... 46

3-16- الیاف کربن............................ 46

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

3-18- کامپوزیتهای کربن و گرافیت............. 48

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

3-20- بحث میکروسکوپی در مورد الیاف کربن..... 49

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

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

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

3-24- الیاف سرامیکی......................... 52

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

عنوان صفحه

فصل چهارم: ساخت مواد مرکب

4-1- فرایندهای ساخت کامپوزیتها.............. 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 بکار 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 کششی.............................. 69

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

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

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

فصل پنجم: کاربرد کامپوزیتها

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

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

5-3- استفاده از مواد کامپوزیت در ساخت تانکهای جنگی و سلاح 81

5-4- کاربرد کامپوزیتها در صنایع هوا فضا..... 82

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

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

5-7- کاربرد کامپوزیتها در واحدهای شیمیایی... 86

5-8- کامپوزیتها درصنعت دریایی............... 88

5-9- صنایع الکتریکی......................... 88

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

فصل ششم: تئوری حاکم بر مواد مرکب

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

عنوان صفحه

6-2- رفتار ماکرومکانیک یک لایه............... 91

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

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

6-5- استحکام در مواد مرکب................... 96

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

6-7- تئوری تنش حداکثر....................... 97

6-8- معیار کرنش حداکثر...................... 98

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

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

فصل هفتم: کمانش 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 کوتاه بر روش المان محدود و نرم افزار ANSYS128

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

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

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

8-8- معرفی توابع شکل برای یک المان خطی...... 134

8-9- خواص توابع شکل......................... 145

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

فصل نهم: مدل سازی مواد مرکب در ANSYS 5.4

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

9-2- مدل سازی مواد مرکب 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 مرکب 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 کمانش در نرم افزار ANSYS.... 145

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

9-12- نکاتی در مورد تحلیل کمانش............. 148

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

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

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

فصل دهم: نتایج

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

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

فصل یازدهم: نتیجه گیری و پیشنهاد برای ادامه کار

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

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

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

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

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

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

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

فهرست اشکال

عنوان صفحه

فصل اول: مقدمه ای بر مواد مرکب

شکل 1-1: انواع مختلف کامپوزیتها............. 12

شکل 1-2: نمودارهای تنش- کرنش در زوایای مختلف13

شکل 1-3: انواع مختلف تقویت کننده ها......... 15

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

فصل سوم: الیاف (تقویت کننده ها)

شکل3-1: تنش- کرنش برای تقویت کنندگان مختلف.. 35

شکل3-2: تصاویر میکروسکوپی از الیاف برون اپوکسی42

شکل 3-3: شکل الیاف مختلف.................... 54

فصل چهارم: ساخت مواد مرکب

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

شکل 4-2: شماتیک دستگاه بافت فیلامنت.......... 64

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

شکل 4-4: ماشین آلات بکار رفته در روش BMC..... 66

شکل 4-5: ماشین آلات بکار رفته در روش SMC..... 67

شکل 4-6: روش کششی........................... 69

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

شکل 4-8: ماشین آلات بکار رفته در روش RTM..... 76

فصل پنجم: کاربرد کامپوزیتها

شکل 5-1: کاربرد کامپوزیتها در بوئینگ 737-30082

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

شکل 5-3: کاربرد کامپوزیتها در موتور راکتها.. 85

فصل هفتم: کمانش پوسته هاو مباحث تئوری مربوط به آن

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

شکل 7-2: برایندهای تنش و ممان بر روی یک المان از ورق 110

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

عنوان صفحه

شکل 7-4: کوتاه شدگی لبه های ورق............. 117

فصل هشتم: آشنایی با المان محدود و نرم افزار ANSYS

شکل 8-1: کاربرد اولیه المان محدود........... 130

شکل 8-2: مدل سازی تیر مخروطی تحت کشش به فنرهای سری130

شکل 8-3: تقسیم یک ناحیه به مناطق کوچکتر (گره ها و المانها)133

فصل نهم: مدل سازی مواد مرکب در ANSYS 5.4

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

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

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

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

شکل 9-5: استفاده از Smart Size برای ریز کردن مش بندی 146

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

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

شکل 9-8: منوی ویژگیهای مکانیکی.............. 151

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

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

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

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

شکل 9-13: ورق مش بندی شده از نمای ایزومتریک. 156

شکل 9-14: فعال کردن منوی محاسبه ماتریس سختی. 158

فصل دهم: نتایج

شکل 10-1: نمای روبرو- مود اول کمانش- کولار اپوکسی 172

شکل 10-2: نمای ایزومتریک- مود اول کمانش- کولار اپوکسی 172

شکل 10-3: معادله رویه کمانش داده در مد اول.. 173

شکل 10-4: نمای روبرو- مود دوم کمانش- کولار اپوکسی 174

شکل 10-5: نمای ایزومتریک- مود دوم کمانش- کولار اپوکسی 174

شکل 10-6: معادله رویه کمانش داده در مود دوم. 175

شکل 10-7: معادله رویه کمانش داده در مود دوم. 176

عنوان صفحه

شکل 10-8: معادله رویه کمانش داده در مود دوم. 177

شکل 10-9: نمای روبرو- مود سوم کمانش- کولار اپوکسی 178

شکل 10-10: نمای ایرومتریک- مود سوم کمانش- کولار اپوکسی 178

شکل 10-11: نمایش رویه کمانش داده در مد سوم.. 179

شکل 10-12: نمایش رویه کمانش داده در مد سوم.. 180

شکل 10-13: نمایش رویه کمانش داده در مد سوم.. 181

شکل 10-14: نمای روبرو- مد چهارم کمانش- کولار اپوکسی182

شکل 10-15: نمای ایزومتریک- مد چهارم کمانش- کولار اپوکسی182

شکل 10-16: معادله روی کمانش داده در مد چهارم183

شکل 10-17: معادله روی کمانش داده در مد چهارم184

شکل 10-18: معادله روی کمانش داده در مد چهارم185

فهرست جداول

عنوان صفحه

فصل سوم: الیاف (تقویت کننده 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 استحکام 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 کربن........... 47

جدول 3-7: مهمترین خصوصیات تقویت کننده های با کارایی بالا 53

فصل پنجم: کاربرد کامپوزیتها

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

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

فصل دهم: نتایج

جدول 10-1: ویژگیهای مکانیکی کامپوزیتها...... 170

فصل یازدهم: نتیجه گیری و پیشنهاد برای ارائه کار

جدول 11-1: مقایسه بارهای کمانش برای چهار ماده مرکب 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 کمانش.. 252