اصول و مفاهیم طراحی سازه های کامپوزیتی

اصول و مفاهیم طراحی سازه های کامپوزیتی

در اصل پروسه طراحی سازه های کامپوزیتی یا اصطلاحا مرکب در حقیقت چیزی جز انتخاب بهترین ساختارها برای سازه در مقابل بارهای وارد به ان نمی باشد.

در واقع یک طراح همواره به دنبال انتخاب بهترین ( بسته به شرایط و نوع کاربرد ) می باشد . در بحث طراحی همیشه متغیر هایی مثل مقاومت . ضخامت . جنس مواد و یا فاصله های انواع سخت کننده ها وجود دارند و انتخاب بهترین مقدار برای این متغیرها باعث بهینه سازی طرح خواهد بود و سخت ترین قسمت طراحی انتخاب بهترین برای رسیدن به اهداف نهایی می باشد .
بطور مثال در طراحی شناور های پرنده مهمترین هدف رسیدن به کمترین وزن است ولی در بعضی کاربردهای دیگر مفهوم بهترین رسیدن به یک قابلیت مانور بالا و نیز تلفیقی از وزن و قیمت تمام شده طرح باشد

در واقع هدف از پروسه طراحی . پاسخ به این سوال است :
بهترین ترکیب بندی متغیرهای طراحی برای رسیدن به بهترین پیکربندی یک سازه از نوع کامپوزیت چیست؟

پروسه طراحی



در این قسمت یک روند کلی برای طراحی مواد کامپوزیتی در کاربردهای دریایی را عنوان می کنم .


قبل از هر چیزی دو تعریف را داریم :
1 انالیز :تعیین رفتار پاسخ یک سازه مشخص تحت بارهای اعمال شده
2 طراحی : پروسه تغییر و حدس ابعاد .شکل ها . و مواد برای یافتن بهترین پیکربندی سازه جهت تحمل بارهای معین و انجام وظایف مشخص ان

شاید تصور شود که انالیز یک پروسه گسترده و مشکل است اما در مقایسه با طراحی بسیار محدود و اسان است.
بر خلاف انالیز .طراحی پروسه ای است مطابق با نیازها که شامل تغییر تمام ابعاد . شکل ها و شاید مواد یک سازه می شود تا ان پیکر بندی بتواند نیروهای مشخصی را تحمل کند . وظایف مشخصی را انجام دهد . کمترین وزن و هزینه را داشته باشد و.......
چیزی که همیشه در طراحی مواد مرکب وجود دارد اینست که وزن و قیمت تا حد امکان باید پایین باشند .
کلید یک طراحی موفق توانایی در برقراری روابط مکانیکی بین پیکر بندی و کارایی طرح می باشد .بعضی از اجزا طراحی را می توان به خوبی درک کرد اما برخی دیگر خیلی شناخته شده نیستند .

اجزای مختلف طراحی عبارتند از :
امکان انالیز :اگر نتوان سازه را انالیز کرد نمی توان ان را طراحی نمود.
امکان ساخت: اگر نتوان سازه را ساخت . طرح کاملا رد است.
انتخاب مواد : ایا بهترین ماده انتخاب شده است ؟
انتخاب پیکر بندی : چه پیکر بندی های بهتر دیگری وجود دارند؟
تکنیک های اتصالات : باید بتوان اجزای مختلف را بهم متصل کرد و در کنار یکدیگر قرار داد .
بهینه سازی : ایا بهترین طراحی ممکن انجام گردیده است ؟


همانطور که قبلا به ان اشاره کردم

اولین مرحله طراحی در نظر گرفتن قابلیت های سازه و امکان انالیز ان است . زیرا اگر نتوان طرح را انالیز کرد امکان طراحی موفقیت هم وجود ندارد . طراحی یافتن سایزها و ابعاد مختلف مربوط به قطعات است لذا باید ابعاد در نظر گرفته شده توانایی تحمل بارها را داشته باند . بنابراین انالیز بصورت روابط مکانیکی بسیار لازم و ضروری می باشد .

دومین المان اصلی طراحی . جمع اوری اطلاعاتی کامل درباره امکان ساخت طرح است . بحث بعدی انتخاب مواد می باشد و اینکه ایا ماده انتخابی برای هر قطعه بهترین ماده ممکن است یا نه ؟این سوال برای کل سازه حالت جامع تری خواهد داشت . ایا این مجموعه از مواد که برای ساختن سازه انتخاب شده اند قادر هتند بهترین سازه ممکن را ایجاد کنند ؟

مرحله بعدی انتخاب پیکر بندی است . تکنیک های اتصال نیز از دیگر اجزا طراحی است . این پذیرفته نیست که مجموعه ای از اجزا یک سازه موجود باشد اما نتوان انها را به هم متصل کرد . بنابراین تکنیک های اتصال از مهمترین قسمت های مربوط به طراحی کل سازه می باشد .

انتخاب بهترین با کارایی بالا ( بهینه سازی ) اساسی ترین قسمت طراحی است تا جاییکه برای بسیاری افراد طراحی همان بهینه سازی است . چگونگی موفقیت در بهینه سازی یک سازه بستگی به تعداد متغیرهای طراحی و تکنیک های ریاضی قابل دسترسی برای انجام بهینه سازی دارد مقبولیت یک طراحی در فرایند بهینه سازی بستگی زیادی به انتخاب تابع هدف دارد . به عنوان مثال اگر تابع هدف وزن باشد طراحی بهینه ان است که وزن را مینیمم کرده باشد . هر طراحی تابعی از بسیاری از متغیر های طراحی است نظیر جهت گیری لایه ها . فاصله سخت کننده ها . طول بال سخت کننده ها و غیره

نیازهای طراحی بیانی است از این که سازه چه می خواهد باشد که می توان انها را به صورت یک فلوچارت ترسیم کرد


یکی از قسمت های دیگر پروسه طراحی انالیز است که هدف از انالیز بدست اوردن پارامترهای پاسخ و تعیین انهاست . این پارامترها عبارتند از :

تغییر شکل
نیروهای کمانش
فرکانس های طبیعی
تنش ها ( اعم از تنش های تمام حوزه و یا تنش های موضعی در نزدیکی نقصاه ها)

پس از ان باید مود های مختلف گسیختگی مشخص شده و سپس با کمیت های پاسخ مرتبط گردند. به عنوان مثال یک سازه نباید بیش از یک حد مجاز در قسمت های مختلف تغییر فرم داشته باشد . یا اینکه لازم است فرکانس های طبیعی سازه بدست ایند زیرا نباید این فرکانس ها با فرکانس تحریک سازه یکسان باشند .
تنش های تمام حوزه که گفته شد عبارتند از :
تنش های غشایی
تنش های خمشی
تنش های بین لایه ایی
و.....

علاوهخ بر این لازم است تا اتصالات نیز مورد بررسی قرار گیرند تا از انتقال نیرو بین اجزا سازه اطمینان حاصل شود .

سپس باید یک انالیز شکست کامل بر روی سازه انجام داد . در این پروسه پارامترهای پاسخ مختلفی که قبلا بدست امده اند با مقادیر مجازشان مقایسه می شود تا معلوم شود که طراحی تا چه حد رضایت بخش بوده است و برای قابل قبول بودن محدوده پاسخ ها

1: تغییر شکل ها خیلی زیادند؟
2: نیروهای کمانش خیلی زیادند ؟
3: فرکانس های طبیعی نزدیک فرکانس فزکانس تشدید می باشند ؟
4: ایا تنش ها از حد استحکام کمترند ؟

اگر تمام پارامترهی پاسخ بدست امده مورد قبول باشند به این معنی است که نیازهای طراحی براورده شده است .
در هنگام انالیز باید از ضریب اطمینان مناسب بهره برد . این ضریب اطمینان برای تنش های زیاد تغییر شکل های زیاد . نیروهای کمانش . فرکانس های طبیعی به منظور عدم ایجاد تشدید و غیره اعمال می شود . ضرایب اطمینان برای انواع شکست مقادیری بسیار متفاوت می توانند داشته باشند که بستگی به نوع شکست دارد .

ضرایب اطمینان برای مواد کامپوزیتی در قیاس با مواد فلزی بسیار متفاوتند .به عنوان مثال ضریب اطمینان ظرفیت تحمل بار برای بست های یک اتصال پرچی کامپوزیتی بسیار متفاوت از اتصال پرچی فلزات است زیرا قابلیت تحمل تنش لهیدگی در کامپوزیت ها کمتر از فلزات است در اینصورت تمرکز تنش بیشتری نسیبت به فلزات در اطراف یک سوراخ در مواد کامپوزیتی پیش می اید.

پیکر بندی مجدد سازه را می توان بصورت ساده با تغییر تعدادی از نتغیر های طراحی نظیر ضامت . جهت گیری الیاف . ابعاد سخت کنندها .... در نظر گرفت که این روند جهت دست یابی به سازه ای مناسبتر انجام می گیرد. البته واژه مناسبتر ممکن است به دو معنی کاربرد داشته باشد .

اول اینکه سازه دارای توانایی کمی باشد و نتواند بطور کامل نیروها و بارهای وارده را تحمل کند در این صورت هنوز طراحی کامل نیست و پیکر بند مجدد به منظور تکمیل سازه انجام می گیرد.
دوم اینکه گاهی قابلیت های سازه بالاتر از حد مورد نیاز باشد که در این صورت بمنظور کم کردنقابلیت های ان و به عبارت بهتر بهینه کردن ان پیکر بندی مجدد صورت پذیرد.

بطور کلی در یک روند طراحی سازه کامپوزیتی باید موارد گوناگونی را به طور پیوسته تکرار کرد تا به طرح مطلوب دست یافت که این موارد عبارتد از :

1:تحلیل نیروهای وارد بر سازه
2:تحلیل تنش ها و جابجای ها
3:تحلیل گسیختگی ها
4:تصحیح عملیات طراحی ( چک کردن مجدد پارامترهای هندسی . تغییر مواد بکار رفته در سازه . اصلاح پارامترهای هندسی و خواص مواد )

در قسمت های بعد اهداف طراحی و پارامترهای موثر را شروع می کنم.

اهداف طراحی و پارامترهای موثر بر ان



در هنگام طراحی سازه های کامپوزیتی اولین سوالاتی که ذهن طراح را مشغول می کند عبارتند از :

1: سازه باید چه کاری انجام دهد ؟
2: سازه چگونه باید باشد ؟

موارد بالا اهداف طراحی نامیده می شوند . در حقیقت اهداف طراحی همان انتظارات ما از سازه هستند . اهداف اساسی در طراحی بصورت وظیفه . قیمت و وزن بیان می شوند .

وظیفه : مجموعه عملکردها و انتظاراتی است که یک سازه حتما باید انجام دهد .

قیمت : هزینه تمام شده سازه در طول عمر ان است .یهنی قیمت ابتدایی ان به علاوه هزینه های تعمیر و نگهداری و همچنین هزینه های هنگام کار ان .

وزن : به عنوان مشخصه سازه است که البته ممکن است به عنوان یک پارامتر مهم باشد .

مثلا برای یک هاور کرافت یا قایق پرنده وزن بسیار اهمیت دارد . وظیفه ممکن است معانی مختلفی پیدا کند اما هزینه و وزن فقط تعابیر مربوط به خود را دارند .
گاهی اوقات ممکن است بهینه سازی بر اساس سه هدف مشخص انجام پذیرد مثلا برای وزن کم . سرعت بالا و هزینه مناسب اما بسیاری مواقع نیز پیش می اید که باید برای بهینه کردن یک هدف مهم تر از برخی اهداف دیگر باید اندکی چشم پوشی کرد . مثلا برای سرعت بالا . وزن کم ولی هزینه نسبتا زیاد .

مبحث انتخاب مواد و فاکتورهای ان بطور کلی به سه بخش تقسیم می شوند :

1:فاکتورهای کلی که به انتخاب ماده کامپوزیتی باز می گردد.
2:فاکتورهای انتخاب الیاف .
3:فاکتورهای انتخاب ماتریس

فاکتورهای انتخاب مواد که باید در نظر گرفته شوند تقریبا شناخته شده هستند . این فاکتورها معادل همان فاکتورهایی هستند که در انتخاب مواد فلزی نیز کاربرد دارند و عبارتند از :

• استحکام
• سختی
• عمر خستگی
• چقرمگی
• قیمت
• وابستگی به درجه حرارت
• مقاومت سایشی
• مقاومت در برابر خوردگی
• رسانایی الکتریکی و یا حرارتی
• عایق صوتی و یا حرارتی

و.....

فاکتورهای اولیه و مهم در طراحی سازه ها مقاومت و سختی می باشند . و فاکتور وزن نیز از اهمیت بسیار بالایی برخوردار است . بنابراین فاکتورهای مقاومت نسبت به وزن و سختی نسبت به وزن مهمترین محرک های طراحی می باشند .


اهداف طراحی و پارامترهای موثر بر ان

چقرمگی یک ماده در سازه هایی که در انها بارهای ضربه ای وجود دارد از اهمیت زیادی برخوردار است . برای موادی که در مجاورت گستره ای وسیع از درجه حرارت های مختلف هستند . فاکتور وابستگی به دما اهمیت پیدا می کند . بدین ترتیب مشاهده می شود که علاوه بر فاکتورهای نسبتا اصلی مقاومت و سختی . برحسب شرایط کاری ماده و انتظارات طراحی برخی فاکتورهای دیگر نیز به عنوان محرک طراحی در نظر گرفته می شوند .

الیاف معمولا جز غالب در مواد کامپوزیتی تقویت شده الیافی هستند . بنابراین الیاف نقش مهمی در طراحی مناسب لایه ها ایفا می کنند .
از انجا که مهمترین ویژگی الیاف افزایش مقاومت و سختی در جهت مورد استفاده شان است . برای طراحی یک لایه باید الیاف را در تمام جهت هایی که نیاز به استحکام بالا است بکار برد . همچنین بدلیل این خاصیت مهم الیاف طراحی انها بسیار اسان می شود. اما بکارگیری فاکتورهای دیگر به محاسبات بیشتر نیاز مند است .
انتخاب ماتریس مناسب برای یک ماده کامپوزیتی بسیار مهم است و فاکتورهای زیادی را شامل می شود . زیرا ماتریس معمولا جز ضعیف یک ماده کامپوزیتی دوفازی است و باید به ان توجه ویژه نمود .

برخی از فاکتورهای انتخاب ماتریس عبارتند از :
قابلیت ماتریس برای مرطوب سازی الیاف ( که تاثیر بسزایی در افزایش مقاومت اثرات متقابل الیاف در ماتریس دارد .)
سادگی در ساخت
خواص نهایی لایه ها
محدودیت حرارتی
حداکثر افزایش طول
میزان کرنش قبل از شکست
مقاومت در برابر عوامل محیطی
چگالی
قیمت

اگر درجه حرارت بالا و سایر عوامل و شرایط محیطی در طراحی مد نظر طراح نباشد ماتریس های پلیمری اجزا بسیار مناسبی محسوب می شوند . به همین دلیل است که پلیمرها هم اکنون در مواد کامپوزیتی بسیار مورد استفاده هستند که در حقیقت اینگونه کاربردها کاربردهای معمول مواد کامپوزیتی هستند.

کامپوزیتها با ماتریس های پلیمری شامل گستره زیادی از مواد مختلف می شوند ولی رایج ترین پلیمر مورد استفاده اپوکسی می باشد . همچنین از پلیمرهای وینیل استر و پلی استر نیز بسیار استفاده می شود .

پروسه انتخاب ترکیب مناسب از الیاف و ماتریس ها با یکدیگر برای یک استفاده خاص بسیار مشکل و پیچیده است . البته برای برخی موارد خاص طراحی می توان اساس را بر الیاف یا ماتریس قرار داد و ماده مورد نظر را طراحی کرد .اما در حالت کلی نمی توان تحلیل دقیقی از ترکیب الیاف و ماتریس ارائه داد .

در مبحث بعدی استفاده از تقویت کننده ها را شروع می کنم .

استفاده از تقویت کننده ها


ساده ترین طراحی .استفاده از سازه های تک پوسته ای است . در اینصورت سازه ممکن است بسیار حجیم یا بسیار سنگین و در نتیجه گران قیمت شود . یک طراح خوب می تواند در سازه از انواع سخت کننده ها استفاده کند در اینصورت او ضمن مقاوم کردن سازه در هزینه و وزن صزفه جویی کرده است .
برای استفاده از سخت کنندها شناخت انها لازم است .
اکثر سخت کننده های فلزی دارای اشکال منظمی هستند و معمولا ضخامت ثابتی دارند مگر در مواردی که ماشین کاری شوند . اما با مواد کامپوزیتی این یکنواختی لازم نیست . در واقع به دلیل تفاوت پروسه ساخت مواد فلزی با کامپوزیتی می توان به راحتی اشکال نامنظم و غیر یکنواخت خلق کرد .