عنوان پایان‌نامه
شناسایی پارامترهای مختلف تاثیرگذار بر خواص مکانیکی مخازن تولیدشده به روش پیچش الیاف
- رشته تحصیلی
- مهندسی هوافضا - سازمان های هوافضایی
- مقطع تحصیلی
- کارشناسی ارشد
- محل دفاع
- کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 62505;کتابخانه دانشکده علوم و فنون نوین شماره ثبت: 1
- تاریخ دفاع
- ۱۴ بهمن ۱۳۹۲
- دانشجو
- سیدهادی حسام سادات
- استاد راهنما
- مهدی فکور ثقیه, رهام رفیعی
- چکیده
- در سال‌های اخیر استفاده از مواد مرکب چند لایه در ساخت ساز‌ه‌های مکانیکی، فضایی، دریایی و خودروسازی افزایش یافته است. این مواد به علت استحکام و سفتی بالایی که در واحد وزن برخورداراند و به علت تنوع در چیدمان لایه¬های الیاف با زوایای متفاوت، که می‌تواند رفتار این صفحات را با توجه به نیازمندی¬های طراحی تغییر دهد، به شدت مورد توجه صنعت قرار گرفته است. در کنار این قابلیتهای ویژه، رفتار کامپوزیتها رفتاری ارتوتروپیک است که موجب پیچیده¬تر شدن روابط و طبعاً روند تحلیل و طراحی آنها در مقایسه با مواد معمول فلزی می‌گردد. یکی از زمینه‌های پر رونق استفاده از کامپوزیتها، تولید مخازن و لوله‌ها با اقطار مختلف با استفاده از مواد کامپوزیتی است. مخازن و لوله‌ها کامپوزیتی که متشکل از الیاف شیشه و رزین‌های ترموست می‌باشند، ساختاری محکم، مقاوم به خوردگی و وزن کم را فراهم می‌کنند که به عنوان جایگزین بسیار مناسبی برای مخازن و لوله‌های فلزی و بتونی مطرح می‌شوند. مهمترین ویژگی و خصوصیت مخازن و لوله¬ها کامپوزیتی که باعث رونق آنها در ذخیره¬سازی و خطوط انتقال سیالات مختلف شده است، مقاومت به پدیده خوردگی ناشی از سیالات (مایعات و گازها) در هر دو جداره داخلی و خارجی است. مخازن و لوله های کامپوزیتی به علت ساختار پلیمری خود کاملاً نسبت به این پدیده ایمن هستند. استحکام بسیار بالا برای تحمل فشارهای بالا به همراه وزن کم، حذف هزینه¬های سنگین تعمیر و نگهداری مخازن و لوله¬ها خورده شده انتقال دهنده و نگهدارنده‌‌ی نفت یا گاز و خسارات ایجاد شده از قطع سرویس به مراکز صنعتی، مهمترین عواملی است که باعث شده است تا مخازن و لوله¬های کامپوزیتی گوی سبقت را از سایر رقبای سنتی خود بربایند. با در نظر گرفتن این امر که پارامترهای مهم طراحی از جمله تعداد لایه‌ها، ترتیب قرارگیری آنها، زاویه پیچش الیاف در لایه‌ها، ضخامت، تعداد رشته‌های الیاف، میزان کسر حجمی الیاف و الیاف در لایه‌های کامپوزیتی، اثرات جذب رطوبت و قرار گرفتن در معرض دمای بالا، میزان کشش الیاف در حین تولید و خواص مکانیکی الیاف و رزین مورد استفاده، الگوی بافت الیاف، مدت زمان پخت رزین، تاثیر مستقیم بر روی خواص نهایی لوله و مخازن از جمله پایایی هیدرواستاتیکی، استحکام طولی، استحکام محیطی و میزان سفتی دارد، با توجه به تعدد پارامترهای مؤثر بر خواص مکانیکی تمامی مطالعات و تحقیقات انجام شده در مسیر تمرکز بر یک پارامتر خاص بوده و از جامعیت کافی برخوردار نمی¬باشد. پس از شناسایی پارامترها، فرآیند مذکور تمامی متغیرها و پارامترهای مؤثر ورودی را در یک فرآیند یکپارچه در خود لحاظ نموده، خروجی‌های مورد نظر را به طراح ارائه نماید. بدین ترتیب می‌توان تاثیر پارامترهای مختلف را بر روی خواص نهایی محصول بررسی و به طراحی بهینه مبادرت ورزید، از طرفی با توسعه این فرآیند، از نیازمندی برای انجام آزمون‌های مخرب کاسته خواهد شد. لذا هدف اصلی این طرح توسعه فرآیند یکپارچه طراحی سازه‌ای لوله و مخازن به روش پیچش الیاف می‌باشد که در آن با در نظر گرفتن تمامی قیود طراحی، طراح می‌تواند طرح‌های متنوعی را مورد ارزیابی قرار داده و در نهایت طرح بهینه را انتخاب نماید. شایان ذکر است ، با علم بر این موضوع که مقادیر پیش فرض لحاظ شده برای پارامترهای طراحی در حین فرایند تولید ممکن است تحت تاثیر شرایط تولید مقادیری دچار تغییر گردد و بدین ترتیب، در اثر عدم‌قطعیت ناشی از تولید نتایج حاصل با نتایجی که پیش بینی می¬شد متفاوت باشد. از این رو به منظور رفع این نقیصه در این طرح که در یک فرآیند جامع تمامی پارامترها را وارد می‌نماید، متغیرهای تصادفی در حین تولید، شناسایی گردیده و به صورت تصادفی در مدلسازی وارد می‌شوند. در این تحقیق علاوه بر توسعه فرآیند یکپارچه طراحی سازه‌ای لوله و مخازن کامپوزیتی، تحلیل تنش لایه‌های مختلف بر اساس توسعه یک حل تحلیلی و پرهیز از روش زمان‌گیر تحلیل المان محدود که برای هر مدلی می‌بایستی از ابتدا مراحل تکرار شود، بررسی تاثیر بر روی خواص مکانیکی مخازن، آنالیز حساسیت لوله و مخزن به متغیرهای ورودی، تحلیل تصادفی به منظور وارد کردن اثر واقعی پارامترهایی که در حین تولید دستخوش تغییر می‌شوند و پیش‌بینی قیود تعیین شده توسط استاندارد طراحی با استفاده از مدلسازی به منظور کاهش هزینه ساخت نمونه پرداخته خواهد شد. نتایج حاصل از این تحقیق در درک صحیح از تاثیر پارامترهای طراحی و به خصوص تولید بر روی خواص مکانیکی نهایی، کاهش مصرف مواد اولیه در تولید و بهینه سازی طراحی سازه با تغییر پارامترهای موثر در تولید و نیز کاهش هزینه‌های سنگین نمونه‌سازی و آزمون‌های مخرب با توسعه فرآیند یکپارچه طراحی و تخمین پارامترهای طراحی نقش بسزایی خواهد داشت.
- Abstract
- Composite pipes consist of multi-layered filament-wound structures in which each layer is assumed as anisotropy. Composite pipes are used regarding to their better mechanical properties like stiffer, more strength, less weight and their thermal, moisture and corrosion resistance which are not found all together inhomogeneous materials such as metals. Currently scheduled process for the design of composite pipes, vessels and instruments does not exist and in most cases will lead to Non-optimal Product. In this study with detecting the efficient parameters on the mechanical characteristics of the cylindrical structures, manufacturing process and the cylindrical part of the composite stores with considering the constraints will improve with integrated and systematic process. Considering the fact that numerous parameters e.g. Number of layers, sequence of layers, fiber winding angle, fiber volume fraction, fiber tension rate in manufacturing process, fiber tissue pattern, resin curing time, have direct influence on the final characteristics (as hydrostatic stability, axial strength, hoop strength and stiffness rates) of stores and manufactured vessels by filament wound method, after evaluating these parameters this process will consider all the variables and input parameters in an integrated process and desired outputs would be recommended for manufacturers. By developing the integrated process and considering the design constraints the optimized plan would be prepared. In this study knowing that the included default values for design parameters might be changed by manufacturing conditions and therefore the obtained results may be different from predicted results from the uncertainty of production. As a result, to solve this problem in the plan which includes all the parameters in the comprehensive process, random parameters would be detected in the manufacturing process and be entered randomly into the modeling. In this regard after developing the process by evaluating the effect of parameters on the scope of sensibility analysis and prioritizing them, the modeling would be carried out considering the random variables to obtain a clear image of the final product and variation rate in mechanical properties which is because of lack of finality of the manufacturing process. Keywords: Composite pipes; first ply failure; winding angle; fiber volume fraction; Stochastice Analysis
