عنوان پایان‌نامه
بهینه سازی اتصال مقاطع لوله ای فلزی توسط چند لایه های کامپوزیتی
- رشته تحصیلی
- مهندسی مکانیک طراحی کاربردی
- مقطع تحصیلی
- کارشناسی ارشد
- محل دفاع
- کتابخانه مرکزی پردیس 2 فنی شماره ثبت: 3511;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 79086;کتابخانه مرکزی پردیس 2 فنی شماره ثبت: 3511;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 79086
- تاریخ دفاع
- ۰۹ بهمن ۱۳۹۵
- دانشجو
- محسن علی یاری
- استاد راهنما
- مسعود شریعت پناهی, مجید صفرآبادی فراهانی
- چکیده
- اتصالات نقش مهمی را در برقراری ارتباط قطعات مختلف در یک مجموعه ایفا می‌کنند. یکی از روش‌های رایج انتقال مشتقات نفتی استفاده از لوله‌های فلزی می‌باشد. اکثرا مسافتی که این لوله‌ها طی می‌کنند بسیار طولانی است، از این رو اتصالات آنها امری مهم می‌باشد. اتصال مقاطع لوله فلزی را می‌توان با روش‌های مکانیکی (فلنجی) و جوشی بر قرار کرد. در چند سال اخیر استفاده از لایه‌گذاری کامپوزیت‌های پلیمری جهت تقویت اتصال این مقاطع، توسعه مناسبی یافته است. از طرفی برای بهبود عملکرد و کاهش هزینه‌های این اتصالات، بهینه‌سازی آنها امری قابل توجه است. در این پایان‌نامه بهینه‌سازی اتصال مقاطع لوله فلزی توسط چند لایه‌های کامپوزیتی تحت بار کششی و خمشی انجام گرفته است. ضخامت لایه چسبی، طول همپوشانی و ضخامت کل کامپوزیت به عنوان متغیر در اتصال تحت بار کششی و این پارامترها به علاوه زاویه لایه‌های کامپوزیت به عنوان متغیر در اتصال تحت بار خمشی برای بیشینه کردن استحکام اتصال مادامی که وزن کامپوزیت ثابت باشد، انتخاب شده‌اند. از نرم افزار آباکوس جهت مدل‌سازی و از روش کمپلکس جهت بهینه‌سازی استفاده گردید. مدل اجزاء محدود به عنوان یک اسکریپت به زبان پایتون جهت توانمند ساختن برای حل موردی نوشته شد. الگوریتم بهینه‌سازی با توانایی فراخوانی فایل اسکریپت و حل آن در آباکوس، به زبان برنامه‌نویسی متلب نوشته شد. نتایج نشان داد که بهینه‌سازی جهت حصول استحکام بالاتر اتصال، توازنی بین استحکام ناحیه چسبی و ناحیه کامپوزیتی ایجاد می‌کند. بهینه‌سازی متغیرها را طوری تغییر می‌دهد که تخریب در ناحیه چسبی و ناحیه کامپوزیتی با هم شروع شوند، که این موضوع باعث افزایش استحکام اتصال می‌شود. روشن گشت که افزایش ضخامت چسب از یک مقداری به بعد باعث کاهش استحکام می‌شود. در بارگذاری کششی مشخص شد که پوشش کامپوزیتی به علت جمع شدگی محیطی باعث تنش پوسته شدن منفی در اتصال می‌شود، که این موضوع تاحدود زیادی به استحکام ناحیه چسبی کمک می‌کند. در بارگذاری کششی افزایش ضخامت کامپوزیت و افزایش طول همپوشانی از یک مقدار موثری به بعد به علت تغییر مود تخریب تاثیری بسزایی در بهبود استحکام اتصال نداشت. در بارگذاری خمشی به علت بازشدگی کامپوزیت از پهلو، تنش پوسته شدن بر عکس بارگذاری کششی، مثبت بود. به همین علت مود تخریب درون چسبی، مود تخریب غالب اتصال بود. از این رو با افزایش طول همپوشانی (افزایش استحکام ناحیه چسبی) همواره استحکام اتصال افزایش یافت. و با توجه به این موضوع مشخص شد که زاویه لایه‌های کامپوزیت تاثیر چندانی بر استحکام اتصال ندارد. و همچنین مشخص شد که با اینکه مود تخریب در ناحیه کامپوزیتی نیست ولی افزایش ضخامت کامپوزیت باعث بهبود استحکام اتصال با شیب کم و پایدار می‌شود، که علت این موضوع صلب‌تر شدن چسبنده (کامپوزیت) بود.
- Abstract
- The joints play an important role to make a cantact between different parts in a system. Using of metal pipes is one of the common methods to transport the petroleum products. Joints of the pipes should be considered as one of the most critical parts of the design processs because of the long transportation distance. Metal pipe sections can be connected by mechanical methods (flange) and welding processes. Over the last few years, using of composite laminates has been a good development to strengthen the joints. So, it is important to optimize them to improve performance and reduce costs. In this study, the optimization of Laminated FRP/steel circular tube joints under tensile and bending load has been carried out. In the tensile load case, adhesive thickness (t_A), overlap length (L_o) and composite thickness (t_C) are considered as optimization variables and maximum allowable force is taken as the objective function to be maximized, while the weight of the joint is held constant. In bending load case, in addition to the mentioned variables, the orientation angle of composite layers are considerd as optimization variables and maximum allowable bending moment is taken as the objective function to be maximized, while the weight of the joint is held constant. Finite element method (FEM) model of the joint is carried out in Abaqus/Explicit. The FEM model has been implemented in Python scripting to provide for parametric and optimization study. Complex method is used for the optimization. The optimization algorithm whit ability to call the script file and solve it in Abaqus is written in Matlab program. The results show that the optimization balances between the adhesive strength and the composite strength to achieve higher strength of the joint. It became clear that the joint strength decreases beyond a certain value for t_A. In axial tensile load case, it was found that the composite laminate causes negative peel stress in the adhesive because of negative radial displacement of the composite. It largely helps to the strength of the adhesive zone. In this load case, it also became clear that the joint strength does not enhance significantly beyond a specific value for L_o and t_C because of changing the failure mode from the adhesive zone to composite zone and vice versa. In bending load case, peel stress in the adhesive zone and near the neutral axis had positive amount because of positive radial displacement of the composite. So, cohesive failure was the dominant failure mode. Hense, joint strength has been increased by lengthening of the overlap (strengthening of adhesive zone). It is found that orientation angle of composite layers do not have significant impact on the joint strength. It is also detected that although the failure mode is not in the composite zone, but increasing the thickness of the composite improves the joint strength continuous and with low gradient because of lifting the adherent (composite) rigidity. Keywords: adhesive joint, polymer composite, metal tube, optimization.
