مقاله طراحی وآنالیز یک سازه جدید برای بهبود ضربه پذیری مخازن گاز طبیعی فشرده رشته مکانیک

- تغيير در هندسه و ساختار كپسول، به عنوان مثال استفاده از ساختار .[ لانه زنبوري[ ۳ در ادامه بطور خلاصه اين روشها را مورد بررسي قرار مي دهيم:

(Composite Materials)

۱- استفاده از مواد مركب

مواد كامپوزيتي امروزه در ساخت سازه هاي مختلف كاربردهاي فراواني پيدا كرده اند. در دهه ۱

۹۶۰ سيلندرهاي كامپوزيتي براي صنايع فضايي ساخته شدند و از سال ۱۹۹۲ براي ذخيره گاز طبيعي فشرده در صنايع خودرو آلومينيوم و (Liner) سازي بكار مي روند. اين كپسولها معمولاً از لاينر پيچيدن الياف كربن، فايبر گلاس، كولار يا ديگر فيبرهاي آراميد با رزين .[ اپوكسي روي لاينر ساخته مي شوند[ ۴ نسبت به فلزات CNG استفاده از مواد كامپوزيت در ساخت كپسول گاز معمولي نظير فولاد مزايايي دارد كه به چند نمونه از آنها اشاره مي كنيم: الف- در مسائل حمل و نقل وزن نقش تعيين كننده اي دارد. با استفاده از

مواد كامپوزيت مي توان حتي تا

% ۷۰ وزن را کاهش داد. ب- قابليت تحمل فشارهاي بالا به گونه اي كه برخي از اين كپسولها ۱۰۰۰۰ را تحمل نمايند. psi مي توانند حتي تا فشار ج - با توجه به هندسه خاص اين استراكچر ساده ترين روش براي ساخت آن مي باشد كه زمان توليد آن (Filament-Winding) روش پيچش الياف خيلي كمتر از حالتي است كه از فولاد استفاده مي شود. د- با استفاده از كپسول كامپوزيتي مي توان امكان انفجار در آتش سوزي را كاهش داد.

- مواد كامپوزيتي مقاومت بسيار خوبي در برابر ضربه دارند. مطالعاتي كه بر روي استراكچرهاي Bert-and-Birman در سال ۱۹۹۸ توسط كامپوزيتي غير مسطح انجام شد نشان داد كه ميزان انرژي جذب شده در

خيلي بيشتر از مواد (

CFRP واحد جرم براي كامپوزيتها (به عنوان مثال .[ فلزي مانند آلومينيوم و فولاد است

عوامل مختلفي در ميزان انر

ژي جذب شده توسط مواد كامپوزيتي موثرند كه عبارتند از:

و ماتري

س در جذب انرژي (Fiber) نوع مواد فيبر :(Materials) الف) مواد در سال ۱۹۸۳ Farley در سال ۱۹۷۹ و Thornton . تاثير مستقيم دارد ساخته carbon-epoxy نشان دادند سيلندرهايي كه از ماده كامپوزيتي

glass-expoxy

و aramid-epoxy شده اند انرژي بيشتري را نسبت به .[۷ ،۶ ، جذب مي كنند[ ۵ ب) طراحي لايه ها

مي دهد زاويه پي

چش الياف در ساخت ماده كامپوزيتي بر ميزان جذب ضربه در سال ۱۹۸۲ نشان دادند Edwards-and-Thornton . موثر است ۴۵ ) مي باشد، مشخصه جذب /۴۵)n سيلندرهايي كه زاويه پيچش الياف آنها .[۸ ، ۰) دارند [ ۵ /۹۰)n انرژي كمتري نسبت به حال در سال ۱۹۷۹ نشان داد مشخصه جذب انرژي در Thornton : ج) دما سيلندرهاي كامپوزيتي كربن و شيشه با افزايش دما (بالاي صفر) كاهش .[۶ ، مي يابد [

مشخ

صات هندسي از قبيل :(Structural Geometry) د) هندسه استراكچر ضخامت ديواره، طول و قطر ميانگين، در ظرفيت جذب انرژي سيلندرها .[ موثرند [ ۵

عملكرد سيلندرهاي كامپوزيتي در تست ضربه

براي مقايسه ميزان جذب ضربه توس

سپر اتومبيل با آن برخورد كند (شكل ۱

- الف). اتومبيل حركت مي كند و در ۱۴۴ مي باشد. kj ۶۵ و انرژي جنبشي km/hr هنگام برخورد داراي سرعت همانگونه كه در شكل ( ۱- ب) نشان داده شده است برخورد اتومبيل به ديواره سيلندر صدمه وارد مي كند اما انفجار صورت نمي گيرد، در حالي كه اتومبيل كاملا آسيب مي بيند. پس از برخورد، تست گسيختگي هيدروليكي انجام شد كه مشاهده گرديد گسيختگي در قسمت استوانه اي كپسول (از جايي كه در تست برخورد صدمه ديده است) اتفاق مي افتد. اما فشار

۷۰۰ مي باشد، در حالي كه حداكثر فشار قابل تحمل bar گسيختگي ۱۴۴ انرژي kj ۱۷۵۰ بوده است. بنابراين ملاحظه مي شود جذب bar كپسول .[ توسط كپسول تاثير چنداني بر مقاومت مكانيكي كپسول نداشته است

شكل ( ۱): (الف) تست شبيه سازي برخورد اتومبيل، (ب) كپسول

پس از تست برخورد

(Foam)

۲- استفاده از فوم

مواد اسفنجي (متال فوم، پليمر فوم) داراي يك رفتار تغيير شكل

غيرخطي ويژه اي هستند كه باعث استفاده از آنها در كاربردهاي مختلف شده است. اين مواد در ساختار خود داراي حفره هاي هوا مي باشند كه اگر شكل و اندازه حفره ها داراي توزيع يكنواختي باشد، كاملاً ايزوتروپيك و همگن خواهند

بود. همان گونه كه در شكل ( ۲) مشاهده مي كنيد، متال فوم وقتي تحت فشار قرار مي گيرند سه ناحيه تغيير شكل مجزا دارند: الف

- ناحيه تغيير شكل الاستيك ب- ناحيه تغيير شكل پلاستيك ج - افزايش دانسيته فوم در اثر فشار و از بين رفتن حفره هاي هوا باعث سخت تر شدن ساختار فوم مي شود كه اين سخت شدگي بستگي به دانسيته اوليه فوم و نوع ماده تشكيل دهنده آن دارد. تحقيقات نشان مي دهد كه اين مواد در واحد جرم انرژي بيشتري را نسبت به فلزات معمولي جذب مي كنند و اين امر باعث شده تا در سازه هاي مختلف به عنوان ماده مقاوم در برابر ضربه استفاده شوند. ميزان جذب انرژي به

عواملي مانند دانسيته اوليه فوم، دانسيته مواد تشكيل دهنده، تنش بحراني و سرعت انتشار صوت

كامپوزيتي آن از اليا

ف كربن ساخته شده و يك لايه مقاوم در برابر ضربه در قسمت خارجي آن وجود دارد. همچنين در ناحيه كروي آن براي مقاومت در .[ برابر ضربه از فوم استفاده شده است [ ۳

شكل ( ۲) : رفتار تغيير شكل آلومينيوم فوم تحت فشار

ب) طراحي لايه ها

مي دهد زاويه پي

چش الياف در ساخت ماده كامپوزيتي بر ميزان جذب ضربه در سال ۱۹۸۲ نشان دادند Edwards-and-Thornton . موثر است ۴۵ ) مي باشد، مشخصه جذب /۴۵)n سيلندرهايي كه زاويه پيچش الياف آنها

[۸ ، ۰) دارند [ ۵ /۹۰)n انرژي كمتري نسبت به حال در سال ۱۹۷۹ نشان داد مشخصه جذب انرژي در Thornton : ج) دما سيلندرهاي كامپوزيتي كربن و شيشه با افزايش دما (بالاي صفر) كاهش .[۶ ، مي يابد [ ۵

مشخ

عملكرد سيلندرهاي كامپوزيتي در تست ضربه

براي مقايسه ميزان جذب ضربه توس

ط سيلندرهاي كامپوزيتي، تست شبيه سازي برخورد اتومبيل انجام مي شود. به عنوان مثال تست زير: سيلندر مورد آزمايش يك سيلندر كامپوزيتي مي باشد كه با لاينر آلومينيوم، الياف كربن و رزين اپوكسي ساخته شده است و حداكثر مي تواند فشار۹ است كه براي ذخيره گاز dm³ ۱۷۵۰ را تحمل كند. حجم اين سيلندر bar۷۰۰ بكار مي رود. سيلندر به صورت افقي روي bar نيتروژن در فشار كاري يك بلوك سنگين بتني ثابت شده و ارتفاع آن به گونه اي تنظيم مي شود كه سپر اتومبيل با آن برخورد كند (شكل ۱ - الف). اتومبيل حركت مي كند و در ۱۴۴ مي باشد. kj ۶۵ و انرژي جنبشي km/hr هنگام برخورد داراي سرعت همانگونه كه در شكل ( ۱- ب) نشان داده شده است برخورد اتومبيل به

ديواره سيلندر صدمه وارد مي كند اما انفجار صورت نمي گيرد، در حالي كه اتومبيل كاملا آسي

ب مي بيند. پس از برخورد، تست گسيختگي هيدروليكي انجام شد كه مشاهده گرديد گسيختگي در قسمت استوانه اي كپسول (از جايي كه در تست برخورد صدمه ديده است) اتفاق مي افتد. اما فشار

۷۰۰ مي باشد، در حالي كه حداكثر فشار قابل تحمل bar گسيختگي ۱۴۴ انرژي kj ۱۷۵۰ بوده است. بنابراين ملاحظه مي شود جذب bar كپسول .[ توسط كپسول تاثير چنداني بر مقاومت مكانيكي كپسول نداشته است [ ۹ (الف)

شكل ( ۱): (الف) تست شبيه سازي برخورد اتومبيل، (ب) كپسول

پس از تست برخورد

(Foam)

۲- استفاده از فوم

مواد اسفنجي (متال فوم، پليمر فوم) داراي يك رفتار تغيير شكل

تحقيقات نشان مي دهد كه اين مواد در واحد جرم انر

ژي بيشتري را نسبت به فلزات معمولي جذب مي كنند و اين امر باعث شده تا در سازه هاي مختلف به عنوان ماده مقاوم در برابر ضربه استفاده شوند. ميزان جذب انرژي به عواملي مانند دانسيته اوليه فوم، دانسيته مواد تشكيل دهنده، تنش بحراني و

سرعت انتشار صوت

c سرعت متوسط جرم و v كه در آن ، v/c) عدد ماخ .[ در فوم مي باشد) بستگي دارد[ ۱۰ در ساخت كپسولهاي هيدروژن خود از تركيب مواد QUANTUM شركت كامپوزيت و فوم استفاده كرده است. همانطور كه در شكل ( ۳) ملاحظه مي كنيد، كپسول مورد نظر داراي لاينر پليمر سخت شده مي باشد و قسمت كامپوزيتي آن از الياف كربن ساخته شده و يك لايه مقاوم در برابر ضربه در قسمت خارجي آن وجود دارد. همچنين در ناحيه كروي آن براي مقاومت در .[ برابر ضربه از فوم استفاده شده است [ ۳

روش غير مستقيم که بر اساس فرکانسهای طبيعی سيستم، رفتار کل استراکچر بدست م یآيد.

و ضمنی

(Explicit) - روش مستقيم که به دو دسته کلی صريح t + Dt تقسيم بندی می شود. در روش صريح تحليل در زمان (Implicit)

وابسته است، در حالی که در روش ضمنی علاوه بر

t تنها به جواب در لحظه نيز بستگی دارد. بر اين اساس زمان حل در روش t + Dt به لحظه t زمان حد پايداری) کوچکتری نسبت به تحليل ضمنی ) Dt صريح کمتر می شود و بدست می آيد. همچنين در تحليلهای ديناميکی صريح، تاثير ترم اينرسی در

حل مسائل لحا

ظ می گردد و ماهيت موجی تنش باعث می شود نتايجی که در هر لحظه از اين تحليل بدست می آيد، کاملاً متفاوت با نتايج تحليل استاتيکی معادل آن لحظه باشد.

در نظر بگيريد يک نيرو در يک زمان مشخ

ص به يک جسم اعمال شود . در صورتی که مسئله توسط تحليل ديناميکی ضمنی حل شود، در زمانهای پس از بارگذاری که بار از روی جسم برداشته شده تنشی در جسم مشاهده نخواهد شد. اما اگر از تحليل ديناميکی صريح استفاده گردد، پس از برداشتن بار تا مدتی تنشها در جسم مشاهده می شوند که مقدار و جهت آنها با زمان تغيير می کند.

تحليل ديناميکی صري

ح علاوه بر مزيت فوق نسبت به تحليل ديناميکی ضمنی توانايی بررسی برخورد را نيز با در نظر گرفتن سرعت، شتاب، نيرو و ديگر پارامترهای سينماتيک يا سينتيک دارا می باشد.

حال سوال اينجاست که در چه مسائلي بايد از روش تحليل ديناميکي صري

ح استفاده کرد. اين مسائل را مي توان در چند دسته کلي قرار داد: ۱- مسائل ديناميکي که بارگذاري بسيار سريع اتفاق مي افتد.

- مسائل تماسي پيچيده. ۳- مسائلي که در آنها سختي جسم با اعمال بار به شدت تغيير مي کند.

در نرم

LSDYNA در اين مقاله برای انجام تحليلهای ديناميکی ا ز ماژور استفاده شده است که از روش تحليل ديناميکی صريح در ANSYS افزار .[ حل مسائل استفاده می کند[ ۳

بررسی تاثير نرخ کرنش

در يک مس

ئله ضربه پارامتر اصلی، زمان کوتاه اعمال نيرو می باشد. به همين علت، ضربه يک مسئله ديناميکی بوده و چنانچه تنشها وارد منطقه پلاستيک شوند، لازم است که از روابط مربوط به پلاستيسيته ديناميکی در حل مسائل استفاده شود . از مواردی که در تمام مسائل پلاستيسيته

ديناميک مشتر

ک است، تاثير نرخ کرنش بر معادله اساسی حاکم می باشد . به همين دليل بررسی های تئوری و تجربی فراوانی در اين زمينه انجام شده است. محدوده نرخ کرنش که در آن، رفتار ماده تغيير اساسی کرده و حساس به تغييرات نرخ کرنش می شود نيز برای مواد مختلف بسيار گسترده

و متفاوت است. در اينجا نتاي

ج آزمايشات مختلفی را که در اين زمينه انجام شده است را بطور خلاصه ارائه می کنيم. شايد قديمی ترين تحقيقی که در اين زمينه انجام شده مربوط به ج . باشد (B. Hopkinson) و ب. هاپکينسون (J. Hopkinson) هاپکينسون که انتشار موج طولی را در سيم آهنی مورد مطالعه قرار دادند. آنها مشاهده کردند که تنش تسليم ديناميک تقريباً دو برابر تنش تسليم استاتيک است.

نيز به نتايج مشابهی رسيدند .

(Brown and Vincent) براون و وينسنت نيز تستهايی با سرعت زياد انجام داد و به اين نتيجه (G.I.Taylor) تيلور رسيد که تنش تسليم ديناميکی فولاد نرم بسيار بيشتر از تنش تسليم

استاتيک آن است. اما برای مس فقط کمی بزرگتر است. تيلور برای مواد زيادی اين آزمايشات را انجام داد. آزمايشات او شامل برخورد يک استوانه کوتاه با جنسهای مختلف و سرعت زياد به يک ديواره صلب بود. نيز بررسی هايی جهت تعيين نسبت تنش تسليم

(R.M.Davies) داويس ديناميکی به استاتيکی برای فولادهای مختلف انجام داد. آزمايشات او شامل يک ورق با ضخامت زياد از فولاد مورد نظر بود که يک گوی از فولاد بسيار سخت بر روی آن پرتاب می شد. آزمايشات وی نشان داد که نسبت مورد نظر

۱ و برای / برای فولاد نيکل-کرم تقريباً برابر يک، برای ورق زرهی حدود ۱

فولاد نرم تقريباً ۲ می باشد. نيز برای اينکه معياری برای

(Hunter and C.D.Davis) هانتر و داويس تشخيص حساسيت به نرخ کرنش برای فلزات مختلف بدست آورند، روش اندازه گيری سختی ديناميکی را پيشنهاد کردند. آنها نشان دادند که برای بسياری از فلزات، سختی ديناميکی بيشتر از سختی استاتيکی است. استفاده از اين روش برای بررسی تنش تسليم دين اميکی، توسط افراد بسياری از

و همچنين دافی و

(Kolsky and Lifshitz) جمله کولسکی و ليفشيتز گزارش شده است. اين بررسی ها بر روی مواد (Duffy and Mok) موک ديگری چون لاستيک، پلی اتيلن، مس و سرب نيز به روشهای مختلف انجام

و ملاحظه گرديد که برای موادی مانند پلی اتيلن و لاستيک نيز مدول الاستيک موثر برای تستهای ديناميکی بسيار بيشتر از آنچه که در حالت.

[ استاتيکی بدست آمده، می باشد[ ۳

معادلات تجربی تاثير نرخ کرنش

معادلات تجربی مختلفی برای توصيف خواص مکانيکی موادی که به نرخ کرنش حساس می باشند، پيشنهاد گرديده اند. اين نتايج نشان داده اند که يک رابطه تنش-کرنش عمومی که بتواند خواص ديناميکی مختلفی از مواد متفاوت ارائه دهد، وجود ندارد.

مشاهده کردند که برای

(Prandtl) و سپس پرانتل (Ludwik) لودويک يک کرنش پلاستيک مشخص با افزايش نرخ کرنش، تنش مربوطه افزايش مي يابد. لودويک معادله لگاريتمی زير را پيشنهاد کرد:

و s0 ،s که در آن 1

تنش تسليم مربوط به s ثابتهای ماده هستند و 1 e P نرخ کرنش 0 P می باشد (شکل( ۹)). اگر نرخ کرنش از e

بزرگتر شود، آنگاه e

تنش برای يک کرنش پلاستيک مشابه بزرگتر خواهد شد

شکل(

۹): تاثير نرخ کرنش بر منحنی تنش-کرنش

يکی ديگر از معادلات ديگری که ارائه شده، مدل تجربی کوپر -سايموند مي باشد که بصورت زير بيان می شود:

(Cowper-Symond

مقاله طراحی وآنالیز یک سازه جدید برای بهبود ضربه پذیری مخازن گاز طبیعی فشرده رشته مکانیک

مطالب مشابه :

مسایل دینامیک سری سوم

دانلود جزوه دینامیک سازه ها دکتر خسرو برگی دانشگاه تهران

سرفصل دروس کارشناسی ارشد مهندسی سازه

نمونه سوال رشتـه هاي فنـي

حل تشریحی سوالات مکانیک خاک کارشناسی ارشد عمران - 89 و 90

ديناميک سيالات

مقاله طراحی وآنالیز یک سازه جدید برای بهبود ضربه پذیری مخازن گاز طبیعی فشرده رشته مکانیک