پایان نامه تحلیل کمانش ورقهای مدورمرکب ارتوتروپ با استفاده از نرم افزار المان محدود، مهندسی مکانیک
عنوان: پایان نامه تحلیل کمانش ورقهای مدورمرکب ارتوتروپ با استفاده از نرم افزار المان محدود، مهندسی مکانیک
رشته: پروژه تخصصی دوره کارشناسی،مهندسی مکانیک گرایش حرارت و سیالات
فرمت فایل: WORD (قابل ویرایش)
تعداد صفحه: ۱۹۵
فهرست مطالب
عنوان
چکیده
فصل اول: مقدمه ای بر مواد مرکب
۱-۱- کامپوزیت چیست؟
۱-۲- مزایای کامپوزیتها
۱-۳- محدودیتهای کامپوزیتها
۱-۴- تاریخچه صنعت کامپوزیتها
۱-۵- فازهای کامپوزیتی و تقسیم بندی کامپوزیتها
۱-۶- خواص کامپوزیتها
۱-۷- مقاومت کامپوزیتهای لیفی
فصل دوم: ماتریسها (رزیتها)
۲-۱- ماتریسها
۲-۲- پلیمریزاسیون
۲-۳- پلیمرهای گرما سخت و گرما نرم
۲-۴- رزینهای ترموپلاستیک (گرما نرم)
۲-۵- رزینها گرما سخت (ترموست)
۲-۶- نقش ماتریسها
۲-۷- رزینهای اپوکسی
۲-۸- معایب رزینهای اپوکسی
۲-۹- تقسیم بندی انواع تجاری رزینهای اپوکسی
۲-۱۰- رزینهای پلی استر غیراشباع
۲-۱۱- انواع رزینهای پلی استر تجاری
۲-۱۲- خصوصیات رزینهای پلی استر
۲-۱۳- معایب رزینهای پلی استر غیراشباع
۲-۱۴- رزینهای فنولیک
۲-۱۵- خواص و کاربردهای رزینهای فنولیک
۲-۱۶- معایب و محدودیتهای رزینهای فنولیک
۲-۱۷- ماتریسهای فلزی
فصل سوم: الیاف (تقویت کننده ها)
۳-۱- تقویت کننده ها
۳-۲- تقویت کننده های لیفی
۳-۳- الیاف شیشه
۳-۴- مزیتهای اصلی الیاف شیشه
۳-۵- عیوب اصلی الیاف شیشه
۳-۶- سایز الیاف
۳-۷- آهار
۳-۸- خواص الیاف شیشه
۳-۹- الیاف پیشرفته
۳-۱۰- الیاف بور
۳-۱۱- خواص و کاربرد الیاف بور
۳-۱۲- الیاف سیلیکون کاربید
۳-۱۳- الیاف سیلسیم کاربید
۳-۱۴- الیاف آلومینا
۳-۱۵- الیاف کربن وگرافیت
۳-۱۶- الیاف کربن
۳-۱۷- خواص الیاف کربن و گرافیت
۳-۱۸- کامپوزیتهای کربن و گرافیت
۳-۱۹- مزیتهای اصلی الیاف کربن
۳-۲۰- بحث میکروسکوپی در مورد الیاف کربن
۳-۲۱- الیاف آرامید یا پلی آمیدهای حلقوی
۳-۲۲- خصوصیات آرامیدها
۳-۲۳- الیاف پلی اتیلن
۳-۲۴- الیاف سرامیکی
۳-۲۵- مقایسه الیاف مختلف
فصل چهارم: ساخت مواد مرکب
۴-۱- فرایندهای ساخت کامپوزیتها
۴-۲- قالب گیری باز
۴-۳- قالب گیری بسته
۴-۴- تقسیم بندی براساس حجم تولید
۴-۵- تعاریف فرایند قالب گیری باز
۴-۶-تعاریف بکار بردن رزین
۴-۷- روش لایه گذاری دستی
۴-۸- روش پاشش توسط پیستوله
۴-۹- فیلامنت وایندینگ
۴-۱۰- قالب گیری فشاری
۴-۱۱- روش کششی
۴-۱۲- قالب گیری با کیسه خلاء
۴-۱۳- فرایند تزریق در خلاء
۴-۱۴- قالب گیری به روش انتقال رزین RTM
فصل پنجم: کاربرد کامپوزیتها
۵-۱- مقدمه
۵-۲- صنایع حمل و نقل جاده ای
۵-۳- استفاده از مواد کامپوزیت در ساخت تانکهای جنگی و سلاح
۵-۴- کاربرد کامپوزیتها در صنایع هوا فضا
۵-۵- استفاده در ساخت فضاپیماها
۵-۶- استفاده کامپوزیتها در صنایع حمل و نقل ریلی
۵-۷- کاربرد کامپوزیتها در واحدهای شیمیایی
۵-۸- کامپوزیتها درصنعت دریایی
۵-۹- صنایع الکتریکی
۵-۱۰- صنعت هسته ای
فصل ششم: تئوری حاکم بر مواد مرکب
۶-۱- مقدمه
۶-۲- رفتار ماکرومکانیک یک لایه
۶-۳- ثابتهای مهندسی برای مواد ارتوتروپ
۶-۴- جهت گیری الیاف در مواد مرکب
۶-۵- استحکام در مواد مرکب
۶-۶- تئوریهای شکست در حالت دو محوری بر مواد ارتوتروپ
۶-۷- تئوری تنش حداکثر
۶-۸- معیار کرنش حداکثر
۶-۹- تئوری Tsai-Hill
۶-۱۰- تئوری Tsai-Wu
فصل هفتم: کمانش پوسته ها و مباحث تئوری مربوط به آن
۷-۱- مقدمه
۷-۲- معادلات غیرخطی تعادل ورق
فصل هشتم: آشنایی با المان محدود و نرم افزار ANSYS
۸-۱- مقدمه
۸-۲- مسائل مهندسی
۸-۳- روشهای عددی
۸-۴- تاریخچه ای کوتاه بر روش المان محدود و نرم افزار ANSYS
۸-۵- مراحل اصلی در روش المان محدود
۸-۶- توابع شکل (Shape Function)
۸-۷- تقسیم بندی یک ناحیه به تعدادی المان برای المانهای یک بعدی
۸-۸- معرفی توابع شکل برای یک المان خطی
۸-۹- خواص توابع شکل
۸-۱۰- المان درجه دوم
فصل نهم: مدل سازی مواد مرکب در ANSYS 5.4
۹-۱- مقدمه
۹-۲- مدل سازی مواد مرکب در روش h-method
۹-۳- المان Sheel-91
۹-۴- المان Shel-99
۹-۵- المان Solid-46
۹-۶- مدل سازی مواد مرکب در روش p-method
۹-۷- روش تعریف ساختارهای لایه ای
۹-۸- روش تعریف خصوصیات هر لایه بطور جداگانه
۹-۹- تفاوت روش p-method / h-method
۹-۱۰- روش تحلیل کمانش در نرم افزار ANSYS
۹-۱۱- نکاتی در مورد مش بندی توسط نرم افزار ANSYS
۹-۱۲- نکاتی در مورد تحلیل کمانش ۱۴۸
۹-۱۳- تحلیل ورق های دایره ای شکل در نرم افزار ANSYS
۹-۱۴- حل مساله کمانش توسط دستورات APDL
۹-۱۵- برنامه APDL برای حل مساله کمانش
فصل دهم: نتایج
۱۰-۱- مقدمه
۱۰-۲- ملاحظات
فصل یازدهم: نتیجه گیری و پیشنهاد برای ادامه کار
۱۱-۱- مقدمه
۱۱-۲- نقش ضخامت بر بارهای حاصل از کمانش
۱۱-۳- نقش مدولهای الاستیسیته
۱۱-۴- زاویه الیاف و تاثیر آن در کمانش
۱۱-۵- پیشنهاد برای ادامه کار
مراجع
ضمائم
فهرست اشکال
فصل اول: مقدمه ای بر مواد مرکب
شکل ۱-۱: انواع مختلف کامپوزیتها
شکل ۱-۲: نمودارهای تنش- کرنش در زوایای مختلف
شکل ۱-۳: انواع مختلف تقویت کننده ها
شکل ۱-۴: انواع مختلف الیاف
فصل سوم: الیاف (تقویت کننده ها)
شکل۳-۱: تنش- کرنش برای تقویت کنندگان مختلف
شکل۳-۲: تصاویر میکروسکوپی از الیاف برون اپوکسی
شکل ۳-۳: شکل الیاف مختلف
فصل چهارم: ساخت مواد مرکب
شکل ۴-۱: نحوه بافت در روش فیلامنت
شکل ۴-۲: شماتیک دستگاه بافت فیلامنت
شکل ۴-۳: دستگاه بافت فیلامنت
شکل ۴-۴: ماشین آلات بکار رفته در روش BMC
شکل ۴-۵: ماشین آلات بکار رفته در روش SMC
شکل ۴-۶: روش کششی
شکل ۴-۷: ماشین آلات RTM
شکل ۴-۸: ماشین آلات بکار رفته در روش RTM
فصل پنجم: کاربرد کامپوزیتها
شکل ۵-۱: کاربرد کامپوزیتها در بوئینگ ۷۳۷-۳۰۰
شکل ۵-۲: پوسته موتور و نگهدارنده آن در بوئینگ ۷۵۷
شکل ۵-۳: کاربرد کامپوزیتها در موتور راکتها
فصل هفتم: کمانش پوسته هاو مباحث تئوری مربوط به آن
شکل ۷-۱: ورق مستطیلی تحت نیروی فشاری دو محوره
شکل ۷-۲: برایندهای تنش و ممان بر روی یک المان از ورق
شکل ۷-۳: لایه های ورق
شکل ۷-۴: کوتاه شدگی لبه های ورق
فصل هشتم: آشنایی با المان محدود و نرم افزار ANSYS
شکل ۸-۱: کاربرد اولیه المان محدود
شکل ۸-۲: مدل سازی تیر مخروطی تحت کشش به فنرهای سری
شکل ۸-۳: تقسیم یک ناحیه به مناطق کوچکتر (گره ها و المانها)
فصل نهم: مدل سازی مواد مرکب در ANSYS 5.4
شکل ۹-۱:المان پوسته ای Shell-91 برای مدل سازی ورق ها و پوسته ها
شکل ۹-۲: المان پوسته ای Shell-99 برای مدل سازی ورق ها و پوسته ها
شکل ۹-۳: المان سه بعدی Solid-46 المان بندی مسائل سازه ای
شکل ۹-۴: مش بندی آزاد
شکل ۹-۵: استفاده از Smart Size برای ریز کردن مش بندی
شکل ۹-۶: مش بندی دستی
شکل ۹-۷: منوی انتخاب المان
شکل ۹-۸: منوی ویژگیهای مکانیکی
شکل ۹-۹: منوی انتخاب تعداد لایه
شکل ۹-۱۰: منوی مربوط به ضخامت و زاویه الیاف
شکل ۹-۱۱: مدل سازی ورق
شکل ۹-۱۲: منوی مش بندی
شکل ۹-۱۳: ورق مش بندی شده از نمای ایزومتریک
شکل ۹-۱۴: فعال کردن منوی محاسبه ماتریس سختی
فصل دهم: نتایج
شکل ۱۰-۱: نمای روبرو- مود اول کمانش- کولار اپوکسی
شکل ۱۰-۲: نمای ایزومتریک- مود اول کمانش- کولار اپوکسی
شکل ۱۰-۳: معادله رویه کمانش داده در مد اول
شکل ۱۰-۴: نمای روبرو- مود دوم کمانش- کولار اپوکسی
شکل ۱۰-۵: نمای ایزومتریک- مود دوم کمانش- کولار اپوکسی
شکل ۱۰-۶: معادله رویه کمانش داده در مود دوم
شکل ۱۰-۷: معادله رویه کمانش داده در مود دوم
شکل ۱۰-۸: معادله رویه کمانش داده در مود دوم
شکل ۱۰-۹: نمای روبرو- مود سوم کمانش- کولار اپوکسی
شکل ۱۰-۱۰: نمای ایرومتریک- مود سوم کمانش- کولار اپوکسی
شکل ۱۰-۱۱: نمایش رویه کمانش داده در مد سوم
شکل ۱۰-۱۲: نمایش رویه کمانش داده در مد سوم
شکل ۱۰-۱۳: نمایش رویه کمانش داده در مد سوم
شکل ۱۰-۱۴: نمای روبرو- مد چهارم کمانش- کولار اپوکسی
شکل ۱۰-۱۵: نمای ایزومتریک- مد چهارم کمانش- کولار اپوکسی
شکل ۱۰-۱۶: معادله روی کمانش داده در مد چهارم
شکل ۱۰-۱۷: معادله روی کمانش داده در مد چهارم
شکل ۱۰-۱۸: معادله روی کمانش داده در مد چهارم
فهرست جداول
فصل سوم: الیاف (تقویت کننده ها)
جدول ۳-۱: انواع الیاف شیشه تجاری- نام و نوع مواد موجود در لیف
جدول ۳-۲: قطرهای موجود الیاف تجاری
جدول ۳-۳: اتر دما بر استحکام الیاف شیشه نوع E
جدول ۳-۴: خواص الیاف Sic
جدول ۳-۵: خواص بعضی از الیاف آلومینا
جدول ۳-۶: خواص بعضی از الیاف کربن
جدول ۳-۷: مهمترین خصوصیات تقویت کننده های با کارایی بالا
فصل پنجم: کاربرد کامپوزیتها
جدول ۵-۱: برخی از خصوصیات کامپوزیتها و فلزات صنعتی
جدول ۵-۲: نمونه ای از اجزاء ساخته شده با کامپوزیت
فصل دهم: نتایج
جدول ۱۰-۱: ویژگیهای مکانیکی کامپوزیتها
فصل یازدهم: نتیجه گیری و پیشنهاد برای ارائه کار
جدول ۱۱-۱: مقایسه بارهای کمانش برای چهار ماده مرکب در حالت زاویه‌ای۹۰/۰ با سه
ضریب P ۵/۰ و ۱/۰ و ۰۱۵/۰
جدول ۱۱-۲: نقش الیاف در تغییر بارهای کمانش
چکیده:
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 ۶۰ 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.
کامپوزیت چیست؟
کامپوزیت به موادی اطلاق می شود که در ساختار آن بیش از یک جز ماده استفاده شده باشد. در این مواد اجزاء مختلف خواص فیزیکی و شیمیایی خود را حفظ کرده و در نهایت ماده ای حاصل می شود که دارای خواص بهینه ای می باشد. این خواص در تک تک مواد شرکت کننده به صورت مجزاء و در همه حالت ها وجود ندارد.
تعریف جامع کامپوزیت را به صورت زیر می توان ارائه داد.
دو ماده غیر یکسان که در صورت ترکیب، ماده‌حاصله از تک تک مواد قوی‌تر باشد.
کامپوزیتها همه بصورت طبیعی و همه به صورت مصنوعی ساخته می شوند.
چوب مثال خوبی از یک کامپوزیت طبیعی است. چون ترکیبی از الیاف سلولزی و لیگنین می باشد. الیاف سلولزی استحکام را ایجاد می کند و لیگنین چسبی است که الیاف را به هم می چسباند و پایدار می کند.
وزن مخصوص کم:
کامپوزیتها موادی را ارائه می دهند که می توانند برای استحکام بالا و هم وزن طراحی پایین مورد استفاده قرار گیرند.
– مقاومت به خوردگی بالا:
مثالهای بیشماری از کامپوزیتها وجود دارد که دارای سرویسی به مدت چهل تا پنجاه سال بوده است. در سال ۱۹۴۷ گارد ساحلی آمریکا یک سری قایقهای گشتی ۴۰ فوتی را با استفاده از رزین پلی استر و فایبرگلاس ساخت. این قایقها تا اوایل دهه ۱۹۷۰ استفاده شدند تا اینکه به دلیل منسوخ شدن طراحی، از سرویس خارج شدند. تستهای زیادی روی لایه ها بعد از خارج شدن از ماموریتهای آنها انجام شد و معلوم شد که فقط ۲% تا ۳% از استحکام اولیه بعد از ۲۵ سال سرویس سخت افت کرده است.
سرمایه گذاری نسبتاً کم:
یک دلیل آنکه صنعت کامپوزیتها موفق بوده است سرمایه گذاری نسبتاً کم در تاسیس و ایجاد وسایل ساخت کامپوزیتها است. تعداد بسیاری از شرکتهای بزرگ و خلاق سازنده کامپوزیتها ریشه خود را در شرکتهای کوچک اولیه سازنده این مواد پیدا می کنند.
در فرایند قالبگیری ترموپلاستیکها هزینه های چند میلیون دلاری برای تجهیزات نیاز است. ولی این هزینه ها در قالبیگری باز به مراقب کمتر و با توجیه اقتصادی بیشتری همراه است. آنچه مسلم است ورود به بازار کامپوزیت با هزینه کمتری نسبت به سایر مواد امکان پذیر است.
مراجع
۱- مواد کامپوزیت با نگرش بر روشهای نوین آنالیز حرارتی- تالیف مهندس رضا فیروز بخش.
۲- Engineered Material Hand Book – Composites
۳- Mechanics of Composite Material by Jones
۴- ANSYS Help
۵- دوره آموزشی ساخت کامپوزیتها فایبرگلاسها، کامپوزیتهای کربنی، مترجم: مهندس مسعود اسماعیلی.
۶- بررسی رفتار پس از کمانش ورقهای کامپوزیت با تغییر مکان برشی، پایان نامه کارشناسی ارشد دانشگاه شریف. توسط: پژمان صالح ایزد خواست.
۷- تحلیل به روش المان محدود: مترجمین مهدی محبی، روزبه پناهی.
۸- تحلیل المان محدود به کمک ANSYS: تالیف محمدرضا شعبانعلی.
۹- ANSYS: تالیف محمدرضا جاهد مطلق، محمدرضا نوبان، محمد امین اشراقی.
دیدگاه ها