مشخص كردن مدل تقريبي

در تحلیل سازه های کامپوزیتی . مدل تقريبي مخزن را مي توان از دوران يك پروفيل يك بعدي و يا دو بعدي به دور محور دوران مخزن به دست آورد.

تحلیل سازه های کامپوزیتی

خواص مکانیکی مواد

با توجه به استفاده از لاینر آلومینیومی استخراج خواص حقیقی آلومینیوم برای استفاده در نرم افزار ضروری می باشد برای این با توجه به نتایجی که در قسمت تجربی از تست نمونه کشش آلومینیوم به دست آوردیم اطلاعات لازم را به نرم افزار داده می شود. رفتار ورق آلمینیومی (منحنی تنش –کشش)در نمودار زیر مشاهده می شود. همانطور که می بینیم با افزایش نیروی کشش، ماده تا مرز گسیختگی پیش می رود و بعد از طی کردن ناحیه پلاستیک دچار از هم گسیختگی می شود و نمودار سیر نزولی خود را آغاز می کند.

تنش تسلیم	ضریب پواسان	مدول الاسیسیته(E)Gpa	خواص ماده
165	0.3	72	AL(1000)

خواص کامپوزیت به کار رفته و الیاف را از شرکت سازنده به قرار زیر دریافت کرده و در نرم افزار به کار می گیریم.

تعیین نوع المان

مواد مرکب متشکل از از مواد مختلف با خصوصیات سازه ای متفاوت می باشند.علت کاربرد وسیع این مواد، نسبت سختی به وزن بالای آنها می باشد.نرم افزارAnsys  اجازه مدل سازی مواد کامپوزیتی را با به کار گیری المان های لایه ای می دهد.المان های لایه ای می توانند در کلیه آنالیز های سازه ای مورد استفاده قرار گیرند.اما در آنالیزهای حرارتی ،مغناطیسی یا میدان الکتریکی این المانها در دسترس نمی باشد .پنج المان لایه ای Solid191،Soilid46،shell181،shell91،Shell99 برای مدل سازی کامپوزیت ها پیش بینی شده است.هر پنج المان قابلیت اختصاص دادن معیار های شکست را دارا می باشند.

المان سازه ای لایه ای خطی Shell 99

یک المان پوسته ای سه بعدی است که دارای 8 گره بوده و دارای 6 درجه آزادی برای هر گره می باشد.(3 درجه جابجایی انتقالی و 3 درجه جابجایی چرخشی)و برای مدل سازی صفحات و پوسته های نازک و تا حدی ضخیم برای نسبت کناره به ضخامت حدود 10 و بیشتر ،طراحی شده است.برای سازه های با نسبت کمتر،استفاده از المان های Solid توصیه می شود.این المان پوسته ای اجازه به کار گیری تا 250 لایه با ضخامت یکسان و مدل سازی 125 لایه را که تغییرات خطی در ضخامت های لایه موجود باشد رامی دهد.اگر بیش از 250 لایه مورد نیاز باشد،کار بر می تواند ماتریس جرم مربوط به مدل را وارد کند.همچنین این المان این گزینه را دارد که برای افست کردن گره ها به سطوح بالا یا پایین به کار می رود.

المان غیر خطی سازه ای – لایه ای Shell 181

المان پوسته ای سه بعدی چهار گره ای است که دارای 6 درجه آزادی در هر گره می باشد.این المان قابلیت اعمال تمامی خواص غیر خطی به علاوه کرنش های کراندار را دارا می باشد.مدل سازی تا 255 لایه در این المان مجاز است.اطلاعات مربوط به لایه ها توسط سطح مقطع پوسته ای به جای مقادیر ثابت وارد می شود.

المان سازه ای لایه ای Solid46

دارای سه درجه آزادی در هر گره می باشد.برای مدل سازی پوسته های ضخیم لایه ای یا مواد لایه ای 3 بعدی به کار می رود و تا 250 لایه با ضخامت یکسان در هر المان و 125 لایه با ضخامت متغییر به طور خطی در المان را می تواند مدل سازی کند.از مزایای این المان آن است که کاربر می تواند چندین المان را برای مدل سازی بیش از 250 لایه در کنار هم قرار دهد.گزینه ماتریس ساختاری ورودی کاربر نیز در این المان فعال می باشد.این المان قابلیت تنظیم خواص مواد در جهت عرضی برای ایجاد تنش های ثابت در جهت عرضی را نیز دارا می باشد.در مقایسه با المان 8 گره ای پوسته ای ،این المان از درجه پایین بوده و المان بندی ریز تر و دقیقتر برای موارد پوسته ای جهت ایجاد دقت یکسان با المان های پوسته ای مورد نیاز می باشد.

المان لایه ای – سازه ایSolid191

نوع المان 3 بعدی Solid95 با 3 درجه آزادی در هر گره می باشد که برای مدل سازی پوسته های ضخیم و مدل های سه بعدی لایه ای جهت مدل سازی حد اکثر 100 لایه در هر المان طراحی شده است.همانند المان Solid46 قابلیت کنار هم قرار دادن چند المان برای مدل سازی نا پیوستگی در ضخامت را دارا است و گزینه ای دارد که می تواند خواص عرضی را طوری تنظیم کند که تنش های عرضی ثابت باشند.بر خلاف نام المان ، این المان قابلیت اعمال خواص مواد غیر خطی و یا تغییر شکل های بزرگ را دارا نیست.

المان غیر خطی سازه ای-لایه ای Shell91

  یک المان 8 گره ای که هر گره دارای 6 درجه آزادی :انتقال در سه جهت x،y، zو دوران حول سه محورx،y،zاست.هندسه،مکان گره ها و محور مختصات این المان در شکل زیر نشان داده شده است.این المان با ضخامت لایه ،جهت لایه و خواص مواد در هر لایه تعریف می شود.المان به شکل مربع در نظر گرفته شده که در صورت انطباق گره ها به شکل مثلث نیز ارائه می شود.در حقیقت این  المان یک المان غیر خطی است و ماده میتواند با خواص غیر خطی تعریف شود.در این المان لغزش بین لایه ها در نظر گرفته نشده است.

باتوجه به تحقیقات صورت گرفته و تجربه موفق استفاده از المان Shell91 در مقالات مختلف برای مدل سازی مخزن کامپوزیتی انتخاب این المان را مناسب دیده و در مدل سازی از این المان استفاده می کنیم. خاطر نشان می شود استفاده از این المان خواص دو خطی لاینر آلومینیومی را نیز تحت پوشش قرار می دهد.

مش بندی مدل

بعد از انتخاب نوع المان نوبت به مش بندی مدل می رسد.با توجه به اینکه مخزن از نظر هندسی و شرایط مرزی و طبیعی متقارن می باشد برای سادگی کار و کاهش زمان محاسبات 8/1 مخزن را ،یعنی قطاعی از مخزن به اندازه 90 درجه از آن را مدل کرده و مش بندی و اعمال بار راروی این قطاع انجام می دهیم.شکل زیر این مرحله از کار را نشان می دهد.

نکته ای که در المان بندی این مخزن کامپوزیتی باید مد نظر داشت این است که مخزن از نوع سوم می باشد یعنی قسمت سر پوش کروی تنها تحت پیچش قطبی با زاویه 13 درجه قرار می گیرند و قسمت  استوانه ای آن علاوه بر پیچش قطبی به صورت محیطی و با زاویه 90 درجه نیز پیچیده می شود.این امر سبب به وجود آمدن دو نوع لایه بندی در المان های موجود بر روی در پوش و المانهای قرار گرفته بر روی استوانه می شود.همانطور که در شکل (۱) مشاهده می شود المان های موجود بر روی سرپوش از دو لایه ،که اولی مربوط به لاینر آلومینومی و لایه دوم با زاویه 77 درجه(13 درجه نسبت به محور استوانه) تشکیل شده است.شکل (11-3) لایه بندی بر روی قسمت استوانه ای را نشان می دهد که سه لایه بر روی آن مشخص است.لایه سوم با زاویه 0 (90 درجه نسبت به محور استوانه )درجه همان رشته پیچی محیطی را بر روی مخزن نشان می دهد.

اعمال بار

مخزن مورد نظر در آزمایشگاه تحت فشار 100 bar تست شد.برای همین در نرم افزار مقدار  100 bar را به عنوان فشار داخلی بر سطح داخلی پوسته اعمال می کنیم.

ارائه نتایج تحلیل عددی

بعد از اجرای برنامه نتایج به صورت ذیل به دست آمد.

رفتاری که از مخزن انتظار داشتیم کاملا بر آورده شد.بیشترین مقدار تنش در محل اتصال در پوش کروی به بدنه استوانه ای دیده شد در شکل های زیر این پدیده به خوبی دیده می شود.ناحیه پر تنش با رنگ قرمز (پر رنگ تر) مشخص شده است

همان طور که در شکل های بالا مشاهده می شود ناحیه پر تنش در محل اتصال درپوش کروی به بدنه استوانه ای دیده می شود.همچنین به صورت طبیعی در این نقاط بیشترین کرنش نیز در جهات طولی و محیطی مشاهده می شود.بر روی بدنه استوانه ای کانتور یکنواختی از توزیع کرنش و تنش را مشاهده می کنیم که بر اثر دور شدن به اندازه کافی از محل اتصال توجیه می شود.در واقع هنگامی که از محل اتصال در پوش کروی به سمت قسمت استوانه ای پیش می رویم از اثرات خمشی سر پوش کاسته شده و حالت غشایی حاکم می شود و تنش یکنواختی به دست می آید. تنش های منفی ایجاد شده در انتهای سرپوش نیز به علت اختلاف در تغییر مکان پوسته استوانه ای و پوسته کروی ایجاد می شود.نتایج تحلیل عددی به صورت دیاگرام هایی که از نرم افزار استخراج شد در نمودار های زیر مشاهده می شود. همانطور که دیده می شود.بیشترین مقادیر تنش و کرنش در محل اتصال قسمت استوانه ای به سرپوش کروی اتفاق می افتد. در جدول زیر نتایج حاصله از این نمودارها لیست شده اند.