معرفی سازه های مشبك كامپوزیتی- مزایا و كاربردها

[P O U R I A]

پوسته‌های استوانه­ای مشبك كامپوزیتی بخاطر دارا بودن فوایدی همچون استحكام ویژه بالا، سبكی وخواص مقاومت به خوردگی، امروزه بطور وسیعی در صنایع هواپیماسازی، صنایع موشكی و دریایی مورد استفاده قرار می­گیرند. در بعضی موارد مانند سازه موشك، این پوسته­ها تحت بار محوری فشاری قرار
می­گیرند. بدین ترتیب، پایداری سازه­های مخروطی و استوانه­ای تحت نیروهای خارجی یك مسئله سازه­ای بحرانی برای طراحی راكت، مخازن تحت فشار، پوسته­های موتور راكت و تانكرهای گاز می­باشد.


كامپوزیت­های كربن­ـ­اپوكسی در صنعت هوافضا به دلیل دو پارامتر مهم طراحی، پایین بودن وزن و بالا بودن استحكام از اهمیت ویژه­ای برخوردار می­باشند. لازم به ذكر است كه استحكام و مدول ویژه بالای كامپوزیت­های كربن­ـ­اپوكسی تنها در جهت الیاف و بنا­براین بیشترین میزان تحمل بار در این جهت می­باشد.


یك سازه كامپوزیتی مشبك را می­توان قرار­گیری ریب­های كامپوزیتی متصل به یكدیگر كه تشكیل یك مجموعه پیوسته را به صورت 2 بعدی (صفحه­ای) یا 3 بعدی (فضایی) می­دهند، در نظر گرفت. این مجموعه از ریب­ها (نوارها) كه شكل شبكه­ای به سازه می­دهند از الیاف پیوسته­، چقرمه­، سفت و مستحكم تشكیل شـده­اند. بدین ترتیـب سازه­های كامپوزیتی مشبـك به دلیـل داشتن استـحكام بالا، نسـبت وزنی كم، انعـطاف پذیری در طراحی دارای قابلیت­های كاربردی بیشتری نسبت به سازه­های فلزی می­باشند.


اجزای اصلی این سازه مشبك شامل گره­ها، ریب­ها و سلول واحد می­باشد (شكل 1-1). معمولاً هر سازه از تكرار چند سلول واحد تشكیل شده و استحكام سازه­های مشبك كامپوزیتی رابطه مستقیم با این واحد­ها دارد، ضمناً محل برخورد ریب­ها، گره نامیده می­شود. یكی از ویژگی­های اصلی سازه­های مشبك كامپوزیتی رخداد حالتهای مختلف شكست در آنها می­باشد. شكست سازه مشبك كامپوزیتی می­تواند ناشی از شكست ریب­ها (ریب­های مایل)، كمانش موضعی ریب­ها و یاكمانش كلی پوسته و در نهایت شكست پوسته یا شبكه باشد.



پوسته‌های مشبك كامپوزیتی غالباً از ریب‌های مایل (هلیكال) تشكیل می‌شوند كه ابعاد (عرض، ضخامت و تعداد آنها)، فاصله آنها نسبت به یكدیگر و زاویه قرارگیری‌شان نسبت به محور طولی پوسته، از خروجی‌های طراحی می‌باشند(شكل1-2).

 

[P O U R I A]

سازه­های مشبك كامپوزیتی را می­توان براساس جهات قرارگیری ریب­ها به صورت زیر تقسیم­بندی نمـود:

1- سازه­های مشبك كامپوزیتی شامل ریب­­های محیطی، طولی و مایل(4 جهته)
2- سازه­های مشبك كامپوزیتی شامل ریب­های محیطی و مایل (3 جهته)
3- سازه­های مشبك كامپوزیتی شامل ریب­های مایل
4- سازه­های مشبك كامپوزیتی شامل ریب­های محیطی و طولی[2]​

همچنین سازه­های مشبك كامپوزیتی شامل ریب­های محیطی و ریب­های مایل به دو دسته مثلثی (Triangular) و شش­ضلعی (Hexagon) تقسیم می­گردند. در سازه مشبك نوع مثلثی در هر محل اتصال، سه ریب رویهم قرار گرفته (شكل 1-3) و این در حالی است كه در سازه­های مشبـك نوع شـش­ضلعی (شكل1-4) در هر محل اتصال تنها دو ریب روی یكدیگر قرار گرفته­اند[3]. لازم به ذكر است كه سازه­های مشبك كامپوزیتی بسته به نوع كاربرد می­توانند شامل پوسته داخلی، خارجی و یا هر دو باشند.





ابتدا ساختـارهای مشبك فلزی در چهارچوب هـواپیمای بمب‌افكـن انگلیسیWellington WWII [2] مورد استفاده قرار گرفت. طراحی سازه‌های مشبك در روسیه، با ساخت برج رادیویی مسكو با ارتفاع 3/148 متر (شكل1-5) توسط شوخوف(Shukhov) در سال 1921 [4]، آغاز گردید.

 

[P O U R I A]

اولین كامپوزیت مشبك آزمایشی در CRISMB در سال 1981 [4و5] با قطر 3/1 متر و طول 4/1 متر ساخته و تحت بار محوری فشاری مورد مطالعه قرار گرفت. نتایج حاصله مبنی بر­آن بود كه سازه بالاتر از مقادیر پیش‌بینی شده براساس معیارهای واماندگـی پوستـه، دچـار وامانـدگی می­گردد. تحلیل بیشـتر نشان داد كه سازه‌های مشبـك دارای ویژگـی خود- پایدارسازی می­باشند. در شرایطی كه سازه مشبك تحت بارگـذاری فشـاری قرار گیرد، ریب­های مارپیـچی فشار را در ریب­های محیطی یا پوسته تبدیل به كشش كرده و بدین ترتیب بار فشاری مشابه با یك نیروی فشاری درونی عمل می‌كند. این فشار شكل دایره‌ای را تثبیت كرده و حساسیت پوسته را به عیوب شكلی كاهش و مقدار بار بحرانی را افزایش می‌دهد.

در سال 1981 یك برنامه پژوهشی خاص در CRISMB به منظور بهبود مفاهیم پایه طراحی، روش‌های تحلیل، ساخت، بازرسی و نحوه انجام تست‌ها برای سازه‌های مشبك با هسته میانی آغاز شد. اتمام این برنامه در سال 1985 [4و5] منجر به ساخت آزمایشـی دو سازه با هسـته میانی (شكـل­های1-6 و 1-7) گردید.


هر دو سازه كامپوزیتی متشكل از لایه­های مخـتلفی از جنـس آرامید- اپوكسی كه از طریق پیچش نوارهای كربنی روی شیارهای ایجاد شده توسط ماشینكاری برروی لایه فومی ساخته شدند.
در گذشته (قبل از ناكامورا 1988) [3]، ریب­های محیطی و مارپیچی در سیلندرهای مشبك با استفاده از روش­های مختلفی ساخته می­شدند. ریب­های مارپیچی با روش لایه­گذاری دستی و ریب­های محیطی با استفاده از روش رشته­پیچی ساخته و در اتوكلاو پخته شده تا سازه، شكل بگیرد. این فرآیند قابلیت اتوماتیك شدن را نداشته و بنابراین هزینه تولید بالا می­باشد.

مخازن تحت فشار كامپوزیتی بعلت وزن پایین، استحكام بالا و هزینه­های كم تولید، به طور گسترده­ای در صنعت موشكی به منظور ساخت موتورهای موشك بكار می­روند (گرامولGramoll))1990) [3]. مزیت اولیه روش رشته­پیچی اینست كه الیاف به طور پیوسته و در جهت بار وارده پیچیده و نیاز به اتوكلاو به حداقل رسیده و در محصول نهایی می توان به درصد حفره پایین همراه با درصد حجمی الیاف بالا رسید (چن 1988) [6]، علاوه بر­این بعلت استفاده از رزین و الیاف با قیمت پایین­تر نسبت به الیاف از پیش آغشته، هزینه­ها كاهش می­یابد.

چن(1988) [6] رفتار كمانشی پوسته­های كامپوزیتی كه به عنوان سازه­های دریایی كاربرد دارند، را مورد مطالعه قرار داد. نمونه های تست با استفاده ازروش رشته­پیچی از طریق پیچش نوارهای باریك از پیش آغشته شده روی مندرل گرم با دمای مناسب (دمایی كه چسبناكی و جریان­یابی مناسب رزین را فراهم سازد) حاصل شد. در حین فرآیند پیچش، از ابزاری به منظور اطمینان از مستقیم بودن الیاف و خارج شده هوای محبوس شده، استفاده می­گردد. عیوب ناشی از فرآیند ساخت از قبیل چین خوردگی، موج دار شدن الیاف و حفرات، به محصول نهایی آسیـب می­رساند. جهت گیری­های مختلف الیاف در پوسته به منظور ایجاد بهـینه­ترین میزان نیروی كمانش، مورد مطالعه قرار گرفت.

هوسومورا (1981) [7] به بررسی واماندگی سیلندر مشبك نوع مثلثی پرداخت. او دریافت كه اگرچه CFRP از نظر استحكام و مدول ویژه نسبت به فلزات و یا دیگر مواد ایزوتروپ بالاتر است، اما این مزیت تنها در جهت الیاف می­باشد، همچنین متوجـه شد كه CFRP در اتصـالات پیچی ضعیف عمل می­كنـد. سازه­های CFRP طوری طراحی می­شوند كه نیروها همواره درجهت الیاف بوده و همچنین الیاف در حین فرآیند ساخت بریده نشده و فرآیند رشته­پیچی به طور پیوسته صورت بگیرد.

 

[P O U R I A]

مطالعات انجام شده در كشور:
علی اصغر نجف­زاده خویی، دانش‌آموخته مهندسی مواد مركب دانشگاه صنعتی مالك اشتر در تحقیقات پایان‌نامه كارشناسی‌ارشدش با عنوان «طراحی و روشهای تست مخزن مشبك كامپوزیتی تحت نیروی محوری و فشار داخلی» و با راهنمایی دكتر اسكندری و مشاوره دكتر ذبیح­پور تاثیر پارامترهای مختلف طراحی از قبیل ابعاد ریب، زاویه ریب و چیدمان لایه­ها در پوسته­های داخلی و خارجی در میزان بارپذیری مخزن با استفاده از نرم‌افزار ANSYS بررسی نمود (شكل 1-8). لازم به ذكر است كه این تحقیق (مخزن مشبك كامپوزیتی) برای اولین بار وتوسط گروه مذكور، طراحی و مورد بررسی قرار گرفته است.
در این تحقیق بمنظور بررسی رفتار مخزن مشبك كامپوزیتی تحت بار محوری فشاری و فشار داخلی، مدل­های متعددی از سازه­های مشبك كامپوزیتی بدون پوسته و همراه با پوسته ساخته و در شرایط بارگذاری مختلف مورد مقایسه و بررسی قرار گرفتند. همچنین به منظور تأیید صحت مدلسازی، نتایج حاصل از روش المان محدود با روش تئوری حاكم بر سـازه­های مشبك كامپوزیتی مورد مقایسه قرار گرفت. در پایان، مطالعه پارامتریك محدودی برروی متغیرهای طراحی به منظور دستیابی به شرایط بهینه صـورت پذیرفت.



بنابر نتایج مطالعه پارامتریك، زاویه 60 درجه زاویه­ای مناسب برای تحمل بار محوری فشاری در سازه­های مشبك كامپوزیتی است و همچنین تغییر­فرم در ریب­های مایل به مراتب بیشتر از ریب­های محیطی بوده و با توجه به ارتباط ابعادی سلول واحد، كاهش و افزایش زاویه پیچش از 60 درجه، منجر به افزایش تنش ماكزیمم ریب­ها می­گردد.
اتوماسیون فرآیند ساخت از یك طرف و به حداقل رسیـدن هزینه­های سـاخت از طرف دیـگر، منجـر به انتخـاب روش رشته­پیچی(فیلامنت­ وایندینگ) گردید، همچنین بدلیل بالا بودن اهمیت ایمنی مـخازن كامپوزیتی، به بررسی تسـت­های مربوط به سـازه­های مشبك تحت نیروهای محـوری فشاری (شكل 1-9) و تست­های مختلف مخرب و غیرمخرب معمول برای مخازن كامپوزیتی تحت فشار پرداخته شد.


منابع:

[LEFT][1] Huybrechts S.M., Meink T.E., Wenger P. M., Ganley J.M., “Manufacturing Theory for Advanced Grid Stiffened Structures”, Composites, 2001.
[2] Mavidis P., “FE Based design of anisogrid lattice Shells”, CranfieldUniversity, September 2007.
[3] Hou A., “Strength of Composite Lattice Structures”, Georgia Institue of Technology, April 1997.
[4] Vasiliev, V.V. Barynin, V.A. Rasin, A.F. , Anisogrid Lattice Structures- A survey of Development and Application”, Composite Structures, Vol.54, pp 361:370, 2001.
[5] Vasileve, V.V.Rasin, A.F., “Anisogrid Composite Lattice Structures for Spacecraft and Aircraft Applications, Composite Structures, Vol 76, pp 182:189, 2006.
[6] Chin H.B. and Pervorse D.C., “Design of Composite Hull Structures for Underwater Service”, Proceeding of the fourth Japan-U.S. Conference on Composite Material,pp 935-962, 1988.
[7] Hosomura, T., Kawashima T., and Mori D., “New CFRP Structural Element”, Japan-US Conference on Composite Materials, Tokyo,pp447-452, 1981.[/LEFT]

 

[P O U R I A]

استفاده از فناوری پیچش الیاف در تولید سازه های مشبک کامپوزیتی

استفاده از فناوری پیچش الیاف در تولید سازه های مشبک کامپوزیتی

بخش های صنعتی کشورهای مختلف جهان به سرعت در حال پیشرفت هستند و برای ادامه فعالیت ناگزیرند که استانداردهای زیست محیطی را رعایت کنند. بنابراین باید در تولید محصولات خود از فناوری هایی استفاده نمایند که ارزان تر، ایمن تر، تمیزتر و بی سر و صداتر باشد. به علاوه صنایع مذکور باید بتوانند به تقاضای روز افزون مشتریان خود پاسخ دهند.


در پروژه افزایش استحکام بدنه هواپیما با استفاده از ویفرهای کامپوزیتی (WASIS)، یازده شرکت اروپایی با یکدیگر همکاری می کنند. شرکتهای مذکور در 10 کشور دنیا مستقر میباشند. در پروژه مذکور که در چارچوب برنامه هفتم توسعه تحقیقات و فناوری اتحادیه اروپا (FP7) اجرا میشود، بر اساس تئوری هایی که در مورد سازه های مشبک تقویت شده ارائه شده است، برای تولید بدنه هواپیماها از سازه های مشبک کامپوزیتی استفاده می گردد. به این ترتیب در بخشهایی از هواپیما که در محل اتصال بدنه به قسمت های دیگر قرار گرفته اند، پارامترهای هندسی محاسبه می گردند و این بخش ها با اشکال آئرودینامیک خاصی تولید می شوند و در نتیجه سازه مشبک از لحاظ جرمی بهینه می گردد (وزن سازه کاهش می یابد).


از میان پارامترهای هندسی میتوان به زاویه ریب ها (نوارهای پیچیده شده) نسبت به محور طولی سازه، ضخامت و عرض ریب ها در شبکه و فاصله دو ریب مجاور اشاره کرد. در این پروژه بدنه تمام کامپوزیتی هواپیما با استفاده از الیاف کربن آغشته به رزین اپوکسی تولید می گردد.


بدنه کامپوزیتی هواپیما
در پروژه مذکور با استفاده از فناوری پیچش الیاف، سازه های مشبک کامپوزیت تقویت شده با الیاف بلند کربن شبیه سازی و سپس تولید شدند. سازه های مشبک که با نام لتیس یا ویفر نیز شناخته می گردند، قبلاً در کاربردهای دیگری غیر از هوافضا نیز مورد استفاده قرار گرفته بودند. هدف پروژه" افزایش استحکام بدنه هواپیما با استفاده از ویفرهای کامپوزیتی" این است که در فرآیندهای تولید استانداردهای زیست محیطی رعایت گردند، استحکام هواپیما افزایش یابد و هزینه طراحی و تولید پایین بیابد.


هواپیماهایی که با استفاده از سازه های مشبک کامپوزیتی تولید می شوند، در مقایسه با دیگر مدل های شبیه سازی شده از خواص مکانیکی بالاتری برخوردار هستند و چون سبک می باشند، از خود عملکرد بهتری نشان می دهند. این مزایا به علاوه بست های ویژه ای که برای اتصال سازه های مشبک مذکور تولید شده اند به تولید سازه های مشبک جدیدی منجر گشته اند که ضمن یکپارچه بودن، از وزن پایینی برخوردار می باشند. به علاوه الیاف بلند به کار رفته در سازه های مذکور حین فرآیند پیچش الیاف پاره نمی شوند بنابراین استحکام سازه مشبک افزایش می یابد.

 

[P O U R I A]

نوآوری به کار رفته در فناوری تولید سازه های مشبک کامپوزیتی
با استفاده از مدل های شبیه سازی شده و با انجام آزمایش های چشمی مشخص گردید که سازه های مشبک از چنان استحکامی برخوردارند که می توانند بارهای فوق العاده سنگین را به خوبی تحمل کنند. دراین پروژه استفاده از فناوری اتوماتیک پیچش الیاف باعث می گردد که سازه های مشبک کامپوزیتی سبکی تولید شوند. به این ترتیب هزینه تولید سازه های مذکور کاهش می یابد، سرعت تولید بالا می رود و استحکام قطعات تولید شده افزایش پیدا می کند. پروژه مذکور اهداف ذیل را دنبال می کند:

- کاهش وزن ریب ها در مقایسه با نمونه های سنتی
- استفاده از فرآیند اتوماتیک پیچش الیاف جهت کاهش هزینه تولید
- با استفاده از فناوری پیچش الیاف مذکور، بست ها نیز همزمان با قطعه تولید می شوند و با قطعه به صورت یکپارچه در می آیند. به این ترتیب می توان سازه های مشبک کامپوزیتی را به راحتی روی هواپیما نصب نمود.​

در پروژه مذکور طراحی و تولید سازه های مشبک هر دو با چالش هایی روبرو بودند. استفاده از کامپوزیت ها سبب می گردد که مراحل طراحی و تولید روی یکدیگر اثر متقابل داشته باشند. به این معنی که برای تولید قطعاتی با اشکال پیچیده باید از تجهیزات پیشرفته استفاده نمود. به همین علت در این پروژه، فرآیند پیچش الیاف توسط دستگاه سی اِن سی (تجهیزات کنترل عددی کامپیوتری) کنترل می شد.


فرآیند پخت خارج از کوره اتوکِلاو
در فرآیند تولید قطعات مشبک، رووینگ الیاف بلند کربن با رزین آغشته می¬شوند و روی یک سُنبه چرخان پیچیده می شوند. شکل شبکه ها به جهت پیچش الیاف بستگی دارد. طراحی و روش تولید سازه مشبک نیز جهت پیچش الیاف را تعیین می کنند. بنابراین نمی توان الیاف را در هر جهت و با هر زاویه ای پیچید. در صورت لزوم می توان یک فیلم نازک را به عنوان روکش خارجی روی سازه مشبک اعمال نمود. پوسته خارجی مذکور با فناوری پیچش الیاف تولید می گردد و بلافاصله پس از تولید روی سازه مشبک قرار می گیرد. به این ترتیب با صرف هزینه اندک یک سازه مشبک یکپارچه تولید می گردد که از سمت خارج روکش شده است. سپس سازه مذکور خارج از کوره اتوکلاو پخت می گردد.
در گذشته استفاده از بست های مکانیکی به پارگی الیاف منجر می شد. به این ترتیب تنشی ایجاد می گشت و در سازه مشبک ظرفیت تحمل بار به طور چشمگیری کاهش می یافت. در نتیجه طول عمر سازه مشبک پایین می آمد. بنابراین انتخاب صحیح نوع اتصال سبب می گردد که در بخش¬های باربر عملکرد سازه های مشبک کامپوزیتی افزایش یابد. به همین منظور در ناحیه اتصال، با فرآیند پیچش الیاف بست های فلزی تعبیه می-شوند. با این روش، دیگر لازم نیست که الیاف قطع شوند و در نتیجه ظرفیت انتقال بار در سازه مشبک افزایش می یابد. ضمناً با این روش به راحتی می توان یک سازه مشبک کامپوزیتی را روی سازه دیگر نصب نمود.

 

[P O U R I A]

پیچش الیاف با طرح مثلثی
در کاربردهایی که به قطعات سبک نیاز دارند معمولاً از سازه های مشبک کامپوزیتی استفاده می گردد که ریب های تقویت کننده آنها (که گاهی استرینگر نامیده می شوند) ساختار مثلثی دارند. طرح مثلثی از این مزیت برخوردار است که برای سازه سفتی لازم را ایجاد می کند و چون برای ایجاد این طرح مواد اولیه کمتری مورد استفاده قرار می گیرد، وزن سازه نهایی کاهش می یابد. سازه مشبک کامپوزیتی نظیر یک ماده ایزوتروپیک رفتار می کند به همین جهت به سازه مذکور ایزوگرید هم گفته می شود. واژه "ایزو" از کلمه ایزوتروپیک مشتق شده است. لازم به ذکر است که مواد ایزوتروپیک (همسانگرد) در همه جهات از خود خواص یکسانی نشان میدهند. واژه "گرید" به معنی ورق است که نقش تقویت کنندگی را تداعی میکند. سازه های ایزوگریدی که در آنها فناوری پیچش الیاف به طور اتوماتیک کنترل می¬شود، از نسبت استحکام به وزن بالایی برخوردار هستند.
سازه های ایزوگرید از ویژگی خود تقویت کنندگی و از سفتی و استحکام بالایی برخوردار هستند. ضمناً سازه های مذکور در برابر شکست به خوبی مقاومت می کنند و سبک می باشند. به همین دلیل است که وسائط نقلیه هوایی و فضاپیماها می توانند از مزایای سازه های مشبک کامپوزیتی بهره مند گردند. در صنعت هوافضا، سازه های ایزوگرید به عنوان فیِرینگ (پوشش دو تکه) ماهواره بَر و بوستِر (مرحله اول که موشک را از سکوی پرتاب بلند می کند) مورد استفاده قرار می گیرند. به این ترتیب با وجود نیروی جاذبه قوی، فضاپیما می تواند وزن آخرین سامانه های پیشران(مرحله) و وزن محموله را به خوبی تحمل کند. در تجهیزات ورزشی، نَوَرد (استوانه گردان)، دم بالگردها، قطعات مکانیکی رباتیک (سازه های خرپایی)، ماهواره ها، زیر دریایی های بدون سرنشین و در هواپیماهای بدون سرنشین از سازه¬های مشبک کامپوزیتی یکپارچه استفاده میگردد.