سازه‌هاي مشبك كامپوزيتي

[IMAN]

سازه‌هاي مهندسي بايد داراي ويژگي‌ها و خواصي براي ارضاء نيازهاي متداول و مطرح در زمينه‌هاي سازه و نيرو باشند و در واقع، موفقيت يك طرح مهندسي به ميزان موفقيت طراحان در شناسايي سازه‌ها و مواد لازم براي ارضاء بارهاي مطرح در يك برهه مكاني و زماني خاص، مي‌باشد. با روي كار آمدن مواد كامپوزيتي انديشه ساخت سازه‌هاي كامپوزيتي بدليل استحكام و دوام اين سازه‌ها در مقابل سازه‌هاي فلزي، مطرح‌شد. به‌تبع اين انديشه، براي عملي كردن اين افكار، روش‌هاي متنوعي براي ساخت سازه با مواد اوليه كامپوزيتي ابداع شد. نتيجه اين عملكردها، سازه‌هايي به نام "سازه‌هاي مشبك كامپوزيتي" مي‌باشد.


اين سازه‌ها مجموعه اي از نوارهاي متصل‌شده از الياف متنوع مي‌باشند كه امروزه كاربرد وسيعي در صنايع مختلف به ويژه ساخت انواع موشك، ماهواره و لوله‌هاي پتروشيمي و... دارند. در ادمه به بررسي ويژگي‌هاي مختصري از اين سازه‌ها مي‌پردازيم.



1-3- روش‌هاي ساخت سازه­هاي مشبك کامپوزيتي


مهمترين هدف در فرآيند ساخت، تأمين خواص مکانيکي و کيفيت مناسب نوارهاي مارپيچي که عامل اوليه تحمل بار در سازه شبکه‌اي هستند، مي‌باشد.



الف- شکل‌دهي آزاد [1] : نوارها شامل رشته‌پيچي سنتي مي‌باشند، اما رشته‌هـا در يک فاصله خاص از يکديگر قرار مي‌گيرند و روي رشته قبلي پيچيده مي‌شوند. اين فرآيند هزينه پاييني داشته و منجر به کيفيت ضعيف نوارها مي‌شود. رشته‌پيچي پيوسته نوارهاي مارپيچي با پين‌هايي که در دو انتهاي قالب قرار دارد، انجام مي‌شود .

ب- رشته‌پيچي درون يک هسته فومي سبک‌وزن: که در اين روش سازه داراي پوسته داخلي مي‌باشد. ابتدا هسته فومي روي پوسته داخلي اسپري مي‌شود و سپس توسط ماشين‌کاري شيارها يي درون هسته فومي ايجاد شده و در ادامه رشته‌پيچي درون شيارها انجام مي‌گردد و بر روي آن پوسته خارجي رشته­پيچي مي‌شود. اين فرآيند داراي ويژگي‌هايي چون هزينه متوسط و کيفيت نسبتاً بالاي نوارها مي‌باشد.





ج- رشته‌پيچي درون شيارهاي پلاستيکي: که اين شيارها درون يک پوشش الاستيک (به عنوان مثال لاستيک سيليکون) ايجاد شده است، به طوري که مي‌توان پس از ساخت قطعه آن­ها را خارج کرد.


د- رشته‌پيچي درون شـيارهاي فلزي: که اين رشته‌پيچي درون شـيارهاي ايجـاد شـده درون يک لايه فلزي، يک سازه هيبريدي فلز- کامپوزيت شبکه‌اي را نتيجه مي‌دهد که قابل استفاده به عنوان تحمل‌کننده بار در مخازن‌ و محفظه‌هاي فشار مي­باشد.



2-3- دسته‌بندي پوسته‌هاي مشبك كامپوزيتي



پوسته‌هاي مشبك كامپوزيتي بسته به نوع كاربرد و پروسه توليد مي‌توانند به اشكال مختلفي تقسيم‌بندي شوند. ساختارهاي مختلفي از پوسته‌هاي مشبك كامپوزيتي در سازه موشك و موشك‌هاي حامل ماهواره استفاده مي‌شوند، از جمله اين ساختارها عبارتند از:

- پوسته‌هاي مشبك كامپوزيتي تشكيل‌شده از دنده‌هاي مايل و قائم.

- پوسته‌هاي مشبك كامپوزيتي تشكيل شده از دنده‌هاي مايل و پوسته خارجي.

- پوسته‌هاي مشبك كامپوزيتي تشكيل شده از دنده هاي مايل، دنده هاي قائم و پوسته خارجي.

- پوسته‌هاي مشبك كامپوزيتي تشكيل شده از دنده‌هاي مايل، پوسته هاي داخلي و خارجي

- پوسته‌هاي مشبك كامپوزيتي تشكيل شده از دنده‌هاي مايل، دنده هاي قائم، پوسته داخلي و پوسته خارجي.

- پوسته‌هاي مشبك كامپوزيتي تشكيل شده از دنده‌هاي مايل، پوسته خارجي، پوسته داخلي كه فضاي بين پوسته‌ها و دنده ها به كمك ماده پركننده پر‌شده‌است.

- پوسته مشبك كامپوزيتي تشكيل‌شده از دنده‌هاي مايل، پوسته خارجي و پوسته داخلي فلزي كه دنده‌هاي مايل در داخل شيارهاي ايجاد شده بر روي سطح فلز قرار گرفته‌اند.


3-3- روش‌هاي تست و تحليل سازه هاي مشبك كامپوزيتي



تعيين بسياري از ويژگي‌هاي سازه‌هاي مشبك كامپوزيتي مانند شيار‌ها، تعداد رشته‌ها، ويسكوزيته رزين و... قبل از ساخت و تست سازه به سختي قابل پيش‌بيني است. براي يافتن اين مشخصات، يك مدل خاص با اندازه كامل ساخته مي‌شود و تا تخريب مورد تست قرار مي‌گيرد براي مطالعه تجربي به قطعات ريزتري تبديل مي‌شود.

يكي ديگر از راه‌هاي تشخيص پارامترهاي هندسي و ويژگي‌هاي سازه‌هاي مشبك مدل كردن آن‌ها در نرم افزارهاي ويژه و بررسي نقاط ضعف و قدرت اين سازه‌ها با استفاده از الگوريتم‌هاي خاص مانند spando در شبكه‌هاي سري و موازي و كدهاي تغيير‌يافته lmm و... مي‌باشد.




4-3- كاربرد سازه‌هاي مشبك كامپوزيتي در صنایع مختلف


- صنايع فضايي

سازه‌هاي مشبك كامپوزيتي بديل راندمان وزني و عملكردي مناسب در ساخت ماهواره‌ها، فضاپيماها و راكت‌ها مورد استفاده قرار‌مي‌گيرند. از جمله نمونه‌هاي فضايي كه در پروسه ساخت‌شان از مواد كامپوزيتي استفاده‌شده، وسايلي به نام وفق‌دهنده‌ها مي‌باشند كه اتصال بين راكت و فضاپيما را ايجاد مي‌كنند، استفاده از مواد كامپوزيتي در سازه وفق‌دهنده‌ها باعث كاهش 40 درصدي وزن سازه نسبت به نمونه‌هاي اوليه شده‌است .



- صنایع هوايي



بدليل استحكام بالاي مواد كامپوزيتي، از اين مواد در صنايع توليد هواپيما و ساير متعلقات مرتبط با آن استفاده مي‌شود. از جمله اين نمونه‌ها مي‌توان به صفحات و پوسته‌ها، در و پنجره‌ها، قاب‌ها، سازه هاي مربوط به بدنه و وسايل داخلي هواپيما، آنتن رادها و... اشاره نمود.





- صنايع كشتي سازي



در اين صنايع هميشه نياز به سازه اي با وزن كم و بدون ترك و داراي استحكام بالا حس مي شود، بنابراين با توجه به اين نياز مي توان به جايگاه مواد مشبك كامپوزيتي در اين صنايع پي برد. دليل ديگر استفاده از اين مواد در پروسه ساخت كشتي و قايق ، طول عمر يا ماندگاري بيشتر اين مواد نسبت به سازه هاي چوبي مي باشد.


- صنايع قايق سازي


كاربرد کامپوزيت در صنعت قايق‌سازي همانند مصرف اين مواد در هواپيما، صرفه­جويي زيادي در وزن يا هزينه­هاي مواد را به همراه داشت و در ثاني نياز به سازه‌اي مقاوم به سايش، نسبتاً سبك وزن و بزرگ، و بدون ترك و سوراخ را برطرف کرد. بيشتر سازندگان قايق از روش‌هاي معمولي مشابه به آنچه در هواپيماي کامپوزيتي است، استفاده مي‌كنند، اما كيفيت ‌هاي بيشتري دارند كه هر شركت هواپيماسازي به آن غبطه مي‌خورد.

[IMAN]

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. 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.



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 و این در حالی است كه در سازه­های مشبـك نوع شـش­ضلعی 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 توسط شوخوف(Shukhov) در سال 1921 [4]، آغاز گردید.



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 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.


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 و تست­های مختلف مخرب و غیرمخرب معمول برای مخازن كامپوزیتی تحت فشار پرداخته شد.




مراجع:


[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.