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[1]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.
بامبو[2] یا نی خیز ران، یک سازه کامپوزیتی چوبی بسیار کارآمد می باشد. اجزاء بامبو همان سلولز و لیگنین می باشد با این تفاوت که بامبو توخالی است و این امر باعث می شود سازه سفت و سبک حاصل شود. چوبهای بلند ماهیگیری کامپوزیتی و چوبهای گلف، کپی شده از این طرح طبیعی هستند.
از جمله مواد کامپوزیت مصنوعی که به دست انسان ساخته شده می توان موارد زیر را نام برد.
آجرهای خشتی که اولین بار توسط مصریان بکار رفت و ترکیبی از گل و کاه می‌باشد.
تخته چندتایی که ترکیبی از ورقهای نازک چوب و چسب می باشد.
بتن مسلح که ترکیبی از فولاد و بتن می باشد. فولاد به لحاظ ساختار مکانیکی در مقابل کشش قوی بوده و بتن ماده ای است که دارای استحکام فشاری بالا می باشد. با ترکیب این دو ماده، سازه ای بوجود می آید که در مقابل کشش و فشار قابلیت بالایی از تحمل را از خود نشان می دهد.
تایر اتومبیل ترکیبی است از مخلوط لاستیک و تقویت کننده هایی نظیر فولاد، نایلون، آرامید یا دیگر الیاف. لاستیک به عنوان ماتریس عمل می کند و تقویت کننده را در جای خود نگه می دارد. ماتریس چسبی است که الیاف را در جای خود نگه می دارد.
با توجه به آنچه بیان گردید و با توجه به مثالهای بالا شاید تعریف کامپوزیتها در عین کامل بودن بسیار عمومی به نظر رسد.
تعریف پیشرفته مواد کامپوزیت که در این پروژه نیز بکار می رود به صورت زیر می باشد. ترکیبی از الیاف تقویت کننده و یک ماتریس پلیمری به عنوان رزین. به عنوان مثال می توان رزین پلی استر[3] والیاف تقویت کننده فایبر گلاس[4] را نام برد.
در ادامه در مورد الیاف و ماتریسها به صورت جداگانه صحبت خواهد شد.
1-2- مزایای کامپوزیتها
استفاده روز افزون کامپوزیتها در ذهن هر خواننده ای این مساله را تداعی می کند که چرا این مواد با این سرعت در حال رشد و تکامل هستند. آنچه مسلم است این مواد نسبت به سایر مواد مهندسی مرسوم (عموماً فلزها) دارای مزایای قابل توجه ای هستند که در ذیل تعدادی از آنها نام برده شده است.
- استحکام ویژه بالا :
استحکام ویژه، عبارتی است که به نسبت استحکام به وزن اطلاق می شود. کامپوزیتها از استحکام ویژه بالاتری نسبت به بسیاری از مواد دیگر برخوردار هستند. مواد کامپوزیت برای نیازهای استحکامی خاص در یک کاربرد می توانند طراحی شوند. توانایی استفاده کردن از انواع رزین ها و الیاف و همچنین نحوه قالبگیری و ترکیب آنها باعث فراهم شدن رنج بالا و متنوعی از استحکام برای این مواد شده است.
- 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 1947 گارد ساحلی آمریکا یک سری قایقهای گشتی 40 فوتی را با استفاده از رزین پلی استر و فایبرگلاس ساخت. این قایقها تا اوایل دهه 1970 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 2% تا 3% از استحکام اولیه بعد از 25 سال سرویس سخت افت کرده است.
تفاوتهای بیشمار دیگری از قایقها، ساختمانها و دیگر سازه های کامپوزیتی در سال 1950 وجود دارد که هنوز درحال سرویس دهی هستند.
بدنه اولیه اتومبیلهای کروت[5] در سال 1953 فایبرگلاس بوده اند و به استثناء تعمیرات تزئیناتی، تاامروز سالم و بی عیب مانده اند.
مواردی از مجاری و لوله های فایبرگلاس که در کارخانجات شیمیایی به مدت 25 سال به کار گرفته شده اند موجود هستند، که در شرایط محیطی بسیار سخت شیمیایی و به صورت 24 ساعته و هفت روز در هفته در حال کار بوده اند.
- انعطاف پذیری طراحی:
کامپوزیتها نسبت به دیگرمواد این مزیت را دارند که می توانند با شکلهای پیچیده نسبت به هزینه کم قالبگیری شوند. انعطاف پذیری در ایجاد شکلهای پیچیده، به طراحان آزادی عمل می دهد که نشانی از موفقیت کامپوزیتها است. قایقها نمونه ای از این توانایی شکل پذیری کامپوزیتها را نشان می دهند.
- 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.
از دیگر مزایای کامپوزیتها می توان به موارد زیر اشاره کرد:
- پایداری حرارتی خوب
- توانایی بالا در جذب انرژی ها
- ظرفیت دمپینگ بالا
- مقاومت به خستگی بالا
- هزینه پرداخت کاری پائین
1-3- محدودیتهای کامپوزیتها
محدودیت کامپوزیتها را می توان در موارد ذیل جمع بندی کرد.
- با وجود آنکه قوانین ساده ای برای نمونه های کوچک وجود دارد. اما پیش بینی خواص نمونه های بزرگتر مسئله ساز بوده و از لحاظ ایمنی باعث وقوع زیانهای جدی می گردد.
- پیچیدگی کنترل کیفیت قطعات ساخته شده از مواد مرکب بویژه قطعات حساس و تحت تنشهای مکانیکی شدید نظیر قطعات هواپیما.
- طرح مهندسی ویژه کامپوزیتها، این محدودیت بیشتر در موارد عمومی صنعتی وجود دارد، نه در تا صنایع فضایی که در آن، طرح های غامض معمول می باشد.
- محدودیت تخصصی و آموزشی در تمام سطوح در عرصه طراحی، ساخت و مصرف کامپوزیتها.
1-4- تاریخچه صنعت کامپوزیتها
استفاده ازمواد کامپوزیت طبیعی، بخشی از تکنولوژی بشر از زمانی که اولین بناهای باستانی، کاه را برای تقویت کردن آجرهای گلی بکار بردند بوده است.
مغولهای قرن دوازدهم، کمانهای پیشرفته ای را که کوچکتر و قوی تر از دیگر وسایل مشابه بودند، ساختند. این کمانها سازه‌های کامپوزیتی بوده اند که بوسیله ترکیب زردپی احشام (تاندون)، شاخ، خیزران (بامبو) و ابریشم ساخته شده بودند و با کلوفون طبیعی پیچیده می شدند. این کمانها از نظر قدرت 80% کمانهای کامپوزیتی مدرن بودند.
در اواخر دهه 1800 میلادی سازندگان قایقهای کانو، از چسباندن لایه های کاغذ محکم کرافت[6] با نوعی لاک به نام شلاک[7] اقدام به ساخت قایقهای سبک و یک نفره می کردند. با وجود اینکه تئوری حاکم کاملاً صحیح بود ولی به علت عدم وجود مواد مناسب برای ساخت کامپوزیتها این قایقها چندان موفق نبودند.
در سالهای بین 1870 تا 1890 انقلابی در شیمی بوقوع پیوست. اولین رزینهای مصنوعی ساخت بشر توصعه یافت. رزینهای امروزی که به رزینهای پلیمری معروف هستند، از حالت مایع به حالت جامد توسط پیوند متقاطع مولکولی تبدیل می شوند. رزینهای مصنوعی اولیه شامل، سلولوئید، ملامین، و باکلیت[8] بودند.
در اوایل دهه 1930 دو شرکت شیمیایی که روی توسعه رزینهای پلیمری فعالیت می کردند، عبارت بودند از “American Cyanamid” و “Dupont”. این دو شرکت در یک زمان به تکنولوژی ساخت پلی استر دست یافتند.
در همان زمان، شرکت شیشه “Owens-lllinois” شروع به ساخت الیاف شیشه به همان صورت بنیادی بافت پارچه نساجی نمود. در طی سالهای 1934، 1936 محققی به نام Ray Green در اوهایو این دو محصول جدید را ترکیب کرد و شروع به قالبگیری قایقهای کوچک نمود. بدین وسیله اولین کامپوزیت مدرن ساخته شد
...
فهرست مطالب
عنوان صفحه
فصل اول: مقدمه ای بر مواد مرکب
1-1- کامپوزیت چیست؟......................... 2
1-2- مزایای کامپوزیتها...................... 4
1-3- محدودیتهای کامپوزیتها................... 7
1-4- تاریخچه صنعت کامپوزیتها................. 8
1-5- فازهای کامپوزیتی و تقسیم بندی کامپوزیتها 10
1-6- خواص کامپوزیتها........................ 12
1-7- مقاومت کامپوزیتهای لیفی................ 14
فصل دوم: ماتریسها (رزیتها)
2-1- ماتریسها............................... 18
2-2- پلیمریزاسیون........................... 19
2-3- پلیمرهای گرما سخت و گرما نرم........... 20
2-4- رزینهای ترموپلاستیک (گرما نرم).......... 20
2-5- رزینها گرما سخت (ترموست)............... 21
2-6- نقش ماتریسها........................... 22
2-7- رزینهای اپوکسی......................... 23
2-8- معایب رزینهای اپوکسی................... 24
2-9- تقسیم بندی انواع تجاری رزینهای اپوکسی... 24
2-10- رزینهای پلی استر غیراشباع............... 25
2-11- انواع رزینهای پلی استر تجاری............ 26
2-12- خصوصیات رزینهای پلی استر............... 28
2-13- معایب رزینهای پلی استر غیراشباع......... 28
2-14- رزینهای فنولیک........................ 29
2-15- خواص و کاربردهای رزینهای فنولیک....... 30
2-16- معایب و محدودیتهای رزینهای فنولیک...... 30
2-17- ماتریسهای فلزی........................ 31
عنوان صفحه
فصل سوم: الیاف (تقویت کننده ها)
3-1- تقویت کننده ها......................... 33
3-2- تقویت کننده های لیفی................... 33
3-3- الیاف شیشه............................. 35
3-4- مزیتهای اصلی الیاف شیشه................ 35
3-5- عیوب اصلی الیاف شیشه................... 36
3-6- سایز الیاف............................. 38
3-7- آهار................................... 39
3-8- خواص الیاف شیشه........................ 40
3-9- الیاف پیشرفته.......................... 41
3-10- الیاف بور............................. 42
3-11- خواص و کاربرد الیاف بور............... 43
3-12- الیاف سیلیکون کاربید.................. 44
3-13- الیاف سیلسیم کاربید................... 44
3-14- الیاف آلومینا......................... 45
3-15- الیاف کربن وگرافیت.................... 46
3-16- الیاف کربن............................ 46
3-17- خواص الیاف کربن و گرافیت.............. 48
3-18- کامپوزیتهای کربن و گرافیت............. 48
3-19- مزیتهای اصلی الیاف کربن............... 49
3-20- بحث میکروسکوپی در مورد الیاف کربن...... 49
3-21- الیاف آرامید یا پلی آمیدهای حلقوی..... 50
3-22- خصوصیات آرامیدها...................... 51
3-23- الیاف پلی اتیلن....................... 52
3-24- الیاف سرامیکی......................... 52
3-25- مقایسه الیاف مختلف..................... 53
عنوان صفحه
فصل چهارم: ساخت مواد مرکب
4-1- فرایندهای ساخت کامپوزیتها.............. 56
4-2- قالب گیری باز........................... 56
4-3- قالب گیری بسته.......................... 57
4-4- تقسیم بندی براساس حجم تولید............ 58
4-5- تعاریف فرایند قالب گیری باز............. 59
4-6-تعاریف بکار بردن رزین................... 59
4-7- روش لایه گذاری دستی...................... 60
4-8- روش پاشش توسط پیستوله.................. 62
4-9- فیلامنت وایندینگ........................ 63
4-10- قالب گیری فشاری........................ 66
4-11- روش کششی.............................. 69
4-12- قالب گیری با کیسه خلاء.................. 70
4-13- فرایند تزریق در خلاء................... 73
4-14- قالب گیری به روش انتقال رزین RTM....... 74
فصل پنجم: کاربرد کامپوزیتها
5-1- مقدمه.................................. 79
5-2- صنایع حمل و نقل جاده ای................. 79
5-3- استفاده از مواد کامپوزیت در ساخت تانکهای جنگی و سلاح 81
5-4- کاربرد کامپوزیتها در صنایع هوا فضا..... 82
5-5- استفاده در ساخت فضاپیماها.............. 84
5-6- استفاده کامپوزیتها در صنایع حمل و نقل ریلی 86
5-7- کاربرد کامپوزیتها در واحدهای شیمیایی... 86
5-8- کامپوزیتها درصنعت دریایی............... 88
5-9- صنایع الکتریکی.......................... 88
5-10- صنعت هسته ای.......................... 89
فصل ششم: تئوری حاکم بر مواد مرکب
6-1- مقدمه.................................. 91
عنوان صفحه
6-2- رفتار ماکرومکانیک یک لایه............... 91
6-3- ثابتهای مهندسی برای مواد ارتوتروپ...... 95
6-4- جهت گیری الیاف در مواد مرکب............. 96
6-5- استحکام در مواد مرکب................... 96
6-6- تئوریهای شکست در حالت دو محوری بر مواد ارتوتروپ 97
6-7- تئوری تنش حداکثر....................... 97
6-8- معیار کرنش حداکثر...................... 98
6-9- تئوری Tsai-Hill............................ 99
6-10- تئوری Tsai-Wu........................... 101
فصل هفتم: کمانش پوسته ها و مباحث تئوری مربوط به آن
7-1- مقدمه.................................. 104
7-2- معادلات غیرخطی تعادل ورق................. 106
فصل هشتم: آشنایی با المان محدود و نرم افزار ANSYS
8-1- مقدمه.................................. 126
8-2- مسائل مهندسی........................... 126
8-3- روشهای عددی............................ 127
8-4- تاریخچه ای کوتاه بر روش المان محدود و نرم افزار ANSYS 128
8-5- مراحل اصلی در روش المان محدود............ 131
8-6- توابع شکل (Shape Function)................... 132
8-7- تقسیم بندی یک ناحیه به تعدادی المان برای المانهای یک بعدی 133
8-8- معرفی توابع شکل برای یک المان خطی........ 134
8-9- خواص توابع شکل......................... 145
8-10- المان درجه دوم......................... 136
فصل نهم: مدل سازی مواد مرکب در ANSYS 5.4
9-1- مقدمه.................................. 139
9-2- مدل سازی مواد مرکب در روش h-method........ 139
9-3- المان Sheel-91............................. 139
عنوان صفحه
9-4- المان Shel-99.............................. 141
9-5- المان Solid-46............................. 142
9-6- مدل سازی مواد مرکب در روش p-method........ 143
9-7- روش تعریف ساختارهای لایه ای............. 144
9-8- روش تعریف خصوصیات هر لایه بطور جداگانه.. 144
9-9- تفاوت روش p-method / h-method................. 144
9-10- روش تحلیل کمانش در نرم افزار ANSYS..... 145
9-11- نکاتی در مورد مش بندی توسط نرم افزار ANSYS 145
9-12- نکاتی در مورد تحلیل کمانش.............. 148
9-13- تحلیل ورق های دایره ای شکل در نرم افزار ANSYS 149
9-14- حل مساله کمانش توسط دستورات APDL...... 160
9-15- برنامه APDL برای حل مساله کمانش....... 161
فصل دهم: نتایج
10-1- مقدمه................................. 170
10-2- ملاحظات................................ 170
فصل یازدهم: نتیجه گیری و پیشنهاد برای ادامه کار
11-1- مقدمه................................. 247
11-2- نقش ضخامت بر بارهای حاصل از کمانش..... 247
11-3- نقش مدولهای الاستیسیته.................. 250
11-4- زاویه الیاف و تاثیر آن در کمانش........ 252
11-5- پیشنهاد برای ادامه کار................ 253
مراجع....................................... 255
ضمائم....................................... 256
193 صفحه فایل Word
9 صفحه فهرست فایل Word
دانلود پروژه بررسی کمانش ورقهای مدور مرکب با تئوری المان محدود
