کتاب تحلیل ‏عددی ‏رشد ‏ترک ‏در ‏مخزن ‏کامپوزیتی ‏تحت‌فشار ‏و ‏تحت ‏بارگذاری ‏حرارتی ‏و ‏مکانیکی

فهرست
عنوان صفحه
پیش‌گفتار 9
فصـل اول 15
مقدمه 15
اهمیت موضوع موردمطالعه 23
سؤالات 25
اهداف 25
جنبه‌ی نوآوری و جدید بودن موضوع 25
تعریف واژه‌ها و اصطلاحات 26
جمعبندی 27
فصـل دوم 29
بررسی سوابق موضوع 29
کامپوزیت 30
اجزای تشکیلدهنده‌ی کامپوزیتها 31
انواع مخازن 32
مخزن تحت فشار 32
اشکال مخازن تحت فشار 34
تقسیم‌بندی مخازن تحت فشار بر اساس دسته‌بندی متفاوت 35
طبقه‌بندی مخازن تحت فشار بر اساس شکل 35
طبقه‌بندی بر اساس فشار 38
طبقه‌بندی بر اساس ضخامت جداره 38
مخازن با جداره‌ی مشترک 38
مخازن تو در تو 39
مخازن پیشران کامپوزیتی الیاف پیچشی 40
بارگذاری در مخازن تحت فشار 41
تقسیم‌بندی کامپوزیتها 43
تست ضربه‌ی مخازن کامپوزیتی 43
ساختار کامپوزیت 44
مزیت‌های مخازن کامپوزیتی 45
نقاط ضعف کامپوزیتهای زمینه فلزی 47
تجهیزات و تکنولوژی موردنیاز جهت ساخت مخازن کامپوزیتی 47
انواع مخازن 48
مخازن نوع کاملا فلزی 48
فرآیند تولید مخازن فلزی 49
مخازن کامپوزیتهای کمرپیچ (مخازن فلزی- نیمه کامپوزیتی) 50
مخازن کامپوزیت‌های تمام‌پیچ با آستر فلزی (مخازن فلزی- تمام کامپوزیتی) 51
مخازن کامپوزیت‌های تمام‌پیچ با آستر غیرفلزی (مخازن تمام کامپوزیتی) 53
مخازن فلزی چندتکه 54
مخازن چندتکه‌ی کامپوزیتی 55
الیاف و زرین کامپوزیت‌ها 55
نگاهی به سازه‌های مشبک کامپوزیتی 55
فرآیند تقویت مخازن با الیاف کامپوزیتی 56
روش ساخت مخازن تحت فشار 59
متریال‌های موردنیاز در ساخت مخازن تحت فشار 60
مدهای شکست در مخازن 63
پیشینه‌ی مطالعات 64
جمع‌بندی 72
فصـل سوم 73
مواد و روش‌شناسی 73
روش‌شناسی 74
روش اجزاء محدود 75
شبکه‌بندی 77
سه شرط براي اصلاح شبکه 77
مدل گسیختگی کامپوزیتی 79
مواد مورد استفاده برای ساخت مخازن 80
معرفی نرم‌افزار اباکوس 80
روش گردآوری اطلاعات 81
روش کتابخانه‌ای 82
ابزار گردآوری اطلاعات 82
ابزار تجزیه‌وتحلیل داده‌ها 82
ایجاد هندسه‌ی مدل 83
تعریف متریال مورد استفاده برای مسئله 84
اختصاص جنس 88
المان‌بندی مسئله 90
تعریف نوع المان‌بندی 91
ایجاد ترک به روش XFEM 92
بارگذاری حرارتی 95
فصـل چهارم 97
نتایج و بحث 97
صحتسنجی 98
بحث 99
خلاصه‌ی یافته‌ها 100
پیشنهادات 104
منـابع و مآخـذ 105

کامپوزیت هاي زمینه فلزي یکی از اصلی ترین نوآوري ها در زمینۀ مواد مهندسی در 25 سال گذشته است.
هم اکنون فلزات سبک تقویت شده با ذرات، به علت داشتن ویژگیهاي فیزیکی و مکانیکی برجسته مورد توجه مصرف کنندگان و سازندگان مواد مهندسی هستند.
مهم ترین هدف در تولید و کاربرد کامپوزیت ها، دستیابی به بالاترین میزان نسبت استحکام به جرم و نسبت سفتی به جرم با استفاده از ماده اي سبک و ارزان است. از این رو تمایل کمتري براي تقویت فلزات سنگین تر مانند آهن و فولاد وجود دارد؛ چرا که در چنین فلزاتی با تهیه آلیاژ و نیز عملیات حرارتی، میتوان استحکام را به گونه اي اقتصادي تر افزایش داد.
کامپوزیت ها با توجه به کاربردهای فراونی که دارند، در گذشته بیشتر به منظور ساخت سازه های فرعی یا ثانویه استفاده شده است؛ اما امروزه به دلیل افزایش آگاهی درباره نحوه شکل دهی این مواد و افزایش رقابت در بازارهای جهانی برای ساخت قطعات سبک، در بسیاری از کاربردهای مهندسی با فناوری پیشرفته، کامپوزیت ها می توانند ماده انتخابی باشند. مزایای خاص کامپوزیت ها در مقایسه با فلزات، نظیر نسبت استحکام و سفتی به وزن زیاد، مقاومت خستگی، مقاومت خوردگی و به ویژه خواص ضربه¬ای زیاد، آنها را برای استفاده در بسیاری از اجزای سازه های خودروها، هواپیماها و کشتی¬ها مورد توجه قرارداده است.
براي طراحي مخازن كامپوزيتي كه داراي عملكرد مطمئن و امن در برابر ضربه باشند، مقاومت ورق هاي لايه اي در برابر ضربه بايد شناخته شده باشد. يكي از اين آزمونهائي كه بر روي مخازن كامپوزيت انجام مي شود تست ضربه از طريق سقوط مخزن مي‌باشد.
مخازن تحت فشار از جمله تجهیزاتی هستند که در شاخه نفت، گاز و پتروشیمی و در اغلب صنایع اصلی نظیر نیروگاه و حمل و نقل از کاربرد ویژه و قابل توجهی برخوردار بوده و این مخازن در صنعت به عنوان نگه دارنده هوای فشرده، منبع ذخیره آب، بویلرها، ذخیره انواع گازها، اتاقک تحت فشار، مخازن راکتور هسته ای و … مورد استفاده قرار می گیرند ]1[.
بعضی از مخازن تحت فشار از مواد کامپوزیتی ساخته شده اند که این رشته های ضخیم کامپوزیتی به وسیله فیبر کربن و یک نوع پلیمر مهار شده اند. به دلیل مقاومت کششی بسیار بالای فیبر کربن، این مخازن می‌توانند در اطراف یک بوش فلزی پیچانده شوند و یک مخزن تحت فشار کامپوزیتی را شکل دهند. در این مطالعه سعی شده است که با مدلسازی یک مخزن کامپوزیتی و بررسی نیروهای وارد شده بر جداره مخزن و محاسبات فشارهای وارده بر بدنه، بتوان مقدار کمانش ایجاد شده در آن را محاسبه کرد و با بهینه سازی کردن آن گام بلندی در حل مشکلات پیش رو برداشت.
برای بهبود و بهینه سازی مخازن جدار نازک کامپوزیتی از لحاظ وزن، استحکام از روش های عددی استفاده شده است و لایه ها کامپوزیتی بدست آمده در نرم افزار Abaqus مورد تحلیل قرار داده و نتایج تنش های ایجاد شده در مخازن به دست آمده در لایه های کامپوزیتی مورد بررسی قرار گرفته است.
به طور کلی مخازن تحت فشار در صنایع مختلفی کاربرد دارند. مثالهایی از کاربرد آن در مهندسی هسته ای، صنایع نظامی، صنایع نفت و گاز و در مواردی شکل دهی فلزات می باشد. برای دستیابی به استفاده بهینه از مواد و ماکزیمم کردن ظرفیت کارکرد مخازن، روش های مختلفی مورد مطالعه مورد مطالعه قرار گرفته است. استفاده از مواد کامپوزیتی در ساخت مخازن تحت فشار باعث صرفه جویی در مصرف مواد و کاهش هزینه می شود و معمولا مخازن تحت فشار کامپوزیتی به منظور کمینه کردن جرم و افزایش ظرفیت تحمل فشار طراحی می شوند. مخازن کامپوزیتی که بیشتر در صنایع هوافضا، دریایی و خطوط انتقال سیال کاربرد دارند، با توجه به نوع کاربرد و نحوه بارگذاری، از اهمیت ویژه ای برخوردارند. از طرفی مخازن فلزی هم دارای کاربردهایی می باشند؛ اما برای شناخت هر چه بیشتر مواد و پیش بینی رفتار مکانیکی در مخازن کامپوزیتی، در عمل باید شناخت رفتار سازه ای به ویژه اثر رشد ترک در دریچه ها، در آنها مورد مطالعه قرار گیرند. لذا این مطالعه با هدف شبیه سازی رشد ترک در مخزن کامپوزیتی تحت‌فشار و تحت بارگذاری حرارتی و مکانیکی به بررسی مخازن تحت فشار کامپوزیتی و فلزی می پردازد.
فرضیات باتوجه به موارد زیر بررسی می‌شود:
1. ابتدا تحلیل استاتیک بوده
2. فشار موجود در مخزن کامپوزیتی برابر با فشار موجود در مخازن فلزی فرض می شود.

از آنجایی که در کشور حمل و نقل مواد و سوخت های مایع و گاز از حساسیت و اهمیت بالایی برخوردار است، لذا این مطالعه بر اساس این معیار انجام میگیرد تا برخی از مشکلات و مواردهایی که نیازمند یک طراحی و تحلیل بهتر و جدیدتری است را بهبود بخشد. از اهمیت و ضرورت انجام این مطالعه حمل و نقل آسانتر انواع مواد حساس میباشد بطوریکه با بالابردن استحکام و کاهش وزن در آن بر اساس یک طراحی استاندارد به این نوآوری دست پیدا میکنیم.
در فصل دوم به ادبیات مطالعه شامل بررسی و مرور کارهای انجام شده در گذشته و چگونگی بارگذاری در مخازن تحت فشار پرداخته می‌شود بدین صورت که نیروها و بارگذاريهاي مختلف بر مخازن تحت فشار عامل پیدایش انواع تنش ها در بدنه مخزن می‌باشند. از آنجا که دسته بندي و تعریف تنش ها به بارگذاريهایی که آنها را تولید کرده اند برمی گردد، لذا شناخت و دسته بندي انواع بارگذاريهاي قابل بررسی در مخازن تحت فشار از اهمیت ویژه اي برخوردار است بارگذاريها از این نظر که به کجاي سازه اعمال می شوند و در چه زمانی به مخزن وارد می شوند، از یکدیگر متمایز شوند و کمک زیادي به شناخت تنشها می کند. بارگذاري ها ممکن است در کل مخزن وارد شوند و یا ایـن کـه بـر قسـمت محـدودي از مخزن مثل محل پایه ها اعمال شوند و فقط همان قسمت را تحت تأثیر قرار دهنـد. هـم چنـین یک بارگذاري مشخص ممکن است کم و بیش به طور پیوسته در مدت زمان طـولانی و بـه طـور یکنواخت به مخزن وارد شود و یا اینکه درلحظه ي کوتاهی بر مخزن اعمال شود و اثـر خـود را بگذارد و پس از آن قطع شود. همانند نیروهاي ناشی از زلزله و یا در طـی مـدت زمـان اعمـال بارگذاري، از نظر مقدار تغییر کند و به گونهاي بر سازه اعمال شود که آن را بارگـذاري نوسـانی می نامند.
به ساختار کامپوزیت پرداخته می¬شود بدین صورت که از لحاظ تئوري شکل کروي به دلیل داشتن تحمل فشار و تنش ایجاد شده و داشتن استحکام بالا بهترین حالت براي ساخت یک مخزن تحت فشار است؛ اما ساخت مخازن کروي مشکل است و هزینه بالایی را به همراه دارد. از طرف دیگر سطح اشغال شده توسط مخازن کروي باعث ایجاد محدویت در استفاده گسترده آنها می گردد. تنش در مخازن کروي در تمام محورهاي اصلی (X,Y,Z) برابر می باشد. همچنین اگر این مخازن از لحاظ وزن با یک مخزن استوانه اي مقایسه گردند، در حجم یکسان می باشند ولی کره فقط حدود نصف وزن استوانه را خواهد داشت. در هر حال ساخت مخازن کروي فلزي گرانتر می باشد. به همین دلیل آنها را در اندازههاي بزرگ به طور وسیع استفاده نمی کنند. ولی استفاده از مخازن کروي کامپوزیتی از نظر وزن بسیار سبک و از لحاظ قیمت بسیار مقرون به صرفه می باشند و هم چنین به لحاظ ایمنی نسبت به نوع فلزي خود از ایمنی خوبی برخوردار می باشد. مخازن کروي براي ذخیره سازي مایعات سبک و گازهاي تحت فشار (بوتان، پروپان و گازهاي طبیعی) مورد استفاده قرار می گیرند که از نظر اقتصادي مقرون به صرفه می باشد. همچنین طراحی فشار در این مخازن مبتنی بر حد مجاز و بیشتر از فشار بخار مخزن می باشد؛ بنابراین این مخازن را می توان در کاربردهاي برودتی براي ذخیره سازي گازهاي اکسیژن، نیتروژن، هیدروژن، اتیلن، هلیم و آرگون مورداستفاده قرار داد. کامپوزیت از دو قسمت اصلی ماتریس و تقویت کننده تشکیل شده است. ماتریس با احاطه کردن تقویت کننده آنرا در محل نسبی خودش نگه می دارد و تقویت کننده موجب بهبود خواص مکانیکی ساختار می گردد. به طور کلی تقویت کننده میتواند به صورت فیبرهاي کوتاه و یا بلند و پیوسته باشد.

یک ماده کامپوزیت را به صورت یک مخلوط فیزیکی، در مقیاس ماکروسکوپیک از دو یا چند ماده مختلف تعریف می کنند که این مواد خصوصیات فیزیکی و شیمیایی خود را حفظ کرده و مرز مشخصی را با یکدیگر تشکیل می دهند. این مخلوط در مجموع و با توجه به برخی معیارها خواصی بهتر از هر یک از اجزاء تشکیل دهنده خود را دارا می باشد. در کامپوزیت ها عموماً سه ناحیه متمایز شامل فاز پیوسته (ماتریس)، فاز ناپیوسته (تقویت کننده) و لایه مرزي بین این دو فاز وجود دارد که تعیین کننده خواص و مشخصه هاي ماده مرکب خواهند بود. فاز ناپیوسته غالباً به سه دسته کلی ذرات پودري، ذرات صفحه اي و الیاف تقسیم می¬شوند که هر دسته خصوصیات ویژه اي را در کامپوزیت ایجاد می کند.
در یک کامپوزیت به طور کلی الیاف، عضو بارپذیر اصلی سازه هستند؛ در حالی که فاز ماتریس آن ها را در محل و آرایش مطلوب نگه داشته و به عنوان یک محیط منتقل کننده بار بین الیاف عمل می کند؛ به علاوه آن ها را از صدمات محیطی در اثر بالارفتن دما و یا رطوبت و غیره حفظ می کند. بسیاري از مواد کامپوزیت تقویت شده با الیاف، ترکیبی از استحکام و مدول که قابل قیاس و یا بهتر از بسیاري از مواد فلزي سنتی است را ارائه می دهند. به خاطر پائین بودن وزن مخصوص این مواد، نسبت استحکام به وزن (استحکام ویژه) و نسبت مدول به وزن (مدول ویژه) مواد کامپوزیت به طور مشخصی برتر از مواد فلزي می باشد، به همین خاطر کامپوزیت هاي تقویت شده با الیاف به عنوان یک گروه اصلی از مواد مهندسی شناخته شده اند که در بسیاري از کاربردهایی که کاهش وزن سازه اهمیت دارند مانند صنایع شیمیایی، فضایی و غیره می تواند جانشین فلزات شوند. کامپوزیت هایی که تحت عنوان پلاستیک هاي تقویت شده نامیده می¬شوند عبارتند از: الیاف تقویت کننده (شیشه کربن یا آرامید و …) که در شبکه اي از رزین پخته شده قرار گرفته اند ]2[.
امروزه استفاده از انواع مخازن تحت فشار کامپوزیتی با مصارف متفاوت در ابعاد مختلف زندگی انسان ها به جزء لاینفکی تبدیل گردیده است. علیرغم گسترش انواع روش هاي طراحی و حرکت به سمت طراحی هاي بهینه، با توجه به محدودیت هاي موجود مانند محدودیت زمانی، مالی و مواد و حساسیت هاي کاربردي تجهیزاتی مانند مخازن تحت فشار کامپوزیت، انجام تست اینگونه تجهیزات به منظور اطمینان از صحت و کلیه مراحل طراحی و ساخت لازم ضروری می باشد.