عملکرد کمانش پوسته استوانه ای کامپوزیت پلیمری سفت شده

راه های زیادی برای تقویت ساختار پوسته استوانه ای وجود دارد [1]، [2]. در مقایسه با افزایش ضخامت پوسته، دنده های سفت شده می توانند به طور موثر مقاومت کمانشی پوسته را تحت فشار خارجی یکنواخت بهبود بخشند. از دشواری پردازش تولید پوسته های ضخامت بزرگ جلوگیری می کند و همچنین طراحی سبک وزن ساختار پوسته را درک می کند. با افزایش ضخامت پوسته استوانه ای کامپوزیت فیبر کربن، هزینه ساخت و سختی آن نیز افزایش می یابد. با استفاده از تقویت دنده در پوسته، می توان وزن سبک تری به دست آورد و در عین حال ظرفیت حمل بار را به میزان قابل توجهی بهبود بخشید.

تاکنون بسیاری از محققان کمانش پوسته های فشار کامپوزیت بدون تقویت دنده را مورد مطالعه قرار داده اند. لی و همکاران [3]، مون و همکاران. [4]، گوان و همکاران. [5] رفتار کمانشی پوسته های استوانه ای کامپوزیت فیبر کربن را تحت فشار خارجی به صورت تجربی و عددی بررسی کرده بود. نتایج نشان داد که ویژگی های کمانش پوسته های استوانه ای کامپوزیت فیبر کربن تحت تأثیر عواملی مانند نسبت طول به شعاع، نسبت ضخامت به شعاع، زاویه لایه، چیدمان لایه و عیوب اولیه قرار دارد. خوزه و همکاران [6] نتایج عددی را از طریق آزمایش فشار خارجی مدل سیم‌پیچ فیبر ارزیابی کرد. نتایج نشان داد که وقتی نسبت ضخامت به شعاع ( t/r ) کمتر از 1:10 بود، پوسته با کمانش شکست خورد. خرابی پوسته با t/r بزرگعمدتاً ناشی از شکست لایه‌برداری ناشی از برش درون صفحه است و شکست کمانش ناشی از آسیب مادی است. این مطالعه نشان داد که ضخامت تأثیر قابل‌توجهی بر حالت شکست پوسته‌های استوانه‌ای کامپوزیت چند لایه دارد. محققان بیشتری به ویژگی‌های کمانش پوسته‌های استوانه‌ای مرکب توجه می‌کنند، اما تحقیقات کمی در مورد چگونگی تقویت سازه انجام شده است.

در سال‌های اخیر سازه‌های تقویت‌کننده به تدریج در سازه‌های مختلف مانند صفحات، منحنی‌ها، استوانه‌ها و مخروط‌ها اعمال شده‌اند. تقویت پوسته فلزی به طور گسترده مورد مطالعه قرار گرفته است [7]، [8]. علاوه بر این، سازه تقویت شده کامپوزیت بیش از پیش مورد توجه محققان داخلی و خارجی قرار گرفته است. لین و همکاران [9] دریافتند که پوسته تقویت شده با شبکه می تواند ظرفیت باربری محوری و جانبی را از طریق بررسی های تجربی به طور قابل توجهی افزایش دهد. معینی فرد و همکاران [10] تحقیقات تجربی روی پوسته‌های استوانه‌ای کامپوزیت شیشه‌ای اپوکسی انجام داد و آن‌هایی را که با تقویت‌کننده‌های شبکه‌ای الماسی شکل تقویت شده‌اند با آن‌هایی که بدون تقویت تحت فشار جانبی تقویت شده‌اند، مقایسه کرد. آزمایش ها نشان داد که ظرفیت تحمل بار پوسته های تقویت شده می تواند به دو برابر پوسته های تقویت نشده برسد. بوراگوهین و همکاران [11] به طور تجربی سه نوع مختلف از ساختارهای استوانه ای – پوسته تقویت نشده، استوانه شبکه ای و پوسته تقویت شده با شبکه را مورد مطالعه قرار داد. مجید و همکاران [12] آزمایش‌های فشرده‌سازی جانبی را روی دو نوع مختلف از پوسته‌های استوانه‌ای، کامپوزیت‌های شیشه/اپوکسی تقویت‌شده با شبکه‌ای لوزی و تقویت‌نشده انجام داد. در همین حال داوود و همکاران. [13]، رحیمی و همکاران. [14]، وو و همکاران. [15]، م. یزدانی و همکاران. [16] شکل شکست پوسته های استوانه ای کامپوزیت سفت شده را تحت بارگذاری محوری مطالعه کرده بود. م. یزدانی و همکاران. [16] شکل شکست پوسته های استوانه ای کامپوزیت سفت شده را تحت بارگذاری محوری مطالعه کرده بود. م. یزدانی و همکاران. [16] شکل شکست پوسته های استوانه ای کامپوزیت سفت شده را تحت بارگذاری محوری مطالعه کرده بود.

در تجزیه و تحلیل عددی، چو [8]، [17] تأیید کرد که FEM (روش اجزای محدود) یک تکنیک مؤثر برای پیش‌بینی و بهینه‌سازی طراحی سازه و رفتار مکانیکی از طریق آزمایش است. ساموئل و همکاران [18] مورد بررسی، بار کمانش کلی ستون‌های مرکب سخت‌شده عرضی و طولی را با ایجاد یک مدل سختی معادل برای پوسته‌های استوانه‌ای کامپوزیت تقویت‌شده با شبکه مورد مطالعه قرار داد. مشخص شد که جهت تقویت اثر قابل توجهی بر بار کمانش دارد. فدویان و همکاران [19] عناصر رفتار کمانشی کامپوزیت های مختلف سفت شده با شبکه (کربن/اپوکسی، شیشه/اپوکسی و آرامید/اپوکسی) را تحت فشار محوری بررسی کردند. در مقایسه با نتایج تجربی، عنصر جامد بالاترین دقت محاسباتی را داشت. اما عنصر تیر B32 در پیش‌بینی حالت ارتعاش مودال کمانش و بار کمانش چندان قابل اعتماد نبود. رن و همکاران [20] کمانش یک سازه سخت شده با شبکه پیشرفته را با استفاده از سه روش مختلف بررسی کرد: مدل سختی معادل، مدل المان محدود و مدل ترکیبی ترکیبی از مدل سختی معادل و مدل اجزای محدود. آزمون‌های کمانش برای تأیید اثربخشی رویکردهای مدل‌سازی مختلف انجام شد.

به طور کلی تحقیق در مورد تقویت مواد کامپوزیت مقیاس مشخصی داشته است. با این حال، مطالعه پوسته های فشار کامپوزیت آجدار تحت فشار هیدرواستاتیک هنوز محدود است. علاوه بر این، یک تحلیل سیستماتیک از چگونگی دستیابی به تقویت سازه با طراحی پارامترهای پوسته و دنده وجود ندارد. هدف این مقاله بررسی عملکرد کمانش پوسته‌های استوانه‌ای مرکب سفت شده تحت فشار خارجی یکنواخت با استفاده از یک رویکرد ترکیبی عددی و تجربی است. تجزیه و تحلیل کمانش خطی و غیرخطی برای تجزیه و تحلیل اثرات توزیع دنده، پارامترهای هندسی دنده و پارامترهای پوسته بر عملکرد کمانش پوسته‌های استوانه‌ای مرکب سفت شده انجام شد. پوسته استوانه ای کامپوزیت سفت نشده و پوسته استوانه ای کامپوزیت سفت شده با دنده های حلقوی ساخته شد. بار کمانش و حالت شکست پوسته‌های استوانه‌ای مرکب تحت فشار خارجی هیدرواستاتیک با روش‌های عددی و تجربی بررسی شد. نتایج تحقیق مبنای مناسبی را برای کاربرد عملی بعدی کامپوزیت های آجدار در مهندسی فراهم می کند.