هسته‌های مشبک به دلیل دارا بودن وزن کم و مکانیزم فروریزش مناسب، دارای ظرفیت جذب انرژی بالایی هستند. در این مقاله پانلهای ساندویچی با هسته مشبک سه بعدی که توسط پرینترهای سه بعدی ساخته شده اند، تحت بارگذاری محوری به روش تجربی مورد بررسی قرار گرفته است و در این راستای مطالعه در چگونگی رفتار فروریزش این پانلهای ساندویچی نمودارهای نیرو جابهجایی مورد مطالعه قرار گرفته است.
آنالیز و تحلیل پارامترهای مورد بررسی در آزمون تجربی با استفاده از طراحی آزمایش با روش سطح پاسخ باکس- بنکن انجام گردید، که در این راستا تاثیر تعداد لایههای هسته، اندازه زاویه بین لینکها و اندازه قطر لینک‌های سلولهای هسته مشبک بر میزان جذب انرژی مورد بررسی قرار گرفت.
نتایج نشان داد که با کاهش زاویه بین لینکها و افزایش قطر لینک‌های هسته مشبک در یک محدوده تعیین شده باعث بهبود عملکرد پانلهای ساندویچی، تحت بارگذاری محوری میگردد. برهمکنشی بین پارامتر تعداد لایههای هسته و دو پارامتر دیگر یعنی زاویه و قطر لینکها مشاهده نشد. افزایش لایه های هسته تا تعداد بهینه تعیین شده، باعث افزایش جذب انرژی ویژه گردید و در خارج از این نقطه، عملکرد پانل در رفتار جذب انرژی کاهش می‌یابد.
نمونه بهینه با میزان 3.87839 ژول بر گرم جذب انرژی ویژه و نیروی بیشینه اولیه با مقدار 3458.9 نیوتون، عملکرد بالایی را به عنوان یک جاذب انرژی نشان داد. همچنین نتایج نشان داد که قطر لینک‌های هسته بیشترین تأثیر را بر نیروی بیشینه اولیه دارد.
انتشار مقاله:
بیست و نهمین همایش بین المللی انجمن مهندسان مکانیک ایران و هشتمین همایش صنعت نیروگاههای حرارتی دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی، تهران، ایران، 4 تا 6خرداد 1400
ساختارهای سه بعدی شبکه‌ای، همه جا در طبیعت هستند و نیز در انواع برنامه‌های کاربردی مهندسی استفاده می‌شوند، اعم از ساختار ساندویچ با هسته چگالی کم برای حفاظت از سازه‌ها به عنوان جاذب انرژی. در این زمینه، مکانیک سازه سلولی دو بعدی به صورت گسترده با استفاده از رویکردهای نظری، مدل‌های محاسباتی و آزمایش‌های قوی بررسی شده است و لازم است بر روی حالت سه بعدی بیشتر کار شود.
ساختارهای سلولی با سازمان ساختاری لوزی دوازده وجهی در طبیعت مشاهده شده است. زنبورعسل با استفاده از هندسه دوازده وجهی لوزی به شکل لانه زنبوری که هر کدام یک منشور شش ضلعی با نیم دوازده وجهی لوزی است بهره می‌برد. برخی از مواد معدنی مانند گارنت (سنگ‌های نیمه قیمتی) یک عادت کریستال لوزی دوازده وجهی مانند تشکیل می‌دهد.
مک کاون و همکاران به بررسی فروریزش و جذب انرژی بر روی ساختارهای سلولی پرداختند. در نتایج خود به این نکته اشاره کردند که هسته با جهت‌گیری صفر و 45 در فروریزش خود دچار کمانش در سلول‌ها شده است در حالی که هسته با جهت‌گیری فقط 45 فروریزشی همگن از خود نشان داده است. در مطالعات ایشان توجهی به تاثیرات ساختار و نوع اسکلت شبکه‌های سلولی در میزان جذب انرژی نشده است.
رائومینس و همکاران به بررسی جذب انرژی در پانلهای ساندویچی با هسته سلولی سه بعدی تحت بارگذاری موضعی پرداختند. در ادامه کار هسته مورد مطالعه را با پانل با هسته لانه زنبوری مورد مقایسه قرار دادند. آنها بیان کردند که ساختار شبکه سلولی با کیفیت بهتر و حساسیت کمتری نسبت به هسته لانه زنبوری از خود در برابر شرایط ساخت واکنش می‌دهند.
پانل با هسته سلولی در برابر ضربات جسم خارجی می‌تواند عملکرد بهتری از خود نشان دهد به ویژه که میتوان با استفاده از مواد مختلف در ساخت هسته و بررسی ساختاری هسته این رفتار را بهبود بخشید. همچنین رائومیس و همکاران بیان کردند که برای کارهای آینده و انجام تحقیقات بیشتر بر روی سرعت و جذب انرژی در هسته‌های مشبک، از نقطه نظر ساختار هسته بررسی‌های بیشتری انجام شود.
لیجون ژیااو و همکاران در راستای مطالعه بر روی خواص مکانیکی ساختارهای سلولی به بررسی انرژی جذب شده از شبکه در دمای بالا پرداختند و نتایج تجربی ساختار سلولی از جنس فولاد ضد زنگ را با فوم آلومینیوم و فوم تیتانیوم مقایسه کردند. در نهایت نشان دادند که لوزی دوازده وجهی تیتانیم ساختار شبکه را میتوان به عنوان اجزای تحمل بار و جاذب انرژی در دمای بالا مورد استفاده قرار داد و در مقایسه با دیگرساختارهای سلولی با تراکم نسبی مشابه، ساختار دوازده وجهی لوزی شکل را با ظرفیت مقاومت تغییر شکل و جذب انرژی بسیار عالی‌تر معرفی کرد.
همانطور که در این بخش اشاره گردید، ساختارهای سلولی در راستای تغییر شکل زیادی که در میکرو ساختارهای آنها می‌یابد، منجر به توان اتلاف انرژی بالایی می‌شود. توماس تانکوگن و همکاران به این نتیجه رسیدند که ساختار سلولی ظرفیت جذب انرژی ویژه را تا 30 درصد نسبت به ماده سازنده پایه افزایش می‌دهد که این افزایش به صورت چشمگیری از ساختار لانه زنبوری با دیواره نازک معمولی بیشتر است.
همچنین نتایج تحقیقات صورت گرفته در راستای جذب انرژی بر روی ساختارهای سلولی نشان از بالا بودن ظرفیت جذب انرژی ویژه توام با پایین بودن نیروی قله اولیه می‌دهد که یک حالت ایده‌آل برای جاذب‌ها محسوب می‌شود. رائو مینس و همکاران از کیفیت بالا و حساسیت کمتر ساختارهای لوزی شکل دوازده وجهی نسبت به هسته لانه زنبوری در برابر بارگذاری اطلاع می‌دهند.
ژوهال اوزدمیر و همکاران بیان کردند که ساختار لوزی دوازده وجهی بیشترین جذب انرژی را نسبت به سایر ساختارها از خود نشان می‌دهد. لیجون ژیااو و همکاران نیز موفقیت این نوع ساختار در جذب انرژی را تایید کردند.
>> بیشتر بدانید: خط تولید بطری پلاستیکی با پرینتر سه بعدی
ساخت صفحات مشبک به روش‌های مختلفی، از جمله روش ریخته‌گری و استفاده از پرینترهای سه بعدی با مواد پلیمری وجود دارند. در این تحقیق با روش پرینتر سه بعدی برای ساخت هسته مشبک سلولی با ورق‌های بالا و پایین مورد استفاده قرار گرفت نمونه سه بعدی پانل و سلول هسته در شکل 1 نشان داده شده است.
پرینت پانلهای ساندویچی با پرینترهای سه بعدی FDM انجام گردید، لازم به ذکر است اندازه نازل مورد استفاده طبق استاندارد 0.4 میلیمتر بوده و دقت لایه گذاری 40 میکرون تعیین شده است. از مزیت‌های این روش تولید در مرحله‌ی اول میتوان به دقت ساخت آن اشاره کرد. برای ساخت تمامی نمونه‌ها، از مواد پلیمری PLA استفاده شده است.
به منظور بررسی خواص مکانیکی ورقه‌ها، با استفاده از استاندارد E08M ASTM-04 پنج نمونه استاندارد، تحت آزمایش کشش در آزمایشگاه متالورژی رازی قرار داده شده و نتایج در جدول 1 آورده شده است. همچنین در شکل 2 نمودار تنش برحسب کرنش حقیقی که از نتایج آزمایش کشش ورق‌های پلیمری PLA به دست آمده، رسم شده است. زاویه پرینت تمامی نمونه‌ها 45 درجه می‌باشد.
برای انجام آزمایش‌های محوری شبه استاتیکی از دستگاه آزمایش کشش و فشار STM SANTM 400 با ظرفیت 40 تن، دانشکده مواد و متالوژی دانشگاه سمنان استفاده شده است. نمایی از این دستگاه در شکل 3 آمده است. دستگاه آزمایش کشش و فشار از دو فک تشکیل شده است، فک پایینی آن ثابت و فک بالایی آن متحرک می‌باشد. سرعت بارگذاری در آزمون شبه‌استاتیکی برابر 10 میلیمتر در دقیقه است. در حین فرآیند جابهجایی مقدار نیروی وارده به نمونه توسط کامپیوتر ترسیم شده و نمودار نیرو جابهجایی را رسم میکند.
شکل 1 پانلهای مشبک ساخته شده به روش پرینت سه بعدی
شکل 2 نمودار تنش-کرنش حقیقی
جدول 1خواص مکانیکی پلیمری PLA
در این مقاله، برای دستیابی به یک رابطه کمی بین خواص جذب انرژی و عوامل ورودی از طراحی آزمایش و روش سطح پاسخ استفاده می‌شود. روش سطح پاسخ مجموعه‌ای از روش‌های آماری و ریاضی برای شبیه‌سازی و تحلیل مسائلی است که متغیر پاسخ از چندین متغیر در ورودی تأثیر می‌پذیرد و پاسخ به صورت یک رویه یکپارچه ارائه میگردد.
با توجه به اهداف تحقیق، عاملهای طراحی و دامنه تغییرات آنها، مطابق جدول 2 لحاظ میگردد. این عامل‌ها شامل زاویه لوزی سلول هسته، ضخامت یا قطر لینک‌های سلول‌ها و تعداد لایه در هسته می‌باشند که در شکل 4 نشان داده شده است. به علت محدودیت در ساخت نمونه‌ها توسط پرینتر سه بعدی حداقل زاویه بین لینکها برابر 60 درجه و حداقل قطر لینکها 2 میلیمتر تعیین میگردد. با استفاده از نرم‌افزار طراحی آزمایشDesign Experts ، تعداد حالت‌های آزمایش با سه نقطه مرکزی برای بررسی رفتار ساندویچ پانلی در فصل چهارم مطرح میگردد.
جدول 2 عاملهای طراحی و بازه تغییراگ آنها
شکل 4 تعریف پارامترهای هندسی یک سلول هسته مشبک
همانطور که از این شکل‌های 5 و 6 مشخص است در ابتدا سطح نمودار نیرو – جابهجایی به صورت خطی افزایش می‌یابد و تا مقدار اوج اول که با شروع فروریزش سلول‌ها در لایه اول به اتمام می‌رسد ادامه می‌یابد؛ سپس مشاهده میگردد که با شروع فروریزش سطح نمودار شروع به کاهش میکند. این رفتار مجدداً با رسیدن به سلولهای لایه بعدی تکرار میگردد و نیرو تا قله دوم دنبال می‌شود.
پس از فروپاشی کامل سلول‌ها در هسته، بار مانند رفتار فشرده سازی یک جسم جامد نیرو را ثبت میکند که پیوسته در حال افزایش است. نوسانات سطح نمودار نیرو- جابهجایی را میتوان برای تمامی پیکربندی‌های هسته در پانلهای ساندویچی به طور مشابه توجیه کرد. از این شکل‌ها مشخص است که اولین قله برای همه تنظیمات در جابجایی بین 2 تا 3 میلیمتر اتفاق می‌افتد.
همانطور که دراین نمودار نشان داده شده است، در بیشتر نمونه‌ها دومین قله نیروی کمتر از اولین نیروی بیشینه است، به این معنی که ممکن است برخی از سلولهای باقیمانده هسته پس از خرابی سلولهای لایه اول درهسته از کار افتاده باشند و کارایی ابتدایی خود را ندارند.
فروریزش ساندویچ پانل با هسته ضعیف‌تر به قطر لینک‌های 2 میلیمتر و زاویه بین لینک‌های 120 درجه (5، 2، 120) با نیروی نسبتاً کم، N250 شروع شد و خم شدن لینکها در مراحل ابتدایی فروریزش در طی آزمون دیده نشد و سلولهای هسته در جهت زاویه 45 درجه در هسته فروریزش را تجربه کرد.
مطابق شکل 5 در طی آزمایش بر روی نمونه 3، 4، 60مشاهده شد که شروع فروریزش هسته به دلیل قطر بیشتر لینک‌های هسته و درجهات پایین‌تر بین لینک‌های هسته، در نیروی بسیار بالاتری از N 6600 رخ داده است. در این نوع هسته‌ها، پس از خرد شدن یک سلول از هسته شبکه، فشرده‌سازی هسته و خم شدن لینک‌های سلول‌ها در هسته بهم پیوند خورده است و در واقع تمامی هسته با هم شروع به فروریزش می‌کنند.
شکل 5 نمودار نیرو-جابه جایی نمونه 60.4.3 و چگونگی فروریزش
شکل 6 نمودار نیرو-جابه جایی نمونه 120.3.3 و چگونگی فروریزش
|
هنومن |
Wm(gr) |
SEA(J/gr) |
CFE |
Ea-total(J) |
Pmean(N) |
PPeak(N) |
|
60.2.1 |
18.7 |
0.56 |
72.93 |
… |
919 |
1260 |
|
60.2.3 |
24.57 |
0.97 |
110.52 |
24.028 |
628 |
569 |
|
60.2.5 |
32.8 |
1.78 |
109.03 |
… |
883 |
810 |
|
60.3.1 |
22 |
1.24 |
70.5 |
27.4 |
2303 |
3267 |
|
60.3.3 |
34.07 |
2.23 |
86.21 |
75.976 |
2173 |
2521 |
|
60.3.5 |
48 |
1.57 |
67.04 |
75.59972 |
1532 |
2286 |
|
60.4.1 |
36.4 |
3.63 |
126.14 |
… |
11353 |
9000 |
|
60.4.3 |
54 |
3.37 |
78.23 |
182.06 |
5220 |
6672 |
|
60.4.5 |
86.2 |
5.37 |
121.66 |
… |
9255 |
7607 |
|
90.2.3 |
33.71 |
0.5 |
78.75 |
16.922 |
425 |
540 |
|
90.3.1 |
29 |
0.62 |
64.01 |
… |
1664 |
2600 |
|
90.3.3 |
46.06 |
1.13 |
97.88 |
52.00621 |
1526 |
1560 |
|
90.3.3 |
46.06 |
1.07 |
93.3 |
49.64296 |
1427 |
1530 |
|
90.3.3 |
46.06 |
1.03 |
87.93 |
47.72373 |
1518 |
1727 |
|
90.3.5 |
62 |
0.66 |
65.81 |
… |
968 |
1472 |
|
90.4.3 |
69 |
1.65 |
80.4 |
113.8611 |
3927 |
4885 |
|
120.2.1 |
49.7 |
0.08 |
63.37 |
… |
369 |
582 |
|
120.2.5 |
71.5 |
0.19 |
109.32 |
… |
273 |
250 |
|
120.3.1 |
48 |
0.19 |
49.99 |
9.419923 |
936 |
1874 |
|
120.3.3 |
73.73 |
0.465 |
104.2 |
34.320136 |
1091 |
1047 |
|
120.3.5 |
95 |
0.29 |
71.51 |
28.39692 |
667 |
933 |
|
120.4.1 |
71 |
0.32 |
91.25 |
… |
3582 |
3926 |
|
120.4.3 |
101 |
0.42 |
75.65 |
43.015 |
1669 |
2207 |
|
120.4.5 |
168 |
0.47 |
81.06 |
… |
2501 |
3085 |
در شکل 7 و 8 تأثیر همزمان پارامترها بر پاسخ را به صورت سه بعدی نشان می‌دهد. دراین شکل‌ها میتوان گفت در زاویه‌های پایین‌تر (60 درجه) حساسیت نیروی بیشینه و جذب انرژی بیشینه به تغییرات اندازه قطر لینکها بیشتر است. از طرفی افزایش قطر لینکها و افزایش جذب انرژی رابطه خطی وجود دارد و میتوان نتیجه گرفت که عامل تعداد لایه‌ها تا جایی که وزن سازه محدودیت ایجاد نکند، باعث بهبود جذب انرژی میگردد.
افزایش قطر لینکها همانطور که گفته شد باعث افزایش نیروی بیشینه و جذب انرژی ویژه می‌شود ولی در نیروی بیشینه به صورگ غیرخطی و با بزرگای بیشتری اتفاق افتاده است.
>> بیشتر بدانید: ساخت اسباب بازی با پرینتر سه بعدی برای کودکان
در بخش پیشین مشخص شد که زاویه بین لینکها و قطر لینکها، هیچ برهمکنشی با تعداد لایه‌ها ندارند. از طرفی پارامتر تعداد لایه‌ها یک رابطه غیرخطی و قابل پیش‌بینی با پاسخهای، جذب انرژی ویژه و نیروی بیشینه دارد و همچنین این پارامتر بر روی جذب انرژی ویژه و نیروی بیشینه اولیه نسبت به پارامترهای قطر و زاویه بین لینکها تأثیر به مراتب کمتری داشته است.
با توجه به نتایج بدست آمده از آنالیز واریانس و بهینه‌سازی صورت گرفته بر روی این سه پارامتر، )تعداد لایه‌ها، قطر لینکها و اندازه زاویه بین لینکها) مقادیر بهینه ارائه شده است. بعد از مطالعه اثر پارامترهای طراحی روی ظرفیت جذب انرژی ویژه و نیروی بیشینه، مقدار بهینه‌ی پارامترها که اهداف طراحی را برای ما برقرار می‌سازد تعیین میگردد.
مقادیر بهینه زاویه لوزی، قطر هر لینک سلول هسته مشبک و تعداد الیه هسته مشبک در ساندویچ پانلی که تحت بارگذاری محوری شبه‌استاتیکی مورد آزمون و بررسی قرار گرفت در جدول 4 نشان داده شده است. مقادیر بیشینه برای جذب انرژی ویژه برابر J/gr 87839/3 و مقدار کمینه برای نیروی بیشینه برابر N9/3458 بدست آمده است. نمودار نیرو- جابهجایی برای حالت بهینه در شکل 9 نشان داده شده است.
همچنین جایگاه مقادیر بهینه برای پارامترهای طراحی و پاسخ‌ها در محدوده کلی و حد بالایی و پایینی این مقادیر در شکل 10 نشان داده شده است. از آنجا که بهینه‌سازی انجام شده به صورت چند هدفه به صورت معادله زیر و در راستای افزایش جذب انرژی ویژه و کاهش نیروی بیشینه به صورت هم زمان می‌باشد درصد قابلیت اطمینان رسیدن به جواب بهینه برابر 67.4 درصد است.
| 𝑚𝑎𝑥: | 𝑆𝐸𝐴 (𝑘𝑔 𝐽 ) |
| 𝑚𝑖𝑛: | 𝑃 𝑝𝑒𝑎𝑘(𝑁) |
| 𝑠𝑢𝑏𝑗𝑒𝑐𝑡 𝑡𝑜: | 1 ≤ 𝑁(𝑐𝑜𝑟𝑒 𝑙𝑎𝑦𝑒𝑟𝑠 𝑛𝑢𝑚𝑏𝑒𝑟) ≤ 5 60 ≤ 𝜑(𝐴𝑛𝑔𝑙𝑒 𝑏𝑒𝑡𝑤𝑒𝑒𝑛 𝑠𝑡𝑟𝑢𝑡𝑠) ≤ 120 2𝑚𝑚 ≤ 𝑑(𝑠𝑡𝑟𝑢𝑡𝑠 𝑑𝑖𝑎𝑚𝑒𝑡𝑒𝑟) ≤ 4𝑚𝑚 |
| Link angle (degree) | Link diameter (mm) | Layer number | Ppeak (N) | SEA (J/gr) |
| 60 | 3/30257 | 4 | 3458/9 | 3/87839 |
شکل 7 تاثیر زاویه لوزی و قطر هر لینک سلول و تعداد لایه هسته مشبک بر ظرفیت جذب انرژی ویژه
شکل 9 نمودار نیرو-جابه جایی برای نمونه بهینه حاصل از آزمون تجربی شبه استاتیکی
شکل 8 تاثیر زاویه لوزی و قطر هر لینک سلول و تعداد لایه هسته مشبک بر نیروی بیشینه
شکل 10 مقادیر بهینه برای پارامترها و پاسخهای طراحی ساندویچ پانلی با هسته مشبک تحت بارگذاری محوری
با مطالعه تجربی بر روی سازه‌های ساندویچ پانلی با هسته مشبک سه بعدی تحت بارگذاری محوری به عنوان سیستم‌های جاذب انرژی، نتایج ذیل بدست آمده است:
حسین تقی پور : استادیار، دانشگاه ولایت ایرانشهر، h.taghipoor@velayat.ac.ir
محمد تفضل: مدیر بخش تولید، شرکت هینا انرژی، تهران، tafa
دانلود PDF این مطلب: Download PDF
جدیدترین مقالات:
