شبیه سازی ضربه سرعت بالا در مواد کامپوزیتی
شبیه سازی ضربه سرعت بالا در مواد کامپوزیتی
مواد کامپوزیتی در صنعت هواپیمایی
در این مقاله می‌خواهیم در مورد شبیه سازی ضربه سرعت بالا در مواد کامپوزیتی اطلاعاتی مقدماتی را به شما ارائه دهیم. شرکت هوایی گرومان (Grumman)، اولین شرکتی بود که در سال 1969 با موفقیت از مواد کامپوزیتی در صنعت هواپیمایی استفاده کرد. پایدارکننده‌های کامپوزیتی چندلایه بورون- اپوکسی که در این هواپیما‌ها مورد استفاده قرار گرفت، 15 درصد سبکتر و 18 درصد ارزان‌تر از نمونه‌های فلزی بودند.
این اقدام پیشگامانه در صنعت هواپیمایی موجب توجه سایر صنایع به این مواد شد. گرچه هنوز هم نگرانی‌هایی در مورد این مواد وجود دارد، که لازم است تحقیقات و آزمایشات بیشتری بر روی آن‌ها صورت گیرد. آزمایشاتی که بر روی این مواد صورت می گیرد عموما همان آزمایش‌هایی هستند که برای مواد فلزی استفاده می‌شود.
انواع حالات ضربه
از زمانی که کامپوزیت‌های پایه کربنی مورد استفاده قرار گرفتند، مهمترین خصلتی که باید می‌داشتند استحکام باقیمانده و مقاومت آن‌ها در برابر بارهای ضربه‌ای (در کنار نسبت استحکام به وزن) بود. زیرا این مواد در ضمن ساخت و استفاده در معرض بارهای ضربه‌ای غیر قابل پیش‌بینی قرار می‌گیرند. معمولا ضربات وارد بر یک سازه به 4 دسته تقسیم می‌شود. گرچه محدوده سرعتی که برای آن‌ها در نظر گرفته می‌شود تقریبی است. این دسته‌بندی به صورت زیر است:
1- ضربات با سرعت کم
در این حالت ضربات تا سرعت 10 متر بر ثانیه مورد بررسی قرار می‌گیرد که بیشتر برای مخازن فشار حائز اهمیت است.
2- ضربات با سرعت متوسط
ضربات با سرعت در بازه‌ی 10 تا 50 متر بر ثانیه در این دسته قرار می‌گیرند.
3- ضربات با سرعت بالا
ضربات با سرعت بالای 50 تا 1000 متر برثانیه جزو ضربات با سرعت بالا محسوب می‌شود که به این ضربات بالستیک هم گفته می‌شود.
4- ضربات با سرعت بسیار بالا
ضربات با سرعت بین 2000 تا 5000 متر برثانیه، ضربات با سرعت بسیار بالا محسوب می‌شوند.
سرعت مافوق صوت و ضربات با سرعت بالا
از زمانی که هواپیماهای جنگی نسل چهارم توانستند به سرعت مافوق صوت دست پیدا کنند، مهمترین نگرانی طراحان ضربات وارد بر سازه در سرعت‌های بالا و تخریب‌های بوجود آمده در این سرعت‌ها بود.
پیچیدگی‌های فراوانی در ضربات با سرعت بالا وجود دارد. فشار زیاد، دمای بالا، کرنش‌های بزرگ و نرخ کرنش‌های بالا نمونه‌هایی از این پیچیدگی‌ها می‌باشند. همچنین مواد مورد استفاده در صنعت تنوع زیادی دارند که آزمایش فیزیکی برای هر یک کاری بسیار طاقت‌فرسا و پرهزینه است.
شبیه سازی ضربه سرعت بالا و پیش بینی آسیب به کمک نرم‌افزار
از این رو مهندسان و محققان به سمت طراحی برنامه‌های کامپیوتری رفتند. استفاده از برنامه‌های کامپیوتری بسیار آسان تر از آزمایش‌های فیزیکی است و تغییرات پارامتری در آن با سهولت بیشتری صورت می‌گیرد. به طور مثال در یک نرم‌افزار تحلیل مهندسی مثل اباکوس تغییر سرعت پرتابه بسیار ساده است در حالی که در آزمایشات فیزیکی این کار بسیار مشکل و در برخی موارد غیر‌ممکن است. با افزایش سرعت محاسبات و حجم انبوهی از نتایج امکان بهینه‌سازی سازه از منظر کاهش وزن یا صرفه اقتصادی با سرعت بیشتری صورت می‌گیرد.
چالش موجود در برنامه‌های کامپیوتری، رفتار محلی مواد در شبیه‌سازی ضربه سرعت بالا است. به طور مثال، یک جلیقه ضد‌گلوله که از کامپوزیت بافته شده (woven) ساخته شده است را در نظر بگیرید. مکانیزم‌های آسیب و جذب انرژی مختلفی در هنگام ضربه با سرعت بالا وجود دارد که شامل مکانیزم‌های تخریب محلی (local) و سرتاسری (global) می‌باشد:
- تخریب کششی تارهای اولیه
- تغییر شکل تارهای ثانویه
- تورق (لایه لایه شدن)
- ترک ماتریس
- اصطکاک ضمن سوراخ شدن نمونه‌هایی از این تخریب‌ها می‌باشند.
تحلیل ضربه با روش مولتی اسکیل
از طرف دیگر علت اصلی استحکام و آسیب مواد در مقیاسی است که شبیه‌سازی آن با استفاده از کامپیوترها بسیار مشکل می باشد. به طور مثال در کشتی‌ها و تانک‌های جنگی، زره‌هایی استفاده می‌شود که از چندین لایه آلومینیوم، لاستیک و فولاد تشکیل شده است. اخیرا محققان سعی در استفاده از مواد کامپوزیتی به عنوان تقویت کننده در این زره‌ها دارند. آنچه در این نوع سازه‌ها اهمیت دارد، رفتار لایه‌ها به صورت انفرادی و اثر اندرکنش بین لایه‌ها می‌باشد. به همین دلیل در سال‌های اخیر استفاده از روش مولتی اسکیل (multiscale) برای شبیه‌سازی آسیب در مواد کامپوزیتی طرفداران زیادی پیدا کرده است.
منبع: Simcenter
برای تحلیل ضربه و پیش‌بینی آسیب با ما تماس بگیرید.
شرکت مشاور شبیه سازی بنوموسی