اهداف طراحی و پارامترهای موثر بر ان



در هنگام طراحی سازه های کامپوزیتی اولین سوالاتی که ذهن طراح را مشغول می کند عبارتند از :

1: سازه باید چه کاری انجام دهد ؟
2: سازه چگونه باید باشد ؟

موارد بالا اهداف طراحی نامیده می شوند . در حقیقت اهداف طراحی همان انتظارات ما از سازه هستند . اهداف اساسی در طراحی بصورت وظیفه . قیمت و وزن بیان می شوند .

وظیفه : مجموعه عملکردها و انتظاراتی است که یک سازه حتما باید انجام دهد .

قیمت : هزینه تمام شده سازه در طول عمر ان است .یهنی قیمت ابتدایی ان به علاوه هزینه های تعمیر و نگهداری و همچنین هزینه های هنگام کار ان .

وزن : به عنوان مشخصه سازه است که البته ممکن است به عنوان یک پارامتر مهم باشد .

مثلا برای یک هاور کرافت یا قایق پرنده وزن بسیار اهمیت دارد . وظیفه ممکن است معانی مختلفی پیدا کند اما هزینه و وزن فقط تعابیر مربوط به خود را دارند .
گاهی اوقات ممکن است بهینه سازی بر اساس سه هدف مشخص انجام پذیرد مثلا برای وزن کم . سرعت بالا و هزینه مناسب اما بسیاری مواقع نیز پیش می اید که باید برای بهینه کردن یک هدف مهم تر از برخی اهداف دیگر باید اندکی چشم پوشی کرد . مثلا برای سرعت بالا . وزن کم ولی هزینه نسبتا زیاد .

مبحث انتخاب مواد و فاکتورهای ان بطور کلی به سه بخش تقسیم می شوند :

1:فاکتورهای کلی که به انتخاب ماده کامپوزیتی باز می گردد.
2:فاکتورهای انتخاب الیاف .
3:فاکتورهای انتخاب ماتریس

فاکتورهای انتخاب مواد که باید در نظر گرفته شوند تقریبا شناخته شده هستند . این فاکتورها معادل همان فاکتورهایی هستند که در انتخاب مواد فلزی نیز کاربرد دارند و عبارتند از :


  • استحکام
  • سختی
  • عمر خستگی
  • چقرمگی
  • قیمت
  • وابستگی به درجه حرارت
  • مقاومت سایشی
  • مقاومت در برابر خوردگی
  • رسانایی الکتریکی و یا حرارتی
  • عایق صوتی و یا حرارتی


و.....

فاکتورهای اولیه و مهم در طراحی سازه ها مقاومت و سختی می باشند . و فاکتور وزن نیز از اهمیت بسیار بالایی برخوردار است . بنابراین فاکتورهای مقاومت نسبت به وزن و سختی نسبت به وزن مهمترین محرک های طراحی می باشند .


اهداف طراحی و پارامترهای موثر بر ان


چقرمگی یک ماده در سازه هایی که در انها بارهای ضربه ای وجود دارد از اهمیت زیادی برخوردار است . برای موادی که در مجاورت گستره ای وسیع از درجه حرارت های مختلف هستند . فاکتور وابستگی به دما اهمیت پیدا می کند . بدین ترتیب مشاهده می شود که علاوه بر فاکتورهای نسبتا اصلی مقاومت و سختی . برحسب شرایط کاری ماده و انتظارات طراحی برخی فاکتورهای دیگر نیز به عنوان محرک طراحی در نظر گرفته می شوند .

الیاف معمولا جز غالب در مواد کامپوزیتی تقویت شده الیافی هستند . بنابراین الیاف نقش مهمی در طراحی مناسب لایه ها ایفا می کنند .
از انجا که مهمترین ویژگی الیاف افزایش مقاومت و سختی در جهت مورد استفاده شان است . برای طراحی یک لایه باید الیاف را در تمام جهت هایی که نیاز به استحکام بالا است بکار برد . همچنین بدلیل این خاصیت مهم الیاف طراحی انها بسیار اسان می شود. اما بکارگیری فاکتورهای دیگر به محاسبات بیشتر نیاز مند است .
انتخاب ماتریس مناسب برای یک ماده کامپوزیتی بسیار مهم است و فاکتورهای زیادی را شامل می شود . زیرا ماتریس معمولا جز ضعیف یک ماده کامپوزیتی دوفازی است و باید به ان توجه ویژه نمود .

برخی از فاکتورهای انتخاب ماتریس عبارتند از :
قابلیت ماتریس برای مرطوب سازی الیاف ( که تاثیر بسزایی در افزایش مقاومت اثرات متقابل الیاف در ماتریس دارد .)
سادگی در ساخت
خواص نهایی لایه ها
محدودیت حرارتی
حداکثر افزایش طول
میزان کرنش قبل از شکست
مقاومت در برابر عوامل محیطی
چگالی
قیمت

اگر درجه حرارت بالا و سایر عوامل و شرایط محیطی در طراحی مد نظر طراح نباشد ماتریس های پلیمری اجزا بسیار مناسبی محسوب می شوند . به همین دلیل است که پلیمرها هم اکنون در مواد کامپوزیتی بسیار مورد استفاده هستند که در حقیقت اینگونه کاربردها کاربردهای معمول مواد کامپوزیتی هستند.

کامپوزیتها با ماتریس های پلیمری شامل گستره زیادی از مواد مختلف می شوند ولی رایج ترین پلیمر مورد استفاده اپوکسی می باشد . همچنین از پلیمرهای وینیل استر و پلی استر نیز بسیار استفاده می شود .

پروسه انتخاب ترکیب مناسب از الیاف و ماتریس ها با یکدیگر برای یک استفاده خاص بسیار مشکل و پیچیده است . البته برای برخی موارد خاص طراحی می توان اساس را بر الیاف یا ماتریس قرار داد و ماده مورد نظر را طراحی کرد .اما در حالت کلی نمی توان تحلیل دقیقی از ترکیب الیاف و ماتریس ارائه داد .

در مبحث بعدی استفاده از تقویت کننده ها را شروع می کنم .




استفاده از تقویت کننده ها


ساده ترین طراحی .استفاده از سازه های تک پوسته ای است . در اینصورت سازه ممکن است بسیار حجیم یا بسیار سنگین و در نتیجه گران قیمت شود . یک طراح خوب می تواند در سازه از انواع سخت کننده ها استفاده کند در اینصورت او ضمن مقاوم کردن سازه در هزینه و وزن صزفه جویی کرده است .
برای استفاده از سخت کنندها شناخت انها لازم است .
اکثر سخت کننده های فلزی دارای اشکال منظمی هستند و معمولا ضخامت ثابتی دارند مگر در مواردی که ماشین کاری شوند . اما با مواد کامپوزیتی این یکنواختی لازم نیست . در واقع به دلیل تفاوت پروسه ساخت مواد فلزی با کامپوزیتی می توان به راحتی اشکال نامنظم و غیر یکنواخت خلق کرد .