بررسي و شبيهساز آزمون سوراخکار شبهاستاتيک در پنلها ساندويچي با هسته فوم
کامپوزيتي Al A356/SiCp
مسعود گلستانی پور1*، ابوالفضل باباخانی2 و سید مجتبی زبرجد3

چکیده
پنلهاي ساندویچی با هسته فوم آلومینیوم یا کامپوزیت زمینه آلومینیومی، ساختارهایی سبک با قابلیت جذب انرژي هسـتند که در کاربردهاي حـفاظت در برابر ضـربه نظیـر پنلهاي سـاختمانی سبک، مواد بستهبندي و جاذبهاي انرژي کاربرد دارند. در این پژوهش از آزمون تجربی سوراخکاري شبهاستاتیک روي نمونههاي پنل ساندویچی با هسته فوم کامپوزیتی Al A356/SiCp ، صفحه هایی از جنس آلومینیوم 1100 ، نمونه صفحه هاي بدون هسته فومی و فوم کامپوزیتی بدون حضور صفحه ها استفاده شد. فرورونده بکار رفته از جنس فولاد و داراي سر مخروطی شکل با زاویه 60 درجه، قطر 10 میلی متر و با سرعت سوراخکاري بسیار پایین و برابر با 02/0 میلیمتر بر ثانیه انتخاب شد. نتایج تجربی نشان دادند که استفاده همزمان از صفحه ها و هسته فومی در قالب پنل ساندویچی تاثیري شایان توجه در افزایش مقدار جذب انرژي به وسیله پنل دارد. افزون بر ایـن، مشخص شـد که با افـزایش ضخامت هسته فومی و صفحه ها، بیشینه نیروي سوراخکاري و انرژي جذب شده به وسیله نمونه افزایش مییابد. در ادامه آنالیز المان محدود با استفاده از نرمافزار 6.12ABAQUS بمنظور شبیهسازي آزمون سوراخکاري شبهاستاتیک با شرایطی مشابه با شرایط آزمون تجربی روي مدلهایی از نمونههاي یاد شده انجام گرفت. نتایج شـبیهسازي شامل تـوزیع تنش روي مدلها، منحنی نیرو- جابهجایی، بیشینه نیروي سوراخکاري و نیز انرژي جذب شده به وسیله نمونهها ارایه گردید و مشخص شد که نتایج بدست آمده از شبیهسازي در مدلهاي پنل ساندویچی تطابق مطلوبی با یافتههاي بدست آمده از آزمون تجربی دارد.

واژهها كليد :پنل ساندویچی، فوم آلومینیومی، سوراخکاري شبهاستاتیک، جذب انرژي، آنالیز المان محدود.

– استادیار گروه پژوهشی مواد و موسسه علمی کاربردي جهاد دانشگاهی خراسان رضوي.
– دانشیار گروه مواد و متالورژي، دانشکده مهندسی، دانشگاه فردوسی مشهد.
– استاد بخش مهندسی متالورژي دانشکده مهندسی دانشگاه شیراز.
[email protected] :نویسنده مسئول مقاله – *
پیشگفتار
در سالهاي اخیر استفاده از فومهاي فلزي در سازههایی که نـیاز به استحکام ویژه بالا دارند و یا کاربردهایی نظیر عایق حرارتی و صوتی، گسترش یافته است. این مواد سبک و مستحکم، کاربردهاي بسزایی در ساختمان سازي، صنایع نظامی، هـوافضا، خودروسازي و…دارند. خاصیت عمده این مواد متخلخل قابلیت جذب انرژي بالاي آنها در تنشهاي فشاري میباشد. در این میان، پنلهاي ساندویچی با هسته فـوم آلومینیومی سـاختارهایی نوین هستند که با وجود وزن پایین کارکردي عالی در پراکنده کـردن انرژي از خود نشان میدهند. به همین دلیل، از آنها به عنوان جاذب انرژي در گستره اي از کاربردها استفاده میشود. ریزساختار متخلخل این مواد امکان تغییـرشکل مومـسان زیادي را در تنـش نسبـتاً ثابت فراهم میکند و به ایـن تـرتیب پیش از تخـریب یا شکســت، مـقادیر زیادي انـرژي جنبشی به وسیله این ساختارها جذب میگردد[5-1].
Mohan و همکارانش [6] آزمون سوراخکاري شبهاستاتیک با فرورونده سرکروي و سرتخت را روي پنلهاي ساندویچی با هسته فوم آلومینیومی و صفحه هایی از جنس آلومینیوم، فولاد و پلیمر تقویت شده با الیاف کربن انجام دادند. چهار مدل شکست شامل سوراخ شدن هسته ،لهشدن هسته، برش صفحه ها و خمش صفحه ها در آن پژوهش شناسایی گردید. بررسی و شبیهسازي رفتار پنلهاي ساندویچی با هسته فوم آلومینیوم زیر بارگذاري شبهاستاتیک و ضربهاي با استفاده از فرورونده نیمکروي به وسیله Lu و همکارانش [7] انجام گرفت. در این پژوهش چهار مدل تغییر شکل شامل خمش سرتاسري، فرورفتگی موضعی، فروروفتگی موضعی همراه با خمش سرتاسري و فرورفتگی موضعی همراه با خمش در امتداد لبه تثبیت شده ارایه شد. Ruan و همکارانش [8] اثر ضخامت هسته فومی و صفحه ها، کیفیت سطحی صفحه ها، شرایط مرزي و چسب بکار رفته را بر خواص مکانیکی و جذب انرژي پنلهاي ساندویچی با هسته فوم آلومینیومی مورد بررسی قرار دادند. از این پژوهش مشخص گردید که صفحه ها و هسته فومی ضخیمتر، قید و بست بیشتر و سمبادهزنی صفحه ها پیش از چسبکاري سبب جذب انرژي بیشتر پنلهاي ساندویچی میشود. .Hou و همکارانش [5] پارامترهایی نظیر سرعت برخورد، ضخامت صفحه، ضخامت و چگالی هسته فومی و شکل پرتابه را بر روي حـد بالستیک و جـذب انرژي پنـلهاي سانـدویچی با هسته فوم آلومینیومی سلول بسته و صفحه هاي آلیاژ آلومینیوم 34Al-5005H مورد آزمون سوراخکاري شبهاستاتیک و دینامیک بررسی کردند. مشخص گردید که افزایش ضخامت صفحه ها و هسته فومی و نیز افزایش چگالی هسته فومی سبب افزایش مقدار جذب انرژي می شود.
خواص فرورفتگی موضعی در پنلهاي ساندویچی بر پایه اصل کمترین انرژي پتانسیل به وسیله Xie و همکارانش [9] مورد ارزیابی قرار گرفت. نتایج تحلیل آنها از راه
شبیهسازي با نرم افزار ABAQUS مورد تایید قرار گرفت.
افزون بر این، توزیع کرنش کششی در صفحه بالایی و پراکندگی انرژي هسته فومی نسبت به صفحه بالایی نیز مورد بررسی قرار گرفت. نویسندگان این مقاله [10] در پژوهش تجربی مشابه، تاثیر ضخامت هسته فومی و صفحهها بر مقدار انرژي جذب شده، جدایش صفحه پشتی از هسته فومی، نیروي مسطح و انحناي ایجاد شده در صفحه پشتی را مورد بررسی قرار دادند. مشخص گردید که با افزایش ضخامت هسته فومی و صفحه ها، مقدار انرژي جذب شده، نیروي مسطح ،مقدار جدایش و انحناي ایجاد شده در صفحه پشتی افزایش مییابد. در این پژوهش از شبیه سازي المان محدود استفاده نشده بود.
نویسندگان این مـقاله در پژوهشی دیگر [11] وضعیت تغییر شکل پنلهاي ساندویچی با هسته فوم آلومینیوم سلول بسته را در آزمون سقوط پرتابه مورد بررسی قرار داده و تاثیر پارامترهایی نظیر ضخامت هسته فومی و ضخامت صفحه ها را بر عمق نفوذ، جدایش و کرنش صفحه پشتی مشخـص کردند. آزمـون سـقوط پرتابه با سر مخروطی شکل و سرعتی در حدود11 متر بر ثانیه صورت گرفت که بسیار بیشتر از سرعت بکار رفته در این پژوهش است.
با وجود پژوهشهاي ذکر شده تاکنون بررسی المان محدود به همراه آزمونهاي تجربی سوراخکاري شبهاستاتیک روي پنلهاي ساندویچی با هسته فوم کامپوزیت آلومینیوم صورت نگرفته است. در این پژوهش از آنالیز المان محدود با استفاده از نرم افزار ABAQUS 6.12 بمنظور شبیهسازي آزمون سوراخکاري شبهاستاتیک روي نمونههاي پنل سـاندویچی با هسـته فوم کامپوزیتی Al A356/SiCp استـفاده شده است. افزون بر این، جهت تایید نتایج شبیهسازي، آزمـون تجـربی سوراخکاري با شرایطی مشابه با شرایط شبیهسازي روي نمونههاي پنل ساندویچی انجام گرفت. توزیع تنش روي مدلها، منحنی نیرو- جابهجایی، بیشینه نیروي سوراخکاري و نیز انرژي جذب شده به وسیله پنل از جمله نتایـج شبیهسازي در این پژوهش است.

مواد و روشها
پنلهاي ساندویچی مربعی شکل با طول و عرض120×120 میلیمتر بکار رفته در این پژوهش داراي هسـته فوم کامپوزیت زمینه آلومینیومی با 10 درصد حجمی ذرات SiC، با ضخامتهاي 10، 20 و 30 میلیمتر و صفحه هاي رویی از جنس آلومینیوم نوع1100 با ضخامتهاي 6/0، 1 و2 میلیمتر میباشد (شکل 1-الف). هسته فوم آلومینیوم بکار رفته داراي ریخت شناسی سلول بسته با توزیع نسبتاً همگن تخلخلها و میانگین چگالی 6/0 گرم بر سانتی متر مکعب بوده که به وسیله گروه پژوهشی مواد جهاد دانشگاهی مشهد تـولید شده است (شکل 1-ب). منحنی تنش-کرنش فشاري فوم آلومینیومی بکار رفته که بر اساس اسـتانـداردهاي JIS H 7902 و 50134DIN انجام شده، در شکل 2 مشاهده میشود. جـهت اتصال صفحه هاي آلومینیومی به هسته فومی از چسب پایه پلییورتان در دماي محیط و زیر فشار گیره به مدت 24 ساعت استفاده شد. از نمونه فوم آلومینیوم با ضخامتهاي 10، 20 و 30 میلیمتر بدون استفاده از صفحه هاي رویی و نمونههاي صفحه هاي بدون وجود هسته فومی و با فاصله هوایی 30 میلی متري نیز به عنوان نمونه شاهد و بمنظـور بررسی اثر هـسته فومی و صفحه ها به صورت مجزا اسـتفاده گردید. براي ساخت نمونههاي بدون هسته، از یک چارچوب آلومینیومی بین دو صفحه که به وسیله چسب به صفحه ها متصل گردید، استفاده شد. جدول 1 ویژگی هاي نمونههاي آماده شده را نشان میدهد [12 -14].
آزمـونهاي سوراخکاري شـبهاستاتیک با استـفاده از
دسـتگاه کشش مدل 250ZWICK Z ، با سرعت حرکت فک برابر با 02/0میلیمتر بر ثانیه و با به کارگیري فروروندهاي از جنس فولاد 37st با نوك مخروطی 60 درجه و قطر 10 میلیمتر، روي نمونهها انجام شد. بمنظور ثابت نگه داشتن نمونه و کنترل شرایط مرزي و نیز جلوگیري از بروز خطا در اثر جابهجایی، از فـیکسچر استفـاده شد. فیکسـچر یاد شده مـربعی شکل به ابعـاد 240×240 میلیمتر داراي سوراخ دایرهاي وسط با قطر
100 میلیمتر بود. وضعیت قرارگیري نمونه زیر دستگاه کشش و در داخل فیکسچر جهت انجام آزمون، در شکل 3 مشاهده میشود.
دادههاي نیرو-جابهجایی در کامپیوتر متصل به دستگاه ثبت شده و با اندازهگیري سطح زیر نمودار میتوان مقدار انرژي جذب شده را محاسبه و گزارش کرد. گفتنی است که جـهت اثبات تکرارپذیري نتایج، هر آزمون دستکم دو بار بر روي هـر نمونه انـجام گرفت و نتایج ثبت شده نتیجه میانگینگیري از دادههاي خروجی از آزمونهاي تکرار شده می باشد.
بمنظـور شبیهسازي آزمون سوراخکاري شبهاستاتیک از مدلســازي ماکــرومکانیکی غیرخــطی به وسیله نــرمافزار 6.12ABAQUS استفاده شد. در مدلسازي ماکرومکانیکی با پذیرش مقداري خطا در نتایج بدست آمده، فوم مادهاي تودهاي با خـواص همگن و یکنواخت فرض میشود. بمنظور انجام مدلسازي، خواص مکانیکی فوم آلومینیوم بر اساس آزمون فشار تکمحوري مشخص شده و به همراه سایر شرایط نظیر هندسه آزمون، شرایط مرزي، روش بارگذاري، مشخصات مکانیکی صفحه ها و کیفیت اتصال آنها به هسته فومی، وارد نـرمافزار گـردید.
با توجه به فرمت نــرمافزار ABAQUS نوع مش اعمال شده روي مدل نمونه و فیکسچرC3D8R و روي فرورونده صلب 42R3D هر دو با اندازه 2 مـیلیمتر میباشد.

)
الف
(

)

الف

(

(ب)
شکل۱ – الف) نمونه ا از پنل ساندويچي بکار رفته در اين پژوهش با ضخامت هسته ۳۰ ميلي متر و ضخامت صفحه ها ۲ ميلي متر و ب) ساختار ميکروسکوپي هسته فوم آلومينيومي سلول بسته.

شکل۲ – منحني تنش -کرنش فشار فوم کامپوزيتي بکار رفته با چگالي ۶/۰ گرم بر سانتي مترمکعب.

جدول ١ – ويژگي ها نمونهها تهيه شده در اين پژوهش.
جرم نمونه
(kg) ضخامت صفحه ها
(mm) ضخامت mmهسته فومی
() کد نمونه ردیف
0/083 بدون صفحه ها 10 C10F00 1
0/154 0/6 10 C10F06 2
0/186 1 10 C10F10 3
0/261 2 10 C10F20 4
0/171 بدون صفحه ها 20 C20F00 5
0/232 0/6 20 C20F06 6
0/277 1 20 C20F10 7
0/355 2 20 C20F20 8
0/258 بدون صفحه ها 30 C30F00 9
0/309 0/6 30 C30F06 10
0/368 1 30 C30F10 11
0/410 2 30 C30F20 12
0/127 0/6 بدون هسته فومی C00F06 13
0/155 1 بدون هسته فومی C00F10 14
0/253 2 بدون هسته فومی C00F20 15

.

1266898-2493556

شکل ۳ -چگونگي قرارگير نمونه زير دستگاه کشش و در داخل فيکسچر.
نتایـج مـدلسـازي با نتـایج آزمون تجربی صورت گرفته مقایـسه و در صورت لزوم متغیرهاي موادي مربوط به مدلسازي اصـلاح گردید. با توجه به سوراخ دایرهاي وسط فیکسچر با قطر 100 میلیمتر، شرایط مرزي براي سطوح جانبی مقطع دیسکی شکل با قطر 100 میلیمتراز نمونه، به گونهاي تعریف گردید که همانند شرایط تجربی، در کل فرایند شبیهسازي هیچگونه جابهجایی و چرخشی در این سطوح رخ ندهد. همچنین، مشابه با شرایط تجربی ، جابهجایی فرورونده بدون هرگونه چرخش، فقط در راستاي عمودي محدود گردید. با توجه به استحکام بالاي اتصالات چسبی که در پژوهشی دیگر به وسیله نویسندگان مقاله مورد بررسی قرار گرفت[15]، براي اتصال هسته فومی به صفحه ها، قید از نوع گره استفاده شد. افزون بر این، همانگونه که پیشتر ذکر شد و با توجه به جنس فولادي فرورونده در مقایسه با نمونههاي آلومینیومی ،فرورونده به صورت صلب و بدون هیچگونه تغییر شکل در فرایند شبیهسازي، در نظر گرفته شد. در شـکل 4-الف
تصـویري از مـدل طراحی شده جهت انجام شبیهسازي و در شکل 4 -ب تصویر نمونه مشبندي شده به همراه شرایط مرزي، مشاهده میشود.
80731352044

گفتنی است که در فرایند شبیهسازي از معیار تسلیم فونمیزز جهت بررسی تغییرشکل پلاستیک هسته فومی استفاده شد. معیار تسلیم فونمیزز سادهترین و متداولترین مدل براي پیشبینی تغییرشکل پلاستیک در مواد چگال است. سطح تسلیم در این مدل از راه رابطه 1 تعریف می شود [3]:
(1)
که در آن Y استحکام تسلیم ماده زیر بارگذاري تکمحوري و e تنش موثر فونمیزز است که به وسیله رابطه 2 تعیین میشود [3]:

(2)
(ب)

)
الف
(

)

الف

(



قیمت: تومان


پاسخ دهید