تاثیر متغیرهای فرآیند سیم پیچ رشته ای بر رفتار مکانیکی یک مخزن تحت فشار کامپوزیت
چکیده
یک تحلیل عددی یک مخزن سیلندری تحت فشار داخلی کامپوزیت با گنبد کروی ارائه شد. ساختار یک مخزن فرآیند سیم پیچ رشته‌ای است که در آن یک رشته پیوسته از فیبر به دور یک سنبه چرخنده می‌پیچد. طی فرآیند سیم پیچ، ضخامت در منطقه گنبد متغیر است و به طور قابل توجهی عملکرد مکانیکی آن را تغییر می‌دهد. به علاوه مسیر فیبر به سطحی بستگی دارد که فیبر پیچیده می‌شود در نتیجه زاویه سیم پیچ در گنبد با توجه به جهت طولی تغییر می‌کند. این مخزن به عنوان یک مخزن داخلی بدون ساختار تقویت شده با یک کامپوزیت ناهمسانگرد: پلاستیک تقویت شده فیبر کربن مدل سازی شده است. فشار با نظریه تغییر شکل برشی مرتبه اول محاسبه شد و معیار شکست Tsai-Wu به عنوان تابع حالت حد ورقه بود. طرح بهینه ساختار با توجه به متغیر فرآیند اصلی، زاویه سیم پیچ و ضخامت لایه اجرا شد. تحلیل عنصر محدود با توجه به زوایای سیم پیچ و همچنین تغییر ضخامت از طریق گنبد به منظور مطالعه اثرات متغیرهای فرآیند سیم پیچ بر رفتار مکانیکی مخزن کامپوزیت انجام شد. یک مطالعه همگرایی به منظور بررسی تحلیل عنصر محدود انجام شد که چند نوع عنصر پوسته را مورد توجه قرار دارد. به منظور مدل سازی ساختار، عناصر پوسته فشار/ جابه‌جایی 4 ضلعی با 8 نود (هریک با 6 درجه آزادی) از درون‌یابی درجه دوم و کاهش تلفیق استفاده شد.
1. مقدمه
در کل از مواد کامپوزیت تقویت شده فیبر در ساختار بسیار کارآمد نظیر هواپیما، بخش خودرو و مخزن تحت فشار به دلیل توان و سفتی بالا خاص آنها استفاده می‌شود. مخزن تحت فشار به طور گسترده در صنایع غیر نظامی مثلا کپسول آتش‌نشانی، مخزن گاز اکسیژن، سیلندر گاز طبیعی و ... دیده شد. مشخصه مشترک این محصولات این است که باید در برابر فشار بالا تحت شرایط کاری مقاوم باشند در حالی که یک عامل ایمنی استاندارد مناسب مورد توجه است (1). در کل این مخزن از طریق فرآیند سیم پیچ رشته‌ای ساخته شد که در آن الیاف پیچ خورده با پوشش رزین به دور یک سنبه چرخنده می‌پیچد. شکل سنبه متغیر و فاقد انحنای داخل شونده می‌باشد. تقویت یا باند پیچیده یا مجاور و متداخل است که سطح سنبه را می‌پوشاند. این تکنیک دارای قابلیت تغییر کشش سیم پیچ، زاویه سیم پیچ یا محتوای رزین در هر لایه از تقویت است تا ضخامت مورد نظر کامپوزیت و جهت لازم توان حاصل شود (2).
4. نتیجه گیری
رفتار مکانیکی یک مخزن سیم پیچ رشته ای در آستانه فشار داخلی با توجه به متغیر فرآیند تولید بررسی شد. برای چند پارامتر طرح نظیر زاویه سیم پیچ و توالی ورق، ضریب شکست Tsai – Wu به عنوان تابع حالت محدود ورق محاسبه شد. ارزیابی عددی با روش عنصر محدود با استفاده از برنامه ABAQUS اثر معنادار تغییر زاویه سیم پیچ و ضخامت در گنبد را نشان داد. از طرف دیگر شبیه سازی نشان داد که مولفه فشار در جهت عمود بر فیبر S22 پاسخ شکست مخزن را کنترل می کند. به علاوه تحلیل نشان داد که گنبد کروی زون مهم مخزن در اطراف زون مرکزی با زاویه قطبی بین 35 و 50 درجه است. گرچه روش های کاربردی در این مطالعه نظری است، دقت آنها باید با داده تجربی تایید شود. داده تجربی به کمک سنجش سویه ارزیابی می شود. به علاوه برای مطالعه رفتار شکست مخزن کامپوزیت باید از تست فشار و همچنین تست فشار سیکل استفاده کرد.
Abstract
A numerical analysis of a composite internally pressurized cylindrical vessel with spherical domes is presented. The structure is considered a filament winding process vessel in which a continuous strand of fiber is wound over a rotating male mandrel. During the winding process a variable thickness is created in the dome region which considerably alters its mechanical performance. Additionally, the fiber path depends on the surface where the fibers are wound; as a result the winding angle varies in the dome with regards to its longitudinal direction. The vessel is modeled as a non-structural internal liner reinforced with an orthotropic composite: carbon fiber reinforced plastic. Stress was calculated by applying the first-order shear deformation theory, and the Tsai-Wu failure criterion was considered as the limit state function of the laminate. The structure’s optimum design is performed taking into account the main process variables, the winding angle and layer thickness. A finite element analysis was performed considering the winding angles as well as the thickness change through the dome, in order to study the effects of the winding process variables on the mechanical behavior of the composite vessel. A convergence study was carried out in order to verify the finite element analysis. It considered several shell element types. In order to model the structure, quadrilateral stress/displacement shell elements with 8-nodes (6-degrees of freedom each), quadratic interpolation and reduced integration were used.
1 Introduction
Fiber reinforced composite materials are generally used in highly-efficient structures such as aircraft, automotive parts and pressure vessels due to their high specific strength and stiffness. Pressure vessels can be widely observed in civilian industries for instance in fire extinguishers, oxygen gas tanks, natural gas cylinders, etc. A common feature among these products is that they must withstand high pressure under working conditions, while considering an appropriate standard safety factor [1]. The vessels are generally made through a filament winding process, in which continuous resin-impregnated rovings or tows are wound over a rotating male mandrel. The mandrel can be any shape that does not have reentrant curvature. Its reinforcement may be wrapped either in adjacent or overlapping bands which cover the mandrel’s surface. The technique has the capability of changing the winding tension, winding angle, or resin content in each layer of the reinforcement until the desired thickness of the composite and the required direction of strength is obtained [2].
4 Conclusion
Mechanical behavior of a filament winding vessel subject to internal pressure was studied considering the manufacturing process variables. For several design parameters such as winding angle and laminate sequence, Tsai – Wu failure coefficient was calculate as the limit state function of the laminate. Numerical evaluation, by means of the finite element method using ABAQUS program, has indicated a significant influence of both the winding angle change and the thickness variation along the dome. On the other hand, simulation reveals that the stress component in the perpendicular direction to the fiber, S22, rules the vessel failure response. Furthermore, the analysis indicates that the spherical dome is the vessel critical zone, mainly around central zone where polar angle takes values between 35° and 50°. Although the methods used in this study are theoretical, their accuracy must be verified by experimental data. The experimental data can be evaluated by means of strain gages. Furthermore, to study the composite vessel failure behavior a burst pressure test as well as a cycling pressurization test should be considered.
چکیده
1. مقدمه
2. شبیه سازی عددی
3. نتایج و بحث
3.1 تحلیل همگرایی
3.2 زاویه سیم پیچ
3.3 ضخامت ورق
4. نتیجه گیری
Abstract
1 Introduction
2 Numerical simulation
3 Results and discussion
3.1 Convergence analysis
3.2 Winding angle
3.3 Laminate thickness
4 Conclusion
- اصل مقاله انگلیسی با فرمت ورد (word) با قابلیت ویرایش
- ترجمه فارسی مقاله با فرمت ورد (word) با قابلیت ویرایش، بدون آرم سایت ای ترجمه
- ترجمه فارسی مقاله با فرمت pdf، بدون آرم سایت ای ترجمه