شبيه‌سازي اجزاي محدود و بررسي تجربي رفتار جذب انرژي ساختار آگزتيك درون‌روي تركيبي تحت فشار استاتيكي

اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان

مهندسي مكانيك

كارشناسي ارشد

ساختارهاي آگزتيك گونه¬اي از فرامواد با ضريب پواسون منفي و هندسه‌هاي خاص است. نسبت پواسون منفي اين دسته از ساختارها دليل ايجاد ويژگي و خواص مكانيكي مانند وزن پايين، مقاومت برشي زياد و جذب انرژي بالا مي‌باشد كه در پژوهش حاضر مورد مطالعه قرار مي¬گيرد. در اين پايان‌نامه، نحوه تغيير شكل و ظرفيت جذب انرژي سازه‌ آگزتيك مبتني بر يك سلول واحد تركيبي در مقايسه با لانه‌زنبوري و درون‌رو كه با فيلامنت TPU چاپ سه‌بعدي شده و با فوم پلياورتان پر شده‌، تحت بارگذاري شبه‌استاتيك با استفاده از آزمايش‌هاي فشاري و شبيه‌سازي اجزاي محدود بررسي و مقايسه شده است. هدف اصلي بررسي نقش هندسه آگزتيك و اثر پر شدن هسته با فوم در افزايش سفتي، استحكام فشاري و جذب انرژي ويژه و ارائه راهكارهاي طراحي براي كاربردهاي جاذب انرژي و سازه‌هاي سبك‌وزن بود. روش كار شامل طراحي هندسي سلول‌ها، ساخت نمونه‌هاي آزمايشگاهي با چاپ FDM، تهيه و تزريق فوم پلي‌اورتان در داخل سلول‌ها، آزمايش فشاري شبه‌استاتيك و مدل‌سازي سه‌بعدي با تحليل حساسيت مش و اعتبارسنجي انرژي بود. يافته‌هاي عددي و تجربي نشان مي‌دهد كه پر كردن هسته با فوم تاثير قابل‌توجهي بر خواص سازه دارد. استحكام فشاري براي نمونه تركيبي پرشده با فوم برابر با 2/327 مگاپاسكال گزارش شد؛ درحالي‌كه نمونه تركيبي بدون فوم 1/521 مگاپاسكال، ساختار درون‌رو 0/198 مگاپاسكال و ساختار لانه‌زنبوري 0/089 مگاپاسكال بود. يعني نمونه پرشده با فوم تقريباً 2 تا 25 برابر نمونه‌هاي ديگر مقاومت فشاري بالاتري نشان داد. در بحث سفتي، نمونه تركيبي پرشده تحت بار 300 نيوتن و جابجايي 2 ميلي‌متر، نسبت به ساختار لانه‌زنبوري و درون‌رو به‌ترتيب 13 و 11 برابر سفتي بيشتري نشان داد و نسبت به نمونه تركيبي بدون فوم 4 برابر سفتي بالاتري داشت. اين افزايش سفتي نشان‌دهنده نقش بارز فوم در توزيع تنش و جلوگيري از كمانش موضعي ديواره‌ها است. يكي از مهم‌ترين نتايج، افزايش محسوس جذب انرژي در حالت پرشده بود. جذب انرژي سازه تركيبي همراه با فوم به‌طور ميانگين 2 برابر بيشتر از حالت بدون فوم گزارش شد كه هم در نتايج عددي و هم در آزمايش‌‌ها تكرارپذيري مناسبي داشت. اين افزايش نشان مي‌دهد كه تركيب هندسه آگزتيك با فوم پلي‌اورتان مي‌تواند كارايي جذب انرژي را به‌طور چشمگيري بالا ببرد و به‌عنوان راهبردي موثر در طراحي جاذب‌ها مطرح شود. در بخش عددي از نرم‌افزار آباكوس بر پايه حل اجزا محدود استفاده مي‌شود. براي اعتبارسنجي شبه‌استاتيك بودن حل، نسبت انرژي جنبشي به انرژي دروني زير آستانه‌هاي مرسوم (كمتر از 5-10%) قرار داشت و روند انرژي جنبشي نيز نوسانات شديد نشان نداد. اين امر نشان‌دهنده كفايت تنظيمات تحليل و قابليت اعتماد نتايج شبه‌استاتيك است. تحليل حساسيت مش انجام شد. نتايج پژوهش حاضر همچنين در راستاي مطالعات پيشين قرار دارد. اين پژوهش نشان داد پر كردن هسته با فوم پلي‌اورتان جذب انرژي ويژه را نسبت به حالت بدون فوم 101% افزايش مي‌دهد كه مطابقت با مطالعات موجود مي‌كند. در پايان، دستاوردهاي كليدي اين تحقيق شامل اثبات موثر بودن پر كردن هسته آگزتيك با فوم پلي‌اورتان براي افزايش همزمان سفتي، استحكام و جذب انرژي، ارائه روندي براي اعتبارسنجي حل عددي شبه‌استاتيك و تعيين محدوده مناسب اندازه مش و شناسايي پارامترهاي طراحي (هندسه سلولي و استفاده فوم) كه مي‌توانند در كاربردهاي صنعتي سبك‌وزن و سيستم‌هاي محافظتي سودمند باشند. نتايج اين پايان‌نامه پيشنهاد مي‌كند كه ساختار آگزتيك تركيبي پرشده با فوم گزينه‌اي عملي و قابل‌اعتماد براي طراحي جاذب‌هاي انرژي در صنايع هوافضا، خودروسازي و تجهيزات حفاظتي هستند و مسير روشني براي تحقيقات بعدي ازجمله بهينه‌سازي توزيع فوم، آزمون‌هاي ضربه‌اي ديناميك و مطالعه رفتار در نرخ‌هاي بارگذاري بالا پيش‌روي پژوهشگران مي‌گذارد.

236184

طراحي كاربردي

مهندسي مكانيك

دانشگاه صنعتي اصفهان