(K f +Gm )Vm + (Km +Gm )Vf (5) که در آن
E fEm
K f =

Km =

(νm )(1− 2νm +1)2 و (νf )(1− 2νf +1)2مدول برشی عرضی به عنوان جواب معادله درجه دو زیر محاسبه شد:
⎛G23 ⎞2⎛G23 ⎞
200519-64790

931277-64790

A⎜⎜Gm ⎟⎟⎠ +2B⎜⎝⎜Gm ⎟⎟⎠+C =0
⎝که در آن
105776957092

A= 3Vf (1−Vf )2 ⎜⎜⎛GGmf −1⎟⎠⎟⎞⎛⎜⎜⎝GGmf +ηf ⎟⎟⎠⎞

⎡G f⎛G f⎞ 3 ⎤⎡⎛G f⎞ ⎛G f⎞⎤

در این سایت فقط تکه هایی از این مطلب با شماره بندی انتهای صفحه درج می شود که ممکن است هنگام انتقال از فایل ورد به داخل سایت کلمات به هم بریزد یا شکل ها درج نشود

شما می توانید تکه های دیگری از این مطلب را با جستجو در همین سایت بخوانید

ولی برای دانلود فایل اصلی با فرمت ورد حاوی تمامی قسمت ها با منابع کامل

اینجا کلیک کنید

+⎢G ηm +ηfηm −⎜⎜Gm ηm −ηf ⎠⎟⎟Vf ⎥⎦⎢⎣Vfηm ⎜⎝⎜Gm −1⎠⎟⎟−⎜⎜⎝Gm ηm +1⎟⎟⎠⎥⎦
⎣ m⎝
2 ⎛G f⎞⎛G f⎞
114006527103

B=−3Vf (1−Vf ) ⎜⎜⎝Gm −1⎟⎠⎟⎜⎜⎝Gm +ηf ⎟⎟⎠
⎡G f⎛G f⎞⎤⎡⎛G f⎞⎛G f⎞ 3 ⎤
+

⎢G ηm +⎜⎜

Gm −1⎟⎟⎠Vf +1⎥⎦⎣⎢(ηm −1)⎜⎜⎝

Gm +ηf ⎟⎟⎠− 2⎝⎜⎜Gm ηm −ηf ⎟⎟⎠Vf ⎥⎦
⎣ m⎝
805466155741

Vf⎛G f⎞⎡G f⎛G f⎞Vf3 ⎤⎥
+

2 (ηm +1)⎜⎜⎝Gm −1⎟⎟⎠⎢⎣Gm +ηf +⎜⎜⎝Gm ηm −ηf ⎟⎠⎟⎦
⎛G⎞⎛G⎞
103330428983

C = 3Vf (1−Vf )2 ⎜⎜⎝Gmf −1⎟⎟⎠⎜⎜⎝Gmf +ηf ⎟⎠⎟
75136497060

165204897060

⎡G f⎛G f⎞Vf +1⎤⎥⎡⎢G f +ηf +⎜⎜⎛GG f ηm −ηf ⎞⎟⎟Vf3 ⎤⎥
+⎢ ηm +⎜⎜G −1⎟⎟G
G (9)
⎣ m⎝ m⎠⎦⎣ m⎝ m⎠⎦
ηm = 3−4νm
ηf = 3−4νf
خروجی روابط گوناگون میکرو مکانیک برای تعیین 1- نوع مسئله از نوع سازه ای – حرارتی و روش حل از نوع ویژگی های لمیناهای با کسر حجمی 50، 55 و 60 درصد h-method انتخاب شد.
انتخاب المانهای سه بعدی سازگار با یکدیگر و هندسه مسئله: SOLID45 برای آستر و SOLID46 برای لایه های کامپوزیتی.
تعریف ویژگیهای کشسان: Material-1 به عنوان آستر آلومینیومی و Material-2 به عنوان لمینت. الیاف کربن در جدول 3 آمده است.

شبیه سازی سه بعدی
10 گام اصلی زیر برای انجام شبیه سازی سه بعدی با نرم افزار ANSYS-12 طی شد:
تعریف ویژگیهای واماندگی لمینا: ویژگیهای مکانیکی لمینا که با استفاده از روابط میکرو مکانیک در سه کسر حجمی تعیین شد.
تعریف لمینت: ویژگیهای لمینا، جهت گیری آن
(°7/54)، ضخامت آن (mm125/0) و چیدمان آن
(نامتقارن) تعریف شد. دلایل انتخاب این زاویه و نوع چیدمان در [19] تشریح شده است.
مدل سازی: شکل 4 مقطع طولی کپسول CNG مورد بررسی را به صورت شماتیک نشان میدهد. در این پژوهش با دو فرض اصلی، این کپسول به صورت یک لوله تحت فشار مدل سازی شد: در هیچ نقطه از مخزن، دما افزایش نیابد و مقدار تمرکز تنش نیز از تنش وارد بر طول مخزن بیشتر نشود. سپس به دلیل تقارن محوری، نیمی از آن لوله تحت فشار، مدل شد. باید خاطر نشان کرد که در این حالت با توجه به اعمال شرایط مرزی در ابتدا و انتهای مخزن، مقدار داده های خروجی در این نواحی می تواند به مقدار قابل ملاحظه ای متفاوت از شرایط واقعی باشد؛ از این رو، داده ها در نواحی میانی مخزن قرائت شده است تا به مقدار کافی از نواحی انتهایی فاصله داشته باشد و کمترین خطای ممکن در آن وارد شود.
مش: هر دوی آستر و لمینت به صورت Hex/Wedge با مش با اندازه مناسب، مش زده شد.
تعریف نیرو و شرایط مرزی: بر اساس استاندارد ISO-11439 فشار داخلی 210 بار در یک شرایط مرزی مناسب وارد شد.
حل و نتایج: بیشترین مقدار افزایش قطر مخزن، معیار
واماندگی Tsai-Wu برای لمینت و کرنش Von Mises برای آستر آلومینیومی بررسی شد. برای نمونه، نتیجه واماندگی Tsai-Wu برای یک لمینت 20 لایه در شکل 5 آمده است.
تکرار: مراحل 9 گانه بالا برای لمینت های 20 تا 80 لایه در کسر حجمی 50، 55 و 60 درصد از الیاف کربن تکرار شد.

نتایج و بحث نتایج شبیه سازی مکانیکی همان گونه که پیش تر نیز اشاره شد، شرایط کاری بهینه دستگاه CNC رشته پیچ در کسر حجمی 50 تا 60 درصد از الیاف کربن بدست آمد و از این رو شبیهسازی تنها در این بازه و در سه کسر حجمی مشخص از آن انجام گرفت:
50، 55 و 60 درصد. کپسول های CNG فولادی در یک حجم یکسان، mm13 ضخامت دارند و در این کار نیز بررسی رفتار نوع کامپوزیتی آن حداکثر تا 80 لایه پیش رفت تا مجموع ضخامت لایههای کامپوزیتی و آستر آلومینیومی، همان mm13 شود: mm3 آستر + mm10 لمینت. از سوی دیگر، با توجه به زمان بسیار زیاد انجام و تکرار مراحل شبیه سازی، در عمل، بررسی تعداد لایههای بیشتر از 80 لایه نیز امکانپذیر نبود. نتایج شبیهسازی در شکل های 6 تا 9 آمده است. هر نقطه از این نمودارها، نتیجه یک مرحله مدل سازی و شبیه سازی جداگانه است زیرا در این پژوهش به جای المان های SHELL، از المان های دقیقتر SOLID استفاده شده است و در نتیجه، برای هر کسر حجمی، تعداد لایه و ضخامت، کل فرایند شبیه سازی از ابتدا تا انتها انجام شد.

بحث درباره شبیهسازی مکانیکی بر اساس نتایج بدست آمده از روابط میکرو مکانیک (جدول 3)، با افزایش کسر حجمی الیاف کربن، مقادیر
1E2 ،E و 12G افزایش می یابند و در نتیجه، بیشترین مقدار افزایش قطر مخزن نیز کاهش مییابد (شکل 6 را ببینید).
شکل 7 یک رفتار واماندگی نامنتظره را پیشبینی میکند: با افزایش کسر حجمی الیاف کربن با استحکام بالا از 50 به 60 درصد، لایههای کامپوزیتی در تنش های کمتری دچار واماندگی می شوند و مقدار معیار واماندگی Tsai-Wu افزایش می یابد. می توان این رفتار نامعمول را با استفاده از نتایج روابط میکرو مکانیک توضیح داد. همان گونه که جدول 3 نشان می دهد، با افزایش کسر حجمی الیاف تقویت کننده، مقدار همه ویژگیهای مکانیکی لمینای مورد نظر افزایش نمی یابد: σ1,T و σ2,C افزایش و σ1,C ،σ2,T و 12τ کاهش مییابد. افزون بر آن، باید خاطر نشان کرد که معیار واماندگی Tsai-Wu، معیاری تعاملی است و تأثیر همزمان همه نیروها و استحکام های لمینا را در نظر می گیرد و از این رو، میتوان کسر حجمی 50 درصد از الیاف کربن را به عنوان ایمن ترین حالت برای واماندگی لمینت معرفی کرد. این موضوع، به گونهای دیگر با استفاده از معیار کمترین فشار داخلی که موجب واماندگی در نخستین لایه لمینت میشود نیز بررسی شد. در این معیار که نتیجه ای از معیار Max Stress یا تنش بیشینه است، هنگامی لمینت وامانده تلقی می شود که در یکی از لایه های آن، تنش به بیشترین مقدار قابل تحمل خود برسد. در این حالت نیز این معیار، نتیجهای مشابه با معیار Tsai-Wu پیش بینی و برتری کسر حجمی 50 درصد از الیاف کربن را برای بهبود واماندگی لایه های کامپوزیتی تصدیق میکند (شکل 8).
شکل 9 نمودار کرنش von Mises آستر آلومینیومی بر حسب تعداد لایه ها در سه کسر حجمی 50، 55 و 60 درصد از الیاف کربن را نشان میدهد. با توجه به این نمودار، با افزایش تعداد لایهها و کسر حجمی الیاف کربن، اگرچه همچنان مقدار کرنش معادل آستر آلومینیومی از کرنش تسلیم آن (004/0) بالاتر است، اما مقدار آن تا حدود دو برابر کاهش و در نتیجه، شرایط واماندگی آن ارتقا یافته است. این رفتار ناشی از کاهش بیشترین مقدار افزایش قطر کپسول است و از این رو، ایمن ترین کسر حجمی الیاف کربن برای بهبود واماندگی آستر، با انتخاب بیشترین کسر حجمی ممکن (60 درصد) بدست میآید.
همان گونه که این چهار نمودار ناشی از شبیه سازی نشان می دهند، کسر حجمی 55 درصد از الیاف تقویت کننده، میانگینی از ویژگیهای کسر حجمی 50 درصد (واماندگی ایمن تر برای لمینت) و 60 درصد (واماندگی ایمن تر برای آستر) را دارد و می توان آن را به عنوان کسر حجمی بهینه در نظر گرفت.

نتایج و بحث درباره شبیه سازی ترمومکانیکی همان گونه که پیش تر نیز اشاره شد، کسر حجمی 55 درصد از الیاف تقویت کننده، کارایی بهینه مکانیکی را ایجاد می کند. به دلیل حضور و اهمیت تنشهای ترمومکانیکی در مواد کامپوزیتی زمینه پلیمری، تأثیر همزمان تنش های حرارتی و مکانیکی در نظر گرفته و ارزیابی شد. برای این منظور، بر اساس استاندارد ISO-11439، یک بازه دمایی بیشینه، برابر با 40- تا 65 درجه سانتی گراد وارد شد. شکلهای 10 و 11 نتایج شبیه سازی سه بعدی ترمومکانیکی را نشان می دهند. همان گونه که شکل 10 نشان می دهد، با اضافه شدن تنش های حرارتی، مقدار معیار واماندگی Tsai-Wu برای لمینت بیش از پیش افزایش می یابد و در نتیجه، شرایط واماندگی آن بحرانی تر می شود.
بر اساس پیش بینیهای روابط میکرو مکانیک، مقدار 1α بسیار کمتر از مقدار 2α خواهد بود (جدول 3) و از سوی دیگر، ضریب انبساط حرارتی آلومینیوم از 1α بیشتر است (جدول 2). با توجه به شکل 11، تأثیر 1α در تعداد لایه های 70 تا 80، غالب می شود و به دلیل اعمال تنشهای فشاری از سوی لایه های کامپوزیتی به آستر آلومینیومی، شرایط بارگذاری ترمومکانیکی آن به حالت بارگذاری مکانیکی بیش از پیش نزدیک میشود.

نتایج
در این پژوهش، رفتار ترمومکانیکی کپسولهای CNG کامپوزیتی الیاف کربن- رزین اپوکسی رشتهپیچی شده بررسی شد. بر اساس نتایج، با افزایش همزمان تعداد لایه ها و کسر حجمی الیاف کربن، بیشترین مقدار افزایش قطر مخزن کاهش می یابد و از این رو، واماندگی آستر آلومینیومی بهبود مییابد؛ در حالی که واماندگی لمینتهای کامپوزیتی بحرانی تر می شود. تنشهای حرارتی نیز یک نقش مخرب بر استحکام و توانایی تحمل نیروی لمینت ایفا می کنند، اما با افزایش تعداد لایه ها، تأثیر این تنش ها در واماندگی آستر آلومینیومی کاهش مییابد و از 80 لایه به بعد میتوان از آنها چشم پوشی کرد. در پایان می توان کسر حجمی 55 درصد از الیاف کربن را به عنوان کسر حجمی بهینه در بازه 50 تا 60 درصد معرفی کرد و مخازن تحت فشار ایمنتری را با آن ساخت.

تشکر و قدردانی
نویسندگان این مقاله، دستاوردهای خود را مدیون همکاری صمیمانه و بیدریغ آقای دکتر محمد رضا ظهیر امامی مدیر محترم مجموعه کارخانه های فراسان و کارکنان آن مجموعه می دانند. در حقیقت، این پژوهش بدون حمایت های مالی و فنی ایشان ممکن نبود.
Composite Structures, Vol. 92 (9), 2307-2313, 2010.
A. Vafaeesefat, “Dome Shape
Optimization of Composite Pressure vessels Based on Rational B-Spline Curve and Genetic Algorithm”, Applied Composite Materials, Vol. 16 (5), 321-330, 2009.
T. L. Teng, C. M. Yu, Y. Y. Wu, “Optimal Design of Filament-Wound Composite Pressure Vessels”, Mechanics of Composite Materials, Vol. 41 (4), 333-340, 2005.
Z. Changliang, R. Mingfa, Z. Wei, C. Haoran, “Delamination Prediction of Composite Filament Wound Vessel with Metal Liner Under Low Velocity Impact”, Composite Structures, Vol. 75 (1-4), 387-392, 2006.
P. Xu, J. Y. Zheng, P. F. Liu, “Finite Element Analysis of Burst Pressure of Composite Hydrogen Storage Vessels”, Materials and Design, Vol. 30 (7), 2295-2301, 2009.
C. S. Mao, M. F. Yang, D. G. Hwang, H. C. Wang, “An Estimation of Strength for Composite Pressure Vessels”, Composite
Structures, Vol. 22 (3), 179-186, 1992.
C. Frias, H. Faria, O. Frazo, P. Vieira, A. T. Marques, “Manufacturing and Testing Composite Overwrapped Pressure Vessels with Embedded Sensors”, Materials and Design, Vol. 31 (8), 4016-4022, 2010.
D. Cohen, S. C. Mantell, L. Zhao, “The Effect of Fiber Volume Fraction on Filament Wound Composite Pressure Vessel Strength”, Composites, Vol. 32 (5), 413-429, 2001.
ASTM standard:B 308/B 308M (2002), “Standard Specification for Aluminum – alloy 6061- T6 Standard Structural Profiles”
A. K. Kaw, Mechanics of Composite Materials, 2ed., p. 203-301, CRC Press, London, 2005.
S. Karimi, “Materials Selection and Design for Manufacturing a Suitable Composite CNG Tank”, M.S. Thesis Shiraz University, 2011.

Refrences
F. Ryan, B. Caulfield, “Examining The Benefits of Using Bio-CNG in Urban Bus Operations”, Transportation Research Part D: Transport and Environment, Vol. 15 (6), 362365, 2010.
M. U. Aslam, H. H. Masjuki, M. A. Kalam, H. Abdesselam, T. M. I. Mahlia, M. A. Amalina, “An Experimental Envestigation of CNG as an Alternative Fuel for a Retrofitted Gasoline Vehicle”, Fuel, Vol. 85 (5-6), 717724, 2006.
S. Yeh, “An Empirical Analysis on the Adoption of Alternative Fuel Vehicles: The Case of Natural Gas Vehicles”, Energy Policy, Vol. 35 (11), 5865-5875, 2007.
ISO standard: 11439 (2000), “Gas Cylinders – High Pressure Cylinders for the On-Board Storage of Natural Gas as a Fuel for Automotive Vehicles”.
ANSI/CSA standard: NGV2 (2000), “Basic Requirements for Compressed Natural Gas Vehicle (NGV) Fuel Containers”.
A. Önder, O. Sayman, T. Dogan, N. Tarakcioglu, “Burst Failure Load of Composite Pressure Vessels”, Composite Structures, Vol. 89 (1), 159-166, 2009.
L. Zu, S. Koussios, A. Beukers, “Optimal Cross Sections of Filament-Wound Toroidal Hydrogen Storage Vessels Based on
Continuum Lamination Theory”, International Journal of Hydrogen Energy, Vol. 35 (19), 10419-10429, 2010.
L. Zu, S. Koussios, A. Beukers, “Shape Optimization of Filament Wound Articulated Pressure Vessels Based on Non-Geodesic Trajectories”, Composite Structures, Vol. 92 (2), 339-346, 2010.
L. Zu, S. Koussios, A. Beukers, “Design of Filament-Wound Isotensoid Pressure Vessels
With Unequal Polar Openings”,

پیوستها
جدول 1- ویژگی های الیاف کربن و سیستم رزین تشکیلدهنده لمینت کامپوزیتی.
منبع داده سیستم رزین منبع داده الیاف کربن واحد ویژگی
a 1/2 b 1/8 g/cm3 چگالی (ρ)
a 3/63 b 230 GPa مدول یانگ طولی (1E)
a 3/63 c 22 GPa مدول یانگ عرضی (2E)
d 1/4 d 88/46 GPa مدول برشی طولی (21G)
d 1/4 d 8/15 GPa مدول برشی عرضی (12G)
c 0/3 c 0/2 – نسبت پواسون عرضی (12υ)
a 79 b 4900 MPa استحکام کششی طولی (σ1,T)
a 79 d 182/49 MPa استحکام کششی عرضی (σ2,T)
c 140 d 4737 MPa استحکام فشاری طولی (σ1,C)
c 140 d 99/54 MPa استحکام فشاری عرضی (σ2,C)
b 56 c 36 MPa استحکام برشی (12τ)
b 63 b -0/38 10-6/°C ضریب انبساط حرارتی طولی (1α)
b 63 c 7 10-6/°C ضریب انبساط حرارتی عرضی (2α)
a: آزمایش مستقیم b: برگه اطلاعاتی فرآورده c: کتاب راهنما و مقاله d: محاسبه، تخمین و نرمالسازی

جدول 2- ویژگیهای آستر آلومینیومی انتخاب شده[17].
مقدار ویژگی
2/7 چگالی (3g/cm)
310 استحکام کششی (MPa)
276 استحکام تسلیم (MPa)
68/9 مدول یانگ (GPa)
0/004 کرنش تسلیم
0/1 کرنش شکست
12 ازدیاد طول (٪)
0/33 نسبت پواسون
25/2 ضریب انبساط حرارتی (μm/m°C)

جدول 3- ویژگی های لمینا که با روابط میکرو مکانیک محاسبه شده است.
Vf = 60% Vf = 55% Vf = 50% واحد ویژگی
1/56 1/53 1/50 g/cm3 چگالی (ρ)
139/5 128/2 116/8 GPa مدول یانگ طولی (1E)
13/06 11/37 10/01 GPa مدول یانگ عرضی (2E)
5/29 4/59 4/03 GPa مدول برشی عرضی (12G)
0/25 0/26 0/27 – نسبت پواسون عرضی (12υ)
2940/03 2695/03 2450/04 MPa استحکام کششی طولی (σ1,T)
39/71 43/63 46/79 MPa استحکام کششی عرضی (σ2,T)
106/40 110/70 115/00 MPa استحکام فشاری طولی (σ1,C)
136/06 132/06 128/89 MPa استحکام فشاری عرضی (σ2,C)
29/56 32/41 34/62 MPa استحکام برشی (12τ)
0/28 0/43 0/60 10-6/°C ضریب انبساط حرارتی طولی (1α)
38/99 42/78 46/56 10-6/°C ضریب انبساط حرارتی عرضی (2α)

شکل 1- دستگاه رشته پیچ 5 محوری که در این پژوهش ساخته شد.

شکل 2- نخستین فرآورده دستگاه رشته پیچ.

13.06
37
11.
10.01
6
8
10
12
14
16
18
20
0.35
0.40
0.45
0.50
0.55
0.60
0.65
0.70
0.75
V
f
(%)
E
2
(GPa)

  • 1

پاسخ دهید