طراحي، ساخت و تحليل فرامواد مكانيكي جديد بر اساس سازه‌هاي خرپايي

اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان

مهندسي مكانيك

كارشناسي ارشد

فرامواد، مواد مهندسي شده‌اي هستند كه خواص منحصربه فردي را دارا هستند كه فراواني چنداني در طبيعت ندارند. امروزه، طراحي سازه‌هاي جديد با ويژگي‌هاي منحصربه فرد نظير ضريب پوآسون منفي، ضريب انبساط حرارتي صفر و منفي و همچنين سفتي منفي، به دليل توانايي آن‌ها در بهبود خواص مكانيكي، توجه بسياري از پژوهشگران و مهندسان را به خود جلب كرده است. اين ويژگي‌ها به سازه‌ها اجازه مي‌دهند كه در برابر بارگزاري‌هاي مختلف به شكلي بهينه‌تر عمل كنند يا عملكردي خلاف تصوري كه از عموم مواد موجود در طبيعت است را از خود نشان دهند و به همين دليل، استفاده از اين نوع سازه‌ها در پروژه‌هاي عمراني و صنعتي روز به روز در حال افزايش است. توسعه اين نوع سازه‌ها مي‌تواند به بهبود كيفيت زندگي، كاهش هزينه‌هاي نگهداري و بهره‌برداري و افزايش كارايي انرژي منجر شود و به ايجاد زيرساخت‌هاي هوشمند و مقاوم كمك كند كه براي نسل‌هاي آينده نيز قابل استفاده باشند. در پژوهش حاضر، يك سازه سه‌بعدي بر اساس خرپاهاي ساده طراحي شده است كه هدف اصلي آن دستيابي به ضريب پوآسون منفي و ضريب انبساط حرارتي منفي با كمترين ايجاد تنش است. اين نوع طراحي نيازمند بررسي دقيق و جامع از پارامترهاي مختلف هندسي و مادي سازه است. براي بررسي دقيق و جامع از پارامترهاي مختلف هندسي و مادي سازه، از روش مدل‌سازي اجزاي محدود استفاده شد. براي اين كار ابتدا سازه با استفاده از اسكريپت نويسي پايتون به صورت پارامتريك در آباكوس طراحي شده است. براي انجام دقيق اين كار از معادلات رياضي- هندسي و دستورات نرم افزار استفاده شده و سپس مجموعه اين موارد با حداكثر انعطاف پذيري و قابليت ايجاد تغيير در طرح اوليه، به صورت كد پايتون براي اجرا توسط نرم افزار آماده گرديد. بنابراين با هربار اجراي كد و تغيير در پارامترها اثرات آن تغيير بر روي ميزان ضريب انبساط حرارتي و ضريب پوآسون مشاهده مي‌گردد. سلول واحد اين سازه متشكل از دو صفحه موازي با يكديگر و لينك‌هاي متصل كننده دو صفحه است. طراحي انجام شده فاصله اين دو صفحه با يكديگر را به عنوان يك پارامتر طراحي در نظر گرفته است. اين دو صفحه از يونيت سل در فواصل 5، 10، 15 و 20 ميلي‌متري از يكديگر قرار داده شده‌اند و طبق شبيه‌سازي‌هاي انجام گرفته ضريب پوآسون اين سازه در راستاهاي (y,z) به ترتيب مقادير (1-و 95/0-)، (1-و 52/0-)، (1-و 35/0-) و (1-و 27/0-) براي فاصه صفحات مذكور بدست آمده‌است. بعلاوه اينكه، در شبيه‌سازي‌هاي انجام شده در فواصل 5 و 10 ميلي‌متري اين ماده خاصيت ضريب انبساط حرارتي منفي و نزديك به صفر را در راستاي متعامد بر دو صفحه يونيت سل از خود نشان داد. اين مقدار براي فواصل مذكور به ترتيب /°K10-6×0/113- و /°K10-6×72/1 اندازه‌گيري شد. از آنجايي كه اندازه‌گيري ضريب انبساط حرارتي يك سازه نيازمند بستري براي تغييرات دمائي كنترل شده و روش معتبري براي سنجش تغييرات ابعادي پديد آمده در اثر افزايش دما مي‌باشد، در اين پروژه دستگاهي براي تغييرات گام به گام دمائي طراحي گرديد تا دماي سازه را به صورت هم دما افزايش دهد. افزايش دمايي اين دستگاه به واسطه يك دماسنج الكلي استاندارد مورد صحت سنجي قرار داده شد. همچنين روش اندازه‌گيري كرنش‌هاي حرارتي نيز اعتبار سنجي شد. اندازه‌گيري كرنش‌هاي حرارتي كه به واسطه تحليل تصوير مدنظر بود، توسط يك نمونه آلومينيومي 6061 مورد بررسي قرار گرفت. بدين صورت كه اين نمونه با ضريب انبساط حرارتي معلوم /°K10-6×6/23 توسط تحليل تصاوير مورد سنجش قرار گرفت تا بررسي گردد كه عدد ضريب انبساط حرارتي استخراج شده از طريق اين روش اندازه‌گيري چه تفاوتي با اين عدد در حالت اندازه‌گيري‌هاي استاندارد دارد. در اين مرحله روش اندازه‌گيري با تصوير برداري با خطاي درحد 5 درصد مورد قبول واقع شد.

233209

طراحي كاربردي

مهندسي مكانيك

دانشگاه صنعتي اصفهان