فهرست مطالب

مکانیک هوافضا - سال هشتم شماره 1 (پیاپی 27، بهار 1391)

فصلنامه مکانیک هوافضا
سال هشتم شماره 1 (پیاپی 27، بهار 1391)

  • رفتار مکانیکی مواد و سازه ها
  • تاریخ انتشار: 1391/07/01
  • تعداد عناوین: 8
|
  • مهندس حسین اشرفی، محمد شرعیات * صفحات 1-12

    در این پژوهش به توسعه یک فرمول بندی المان محدود کلی بر اساس روش اصلاح یافته بهینه سازی لاگرانژ الحاقی برای تحلیل رفتار شبه استاتیکی تماس اصطکاکی در فروروی نانو پرداخته شده و بر اساس شرایط سینماتیکی هندسی اجزاء در حال تماس، از رهیافت لاگرانژ الحاقی بهبود یافته استفاده شده است. این نوع فرآیند جدید حل بر دشواری های تعیین دو عامل پنالتی و تعداد گام های بار نموی که در روش های مرسوم باید توسط کاربر تعیین شوند، غلبه نموده است. برای برطرف نمودن دشواری های عددی فرمول بندی های تساوی، از قانون اصطکاک غیرکلاسیک جدیدی استفاده شده که در آن شرایط چسبندگی و لغزشی قانون کلاسیک به یک قانون اصطکاکی الاستیک بهبودیافته تبدیل شده است. در پایان، این فرمول بندی به یک الگوی کامل برای حل مسائل کلی تماس اصطکاکی منتهی شده و برای بررسی درستی نتایج به بررسی فرآیند فروروی یک فرورونده صلب در یک لایه الاستیک پرداخته شده است. الگوریتم استفاده شده در مثال کاربردی بیان شده برای شرایط اصطکاکی چسبندگی و لغزشی به خوبی همگرا گردید و همگرایی حل با گام گذاری بار خودکار و پیش گویی بار تماس مورد تحلیل قرار گرفت.

    کلیدواژگان: رهیافت لاگرانژی الحاقی، مکانیک عددی تماس، اصطکاک، فروروی نانو
  • محمد مشایخی، حسین شعرباف صفحات 13-27
    در این تحقیق رفتار پلاستیک مواد پلی کریستال و آلیاژهای دو فازی با استفاده از مدل کریستال پلاستیسیته به روش های عددی و تجربی بررسی شده است. تئوری کریستال پلاستیسیته دیدگاه جامع تری از رفتار تغییرشکل پلاستیک فلزات نسبت به تئوری پلاستیسیته متعارف ارائه می دهد. در ابتدا، فرمول بندی الاستیک-پلاستیک مواد تک کریستال بر اساس مدل کریستال پلاستیسیته همراه با الگوی حل ارائه شده است. در این الگو، مراحل به هنگام نمودن تنش ها و متغیرهای حالت وابسته در مدل کریستال پلاستیسیته معرفی شده است. برای به کارگیری این الگو جهت شبیه سازی رفتار مواد تک کریستال و پلی کریستال، فرمول بندی معرفی شده در یک برنامه اجزای محدود پیاده سازی شده است. با استفاده از روش سلول واحد، یک شبکه پلی کریستال تک فازی به صورت توده ای از گره های تک کریستالی با جهت گیری های متنوع، ایجاد شده و این شبکه به کمک الگوی ارائه شده برای مواد تک کریستال، مورد تحلیل قرار گرفته و در ادامه یک ماده پلی کریستال دوفازی با پخش تصادفی گره های فازی در سرتاسر توده پلی کریستال نیز شبیه سازی شده است. نتایج حاصل از شبیه-سازی با نتایج دیگر محققین مورد صحت سنجی قرار گرفته است.
    کلیدواژگان: کریستال پلاستیسیته، تک کریستال، پلی کریستال دوفازی، تحلیل اجزاء محدود
  • مهندس اسماعیل برزکار، محمدرضا فروزان صفحات 29-41
    توربین های گاز کاربرد فراوانی در صنایع نیروگاهی و هوافضائی دارند. امروزه، بر مبنای جوشکاری دوجنسی، روش های اقتصادی برای تعمیر پره های این نوع توربین ها ابداع شده است. در این مقاله، روشی برای تعیین عمر خزشی یک قطعه تعمیر شده از دو جنس مختلف بر مبنای تحلیل اجزاء محدود گذرا ارائه شده است. بدین منظور، یک طرح ساده دو بعدی تحت نیروی گریز از مرکز پیشنهاد شده است. جنس ماده پایه و پرکننده به ترتیب سوپرآلیاژهای GH 4049 و Inconel 718 در نظر گرفته شده اند. با توجه به وابستگی تنش ها به زمان، عمر پره با استفاده از قانون کسری جمع آثار آسیب، به کمک برنامه نویسی در نرم افزار انسیس تعیین شده است. جهت اطمینان، آزمایشی طرح ریزی شده که معرف نحوه خزش المان های بحرانی در مجاورت هم می باشد. در این آزمایش، از سرب به عنوان جنس نرم تر و از قلع 70%-سرب30% به عنوان جنس سخت تر استفاده شده و نتایج آزمایش با نتایج تحلیل عددی مقایسه شده است. بین نتایج شبیه-سازی عددی و آزمایش های تجربی برابری بسیار خوبی مشاهده می شود. نقطه گسیختگی به درستی پیش بینی شده و خطای پیش بینی عمر آن با مقدار حاصل از آزمایش فقط 6 درصد اختلاف دارد. نتایج نشان می دهد که تفاوت بین خواص خزشی دو جنس پایه و پرکننده در مکان و شکل فرضی نزدیک ریشه پره موجب کاهش عمری معادل 90 % عمر مبنا خواهد شد.
    کلیدواژگان: خزش، پیش بینی عمر، تعمیر دوجنسی، تحلیل اجزاء محدود گذرا، پره توربین
  • سعید فعلی، مهدی بختیار صفحات 43-54
    در این مقاله با استفاده از تئوری انتشار امواج تنش پلاستیک، برخورد پرتابه استوانه ای به سطح صلب در آزمایش ضربه تیلور تحلیل شده است. در این روش تحلیلی از طرح رفتار ماده جانسون کوک، معادله حالت می گرونایزن، رابطه کرنش دینامیکی شکست جانسون کوک و معادلات سینماتیکی حرکت استفاده شده است. هم چنین، معادلات بقاء جرم، انرژی و اندازه حرکت در پیشانی موج تنش پلاستیک استخراج شده است. با استفاده از برنامه رایانه ای تهیه شده، معادلات استخراج شده حل و تنش، کرنش، نرخ کرنش، سرعت، طول و شعاع نواحی صلب و تغییرشکل یافته پرتابه محاسبه شده است. نتایج طرح تحلیلی با نتایج شبیه سازی المان محدود انجام شده با نرم افزار آباکوس و نتایج تجربی موجود مقایسه شده و ملاحظه شد که طول و شعاع قسمت تغییرشکل یافته پرتابه و سرعت قسمت صلب پرتابه، هم خوانی مناسبی با نتایج تجربی و نتایج شبیه سازی با نرم افزار آباکوس دارد. در پایان، تنش محوری حاصل در پرتابه به صورت تابعی از ابعاد هندسی و ضرایب خواص ماده پرتابه استخراج شده است. با استفاده از روش پیشنهاد شده در این مقاله، تنش فشاری پرتابه در کرنش های پلاستیک مختلف و به صورت تابعی از نرخ کرنش محاسبه شده است.
    کلیدواژگان: تنش دینامیکی فشاری، آزمایش تیلور، برخورد، پرتابه
  • کرامت ملک زاده فرد، مسعود ابراهیمی، علی نظری، سعید ایرانی صفحات 55-70
    چکیده در تحقیق حاضر کمانش پانل ساندویچی مستطیلی با دو رویه چند لایه کامپوزیتی و هسته میانی از جنس مواد هدفمند متقارن در محدوده الاستیک خطی تحلیل و بررسی شده است. بارگذاری تک محوره فشاری روی لبه های رویه های بالا و پایین در دو سوی پانل به صورت هم زمان و یکنواخت اعمال شده است. با استفاده از قضایای روش های تغییراتی و اصل همیلتون، اکسترمم انرژی کل ذخیره شده در سازه که همان معادلات تعادل پانل است، استخراج گردیده است. در فرمول بندی ریاضی از تئوری جدید بهبود یافته مرتبه بالای پانل ساندویچی استفاده شده است. تئوری به کار رفته در رویه ها، تئوری برشی مرتبه اول است. جابه جایی های هسته در جهات مختلف با چند جمله ای هایی با ضرایب نامشخص طراحی و فرض شده است که هسته قابلیت تحمل تنش های برشی و نرمال صفحه ای را دارد. از اثرات دما و رطوبت چشم پوشی و هسته هدفمند به صورت متقارن طراحی شده است. در پایان، اثرات تغییر نسبت طول به عرض پانل، ضخامت کل به طول و یا عرض، نسبت مدول الاستیسیته ماده طرفین هسته به مرکز آن و نوع تابع توزیع خواص ماده هدفمند با انواع توان های توزیع بر بار بحرانی کمانش مورد مطالعه قرار گرفته اند. نتایج عددی نشان می دهند که در هسته های ضخیم هدفمند نمی توان از اثرات تنش های صفحه ای روی بار بحرانی کمانش صرف نظر کرد. هم چنین نوع تابع توزیع خواص و عدد توان توزیع در نظر گرفته شده در هسته هدفمند تاثیرات قابل ملاحظه ای روی بار بحرانی کمانشی پانل دارد.
    کلیدواژگان: کمانش، پانل ساندویچی، هسته هدفمند، تئوری مرتبه بالای بهبودیافته
  • کرامت ملک زاده، علی نظری، علی مظفری، مسعود ابراهیمی صفحات 71-84
    در تحقیق حاضر اثر کاربرد هسته هدفمند بر کاهش پدیده تورق در محل اتصال رویه ها به هسته میانی در ورق های ساندویچی کامپوزیتی در بارگذاری عرضی یکنواخت مورد بررسی قرار گرفته است. برای استخراج معادلات تعادل، از روش تغییراتی و اصل همیلتون استفاده شده و شرایط مرزی بر روی همه لبه ها به صورت ساده در نظر گرفته شده است. تئوری به کار رفته در رویه ها، تئوری برشی مرتبه اول است. جابه جایی های هسته در جهات مختلف با چندجمله ای هایی با ضرایب نامشخص طراحی شده اند. فرض شده که هسته قابلیت تحمل تنش های برشی و نرمال صفحه ای را دارد و اثرات آن ها در استخراج سامانه معادلات پانل در نظر گرفته شده است. خواص مواد هدفمند نیز با استفاده از تابع توانی در راستای ضخامت هسته طراحی شده است. هم چنین، اثر هدفمند بودن هسته میانی بر میزان جابه جایی های هسته ورق ساندویچی در هر سه راستا، مورد بررسی قرار گرفته است. برای بررسی درستی نتایج، برنامه ای نیز در محیط APDL نرم افزار انسیس نوشته شد. تطابق قابل قبول نتایج حل تحلیلی و عددی نشان دهنده درستی محاسبات انجام شده است.
    کلیدواژگان: جدایش، پانل ساندویچی، هسته هدفمند، تئوری مرتبه بالای بهبودیافته
  • حسین خدارحمی، خداداد واحدی، مهندس حسین لطفی صفحات 85-98
    دیافراگم های پاره شونده به عنوان شیر سریع العمل در پرتابگرهای گازی برای مطالعه مسائل برخورد و نفوذ و در تونل شاک برای مطالعه اثرات موج انفجار روی هدف مورد نظر به طور گسترده استفاده می شوند. در طراحی این نوع دیافراگم ها، تخمین فشار پارگی از مشخصات مادی و هندسی، یک عامل مهم و اساسی است. در این مقاله، با هدف طراحی دیافراگم های آلومینیمی مورد نظر در پرتابگر گازی موجود، ابتدا تئوری حاکم بر ناپایداری در دیافراگم های بدون شیار و شیاردار بررسی شده و فرآیند پارگی دیافراگم به کمک نرم افزارهای ANSYS و LS-DYNA شبیه سازی شده است. به علاوه، سامانه ای برای آزمایش دیافراگم های با عمق شیار 3/0 تا 7/1 میلی-متر ساخته شده و با انجام آزمایش های تجربی و اندازه گیری فشار پارگی، رابطه تجربی فشار پارگی بر حسب عمق شیار دیافراگم به دست آمده است. در پایان، برای دیافراگم های شیاردار رابطه ای تحلیلی-تجربی ارائه شده که می تواند فشار پارگی را برحسب مقادیر مقاومت نهایی، قطر دیافراگم و ضخامت شیار با تقریب مناسبی تخمین بزند.
    کلیدواژگان: دیافراگم، دیافراگم پاره شونده، پرتابگر گازی، تونل شاک، فشار پارگی، ناپایداری، شیار
  • علی قمریان، محمد علی فارسی صفحات 99-109
    ضربه گیرها و جاذب های انرژی از جمله اجزایی هستند که در برخی سامانه ها برای جذب انرژی جنبشی و تبدیل آن به صورت دیگری از انرژی استفاده می شوند. هدف از تحقیق حاضر مطالعه آزمایشگاهی و شبیه سازی فروریزش سازه های جدار نازک استوانه ای با درپوش کروی (سازه های جدار نازک ترکیبی) تحت اثر بارگذاری شبه استاتیک محوری و بررسی عوامل موثر بر نحوه فروریزش است. در مطالعه آزمایشگاهی نمونه های استوانه ای با درپوش کروی آلومینیمی به روش چرخ کاری ساخته شده و بین دو صفحه صلب تحت اثر بارگذاری شبه استاتیک قرار گرفته و سپس نحوه فروریزش نمونه، تغییرات نیرو و مقدار انرژی لازم تعیین شده اند. مدلی برای شبیه سازی فرآیند فروریزش با استفاده از تحلیل اجزای محدود ارائه و اثر رفتار غیرخطی مواد، تماس و تغییر شکل بزرگ در این شبیه سازی در نظر گرفته شده است. مقایسه نتایج آزمایشگاهی و شبیه سازی نشان می دهد که مدل ارائه شده برای تعیین پاسخ فروریزش و تعیین نمودار نیرو- جابه جایی و میزان انرژی جذب شده مناسب است. با استفاده از مدل عددی، اثر پارامترهای مختلف نظیر زاویه نیم راس، ارتفاع بخش استوانه ای و ارتفاع بخش کروی بر متوسط نیروی فروریزش، میزان انرژی جذب شده و نحوه فروریزش پوسته های استوانه ای با درپوش کروی بررسی شده است. به عنوان مثال، نتایج این مطالعه در صنایع هوافضا می تواند برای بازیابی راکت کاوش بر پایه سازه های ترکیبی استفاده شود.
    کلیدواژگان: فروریزش محوری، سازه های جدار نازک، جاذب انرژی، پوسته های استوانه ای، درپوش کروی
|
  • H. Ashrafi, M. Shariyat Pages 1-12

    In this paper a general finite element formulation, using a modified augmented Lagrangian (AL) optimization method, has been developed to analyze the quasi-static frictional contact behavior of nano-indentation procedure.Based on the geometrical kinematic conditions of contacting parts, a novel improved AL approach has been used.This novel solution procedure for contact formulation overcomes the difficulty of dependence of the solution process on two user-specified parameters, i.e. the penalty parameter for contact constraints and the number of load steps. For overcoming the numerical difficulties of variational equality formulations, a new non-classical friction law has been used, in which the stick and slip conditions of classical law have been changed to a modified elastic friction law.Finally, the indentation procedure of rigid nano-indenters into an elastic layer has been evaluated to verify the results. The numerical algorithm in an applied example is accurately converged for stick and slip friction conditions and solution convergence is analyzed using automatic load stepping and contact load predicting.

    Keywords: Augmented Lagrangian Optimization Approach, Numerical Contact Mechanics, Friction, Nanoindentation
  • M. Mashayekhi, H. Shaarbaf Pages 13-27
    In this paper the plastic deformation of single phase and two-phase polycrystal materials is studied both experimentally and by a FEM model computation, taking into account crystal plasticity. A fully coupled constitutive elastic-plastic crystal plasticity model is developed and implemented in the finite element model to define the single crystal material.A polycrystal lattice as an aggregate of single crystal grains with various orientations is both simulated and analyzed by means of unit cell method. The user-subroutine has been written for single crystals materials. Many experimental tests of polycrystal materials have been performed to trust the results of simulations. The stress versus strain dependence as obtained from this FEM-model appears to be in good accordance with experimental results.
    Keywords: Crystal Plasticity, Single Crystal, Two, phase Polycrystal, FEM Analysis
  • E. Barzkar, M.R. Forouzan Pages 29-41
    Gas Turbines have wide applications in power plants and aerospace industries. Nowadays, based on welding of two different materials, some economic methods for repairing turbine blades have been developed. In this paper, a method, for determining creep life of a RTB (Repaired Turbine Blade) of two substances, based on transient FEM method had been developed. To find the effect of the difference between creep properties of materials of two substances RTBs, a simple 2D model under centrifugal forces was modeled. The base and filler metals were GH 4049 and Inconel 718, respectively. Creep is time dependent deformation of metals at elevated temperatures, therefore stresses are also time dependent. Hence, the life of RTB was estimated using damage fraction rule. These were performed using APDL ANSYS commercial software codes. To verification of the method, an experiment test has been established which defined the way critical elements behaved. In this experiment, pure lead was used as softer and Tin70%-lead30% was used as harder metal in creep. Experimental and numerical models were compared and good agreements between them were found. Rupture point was truly predicted and relative error was only 6% (traditional methods had 20% error). Results showed that the difference between creep properties of base and filler metals for supposed geometry and repaired location, leads to 90% decrement of designed life.
    Keywords: Creep, Life Assessment, Repaired Turbine Blade, Transient Analysis
  • S. Feli, M. Bakhtiar Pages 43-54
    In this paper based on the plastic stress wave propagation theory, a new analytical model is presented for impact of the cylindrical projectiles on the rigid surface. In this analytical model, Johnson-Cook material behavior equation,Mie–Grueneisen equation of state, Johnson-Cook strain at fracture equation and kinematics equations of motion, are used. Also, the conservation equations of mass, momentum and energy in front of plastic stress wave are determined.For solving the governing equations, a computer program is developed. The values of stress, strain, strain rate,velocity and length and radius of rigid and deformed region of projectile were determined. Using new model proposed in this paper, the compressive stress at different plastic strain and strain rates were determined. The results of the new model have been compared with ABAQUS finite element simulations and available experimental results.It shows that the length and radius of deformed region of projectile predicted by the new model have good agreements with experimental results and ABAQUS FE simulations. Furthermore, the compressive dynamic stress is determined as a function of the final projectile dimensions and material behavior coefficients.
    Keywords: Compressive Dynamic Stress, Taylor Test, Impact, Projectile
  • K. Malekzadeh Fard, M. Ebrahimi, A. Nazari, S. Irani Pages 55-70
    In this paper, linear elastic buckling analysis of rectangular composite sandwich panel with composite laminate faces and symmetric functionally graded material (FGM) core is presented. Unidirectional steady in-plane forces and simply supported boundary conditions are applied on the faces’ edges only. Hamilton principle and functional method are used to derive equilibrium equations, which are usually minimum functional of stored energy. In the mathematical formulation a new improved higher-order sandwich panel theory (IHSAPT) was used. First shear deformation theory (FSDT) is used for faces. Core displacement in various directions is modeled by polynomial function with indeterminate coefficients. It is assumed that the core is able to sustain shear and normal in-plane stresses. Temperature and humidity effects are neglected and the FGM core is modeled symmetrically. Finally, the effects of aspect ratio, thickness to side ratio, core materials’ modulus ratio, and various kinds of FGM distribution functions and powers on the critical buckling load are investigated. The numerical results show, that the effects of in plane stresses in the thick functionally graded cores on the critical buckling load cannot neglected. Also, the effects of type of FGM distribution functions and powers on the critical buckling load are considerable.
    Keywords: Buckling, Sandwich Panel, FGM Core, Improved Higher Order Sandwich Plate Theory
  • K. Malekzadeh Fard A. Nazari, A. Mozaffari, M. Ebrahimi Pages 71-84
    In this study effect of applying functionally graded core to decrease delamination of composite sandwich panel under transverse load is considered. The simply supported boundary conditions are applied on face's edges. Hamilton's principle and functional method are used to derive equilibrium equations. First, shear deformation theory (FSDT) is used for faces. Core displacement in various directions is modeled by polynomial with indeterminate coefficients.The material properties of FGM are functionally graded in thickness direction according to volume fraction power law distribution. It is assumed that core is able to sustain shear and normal in-plane stresses. Finally, the effect of FGM core on the displacement of sandwich panel under load in three directions are considered. the numerical results of present analysis has been compared with the ANSYS results slowing good agreements.
    Keywords: Delamination, Sandwich Panel, FGM Core, Improved Higher Order sandwich Plate Theory
  • H. Khodarahmi, Kh. Vahedi, H. Lotfi Pages 85-98
    Rupture discs are used as high speed valves in gas guns and shock tunnels. In this article, grooved rupture discs are studied numerically as well as experimentally in order to design an aluminum diaphragm to be used in a gas gun. Instability and rupture of discs are the main concern of this paper. ANSYS and LSDYNA have been used in order to simulate deformation and rupture phenomena. Several diaphragms were constructed and tested in order to empirically determine rupture pressure. Several diaphragms with 0.3-1.7mm defect depth were made and their rupture pressures were obtained experimentally and then animpirical relation was developed. Finally, a semi-empirical relation was developed for grooved diaphragm, which was delivered from approximate burst pressure versus ultimate stress, diaphragm diameter, and groove thickness.
    Keywords: Diaphragm, Rupture Disc, Gas Gun, Shock Tunnel, Burst Pressure, Instability, Groove
  • A. Ghamarian, M.A. Farsi Pages 99-109
    Crashworthiness and energy absorbers are including components used in some systems for energy absorbing and convert it into another energy. The purpose of this study is experimental and numerical investigation of collapse behavior of thin walled structure cylindrical tube with shallow spherical caps (combined thin walled structures) under quasi-static axial loading and studied effective factors on a collapse mechanism. In experimental approach,aluminum cylindrical with shallow spherical cap samples was made by the process of spinning. These samples are compressed between two rigid platens under quasi-static loading conditions and the collapse mechanism, the variations of crushing load and absorbed energy are determined. A numerical model is presented based on finite element analysis to simulate the collapse process considering the non-linear responses due to material behavior, contact and large deformation. The comparison of numerical and experimental results showed that the present model provides an appropriate procedure to determine the collapse mechanism, crushing load and the amount of energy absorption. The model is used to evaluate the effects of important parameters such as semi apical angle; height of the cylindrical region, and height of the spherical cap region on the mean crush load, energy absorption capacity, and collapse mechanism of cylindrical shells with shallow spherical caps. For example, results of this study can assist aerospace industry to reentry sounding rocket carrier payload based on combined structures.
    Keywords: Axial Crushing, Thin Walled Structures, Energy Absorbers, Cylindrical Shells, Shallow Spherical Caps