توربین بادی و جایگزینی

دانلود پایان نامه

روابط ریاضی ساده‏ای در به دست آمدن مفاهیم اشاره شده در شکل 2-7 وجود دارد که این روابط به صورت زیر بیان میشوند ]19[:
(2-1) تنش میانگین
(2-2) محدوده سیکل تنش
(2-3) دامنه سیکل تنش
(2-4) نسبت تنش
معمولاً مشخصات خستگی مواد از طریق اعمال بارهای سیکلی به نمونههای آزمون ساخته شده از آن ماده بدست میآیند. در حالت بار سیکلی یکنواخت، از این دادهها به عنوان دیاگرام S-N یاد میشود. شکل 2-8 به صورت شماتیک یک دیاگرام S-N را نمایش میدهد ]20[.

شکل 2-8- شماتیکی از منحنی S-N ]20[.
2-8- خستگی در مواد کامپوزیتی زمینه پلیمری
با وجودی که از ابتدا مواد کامپوزیتی به عنوان جایگزینی برای مواد مرسوم مانند فولاد، آلومینیوم یا چوب استفاده شد؛ اما رفتار خستگی آنها کاملاً با مواد فلزی متفاوت است. بنابراین، روشهای معتبری که تا کنون برای مدلسازی و پیشبینی عمر خستگی مواد مرسوم ارائه شده اند، به طور مستقیم قابل به کارگیری برای مواد کامپوزیتی نیستند. به علاوه، حالات مختلف و زیاد چیدمان مواد که ناشی از الیاف، زمینهها، روشهای ساخت، ترتیب قرارگیری لمینتها و غیره است، ارائه یک روش مورد قبول را برای کلیه این حالات مشکل ساخته است ]21[. بسیار مشکل است که بتوان یک رویکرد کلی را برای رفتار خستگی مواد کامپوزیتی شامل کامپوزیتهای زمینه پلیمری، و انواع دیگر کامپوزیتها به دست آورد ]22[. دلایل بسیار زیادی در رابطه با علت اهمیت خستگی در رابطه با سازهها و قطعات کامپوزیتی وجود دارد که برخی از آنها عبارتند از ]23[:
– کامپوزیتها برای قطعات سازههای بحرانی مورد استفاده قرار میگیرند و باید بارهای خستگی قابل توجهی را در حین عملکرد تحمل کنند؛ مانند هواپیماها، پره روتور توربین بادی، کشتیهای تفریحی، پلهای عبور و مرور و غیره.
– مواد کامپوزیتی تک جهته به طور کلی شکننده هستند و تحت بار به صورت خطی رفتار میکنند. از آنجایی که واماندگی در این مواد به صورت ناگهانی و بدون هرگونه نشانهای از قبل است، درک رفتار خستگی و پیشبینی عمر خستگی آنها از اهمیت ویژهای برخوردار است.
– توانایی شبیهسازی رفتار خستگی ماده، قطعات سازهای و یا سازه، هزینه را کاهش داده و اجازه توسعه محدوده گستردهای از محصولات را بدون نیاز به افزایش تعداد نمونههای فیزیکی اولیه میدهد.
2-8-1- آسیب خستگی
رفتار مکانیکی مواد کامپوزیتی تحت تأثیر پارامترهای مختلفی است. یکنواختی و کیفیت مواد ساخته شده جهت پیوستگی ساختاری آنها امری حیاتی است. عیوب ذاتی مانند چین و چروک، عدم همسویی الیاف و حفرات که به راحتی در حین فرایند ساخت ایجاد میشوند، میتوانند نقاط بالقوهای برای شروع آسیب باشند. این امر سبب ایجاد مکانیزمهای واماندگی مانند ترک خوردن زمینه ، شکست الیاف ، جدایش ، ترک خوردن لایه عرضی ، ترک خوردن سطح مشترک و غیره شوند. این مکانیزمهای واماندگی گاهی اوقات به صورت مستقل و گاهی به صورت تعاملی اتفاق میافتند و منابعی برای ریز کمانش ، رشد ترک در لایههای عرضی و جدایش لایهها هستند که باعث واماندگی ناگهانی میشوند. یک تئوری که بر اساس تخریب استحکام باقی مانده است، فرض میکند که آسیب در کامپوزیت انباشته میشود و واماندگی هنگامی اتفاق میافتد که استحکام باقی مانده به حداکثر مقدار تنش سیکلی اعمالی کاهش یابد (شکل 2-9) ]21[.

شکل 2-9- تخریب استحکام و سفتی کامپوزیت در حین بارگذاری خستگی با دامنه ثابت ]21[.
اصلیترین آسیبهایی که میتواند در حین واماندگی خستگی یک لمینت چندجهته ایجاد شوند به صورت زیر طبقهبندی میشوند ]21[:
– ترک خوردن زمینه: بسته به سطح تنش، این ترکها که در ابتدا در یکی از لایهها پدیدار میشوند، می‏توانند تحت سطوح تنشی بالاتر به لایه مجاور خود منتقل شوند و یا تنها به لایهای که در آن تحت سطوح تنشی کم به وجود آمدهاند، محدود شوند. این ترکها میتوانند به صورت موازی با بارگذاری و یا در عرض آن ایجاد شوند. در هر دو حالت، بسته به سطح تنش، آنها میتوانند باعث جدایش لایهها و یا شکست الیاف شوند.
– جدایش لایهها : در خیلی از حالتهای بارگذاری، میدان کرنشی که در یک لمینت چندجهته ایجاد میشود، به گونهای است که به کلیه لایهها اجازه نمیدهد که با روابط سازگاری کرنش مطابقت کنند. در این حالت، تنشهای بین لایهای به وجود میآیند و منجر به جدایش لایههای مجاور میشوند. در نتیجه، لایهها به صورت مستقل عمل میکنند نه به صورت جزئی از لمینت چندجهته.
– واماندگی سطح مشترک : سطح مشترک ناحیه کوچکی بین زمینه و الیاف است که در آن، اجزاء مد نظر از طریق پیوند شیمیایی یا مکانیکی بهم متصل شدهاند. انتشار ترک در این ناحیه میتواند به عنوان یک واماندگی سطح مشترک تشخیص داده شود.
– شکست الیاف: شکست الیاف معمولاً آخرین مرحله تجمع آسیب در یک ماده کامپوزیتی الیافی است. الیاف اصلی‏ترین جزء تحمل کننده بار است و واماندگی آن به عنوان واماندگی نهایی ماده تلقی میشود؛ چرا که زمینه توانایی تحمل بار اعمالی را بدون حضور الیاف ندارد. در بیشتر حالات، پیش از ایجاد واماندگی الیاف، زمینه قبلاً آسیب دیده و توانایی انتقال هیچ نوع باری را ندارد.
با وجودی که هر کدام از انواع واماندگیهای ذکر شده میتوانند به صورت مستقل شناسایی شوند، اما در عمل به صورت اضافه شونده به هم عمل کرده و به صورت همزمان در مکانهای مختلفی از ماده بارگذاری شده پدیدار میشوند. بنابراین، تشخیص حالت واماندگی یک لمینت چند جهته آسان نیست و ترجیح داده میشود که حالت واماندگی غالب شناسایی شود. حالت واماندگی یک لمینت چند جهته، بسته به ترتیب چیدمان لایهها و نوع بارگذاری، به نوعی یک حالت ترکیبی از کلیه انواع ذکر شده است ]21[.
این پدیدهها با استفاده از وسایل مختلفی شناسایی و ثبت میشوند. تقریباً کلیه روشهای غیر مخرب برای تشخیص الگوی آسیب بر روی سطح و درون ماده کامپوزیتی مورد استفاده قرار میگیرد. معمولترین روشها شامل اشعه ایکس، انتشار صوت ، آلتراسونیک و رپلیکای سطحی است ]21[.
کلیه نتایج آزمایشگاهی به این نتیجه میرسند که مکانیزم آسیب هر نوع واماندگی برای یک لمینت کامپوزیتی مد نظر، شدیداً به نوع بارگذاری (کششی یا فشاری) و سطوح تنشی بستگی دارد. تحت سطح تنشی بالاتر واماندگی بسیار ناگهانیتر و با تجمع آسیب کمتری است. همچنین بیان شده است که مکانیزم آسیب ایجاد شده به ترتیب چیدمان لایهها در ماده مد نظر نیز بستگی دارد. درصد بالاتر الیاف در امتداد جهت بارگذاری منجر به تجمع آسیب کمتر در حین عمر خستگی و در نتیجه تخریب کمتری در سفتی می‏شود ]21[.