بررسي عددي و تجربي مخازن كامپوزيتي تقويت شده با رينگ‌هاي محيطي تحت فشار خارجي

Numerical and Experimental Study of Reinforced Composite Vessels with Hoop Stiffeners under External Hydrostatic Pressure

مخازن كامپوزيتي بدليل نسبت بالاي استحكام به وزن ، بطور گسترده‌اي در حوزه‌ي صنايع دريايي و هوايي بكار مي‌روند. نحوه‌ي شكست مخازن كامپوزيتي تحت بارگذاري فشاري هيدرواستاتيك با توجه به هندسه و خواص مواد قابل تعيين مي‌باشد. استفاده از تقويت‌كننده‌هاي كامپوزيتي در مخازن كامپوزيتي در عمل متحمل دشواري‌هاي بسياري در فرآيند ساخت مي‌باشد. از طرفي بدليل پايين بودن مدول يانگ در كامپوزيت‌ها، نمي‌توان انتظار تاثير چشمگيري از بكارگيري آنها بعنوان تقويت‌كننده داشت. در پژوهش حاضر، با توجه به اهميت تقويت‌كننده‌هاي فلزي، رفتار مخازن كامپوزيتي داراي تقويت‌كننده فلزي در لحظه‌ي شكست مطالعه شد. در همين راستا رفتار يك بدنه‌ي كامپوزيتي در حالت استفاده از تقويت‌كننده‌ي فلزي و حالت بدون تقويت‌كننده به روش اجزاي محدود مورد مطالعه قرار گرفت. مطابق نتايج استفاده از يك تقويت‌كننده محيطي فلزي كه وزن آن معادل 3/6 % از وزن بدنه‌ي كامپوزيتي است، فشار شكست كمانش را به ميزان 25 % افزايش داد. همچنين بر اساس نتايج، افزايش فشار كمانش در بدنه‌هاي كامپوزيتي از طريق بكارگيري تقويت‌كننده محيطي فولادي نسبت به افزايش اين پارامتر از طريق افزايش ضخامت بدنه‌ي كامپوزيتي، افزايش وزني كمتري را ايجاد مي‌نمايد. جهت صحه‌گذاري بر نتايج عددي به دست آمده يك بدنه‌ي كامپوزيتي از جنس شيشه- اپوكسي كه جداره‌ي دروني آن با استفاده از يك تقويت‌كننده محيطي فلزي تقويت شده بود تا رسيدن به مرحله‌ي شكست تحت فشار هيدرواستاتيك خارجي قرار گرفت كه نهايتاً در فشار 16 بار شكسته شد. فشار تخمين زده شده توسط نرم‌افزار آباكوس با مقدار تجربي اختلاف بسيار كمي داشت كه بيانگر دقت بالاي مدلسازي عددي پژوهش حاضر مي‌باشد.

Because of the high ratio of strength to weight, composite vessels are widely used in maritime and aerospace industries. The way of composite vessels breaking under hydrostatic pressure is assignable by paying attention to the geometry and material's properties. In composite vessels, using of composite stiffeners has high complexity in manufacturing process. On the other hand, due to the low young's modulus of composite materials, usually cannot use of the materials as a stiffener. In this research, effects of using hoop stiffeners on buckling pressure of composite bodies have been studied. In this paper, mechanical manner of a composite body is studied by Finite Element Method (FEM) in two statuses (with metal stiffener and without metal stiffener). According to results, using of a metal hoop stiffener that has 3.6 percents of the composite body weight increases buckling pressure up to 25 percents. Based on results increasing the buckling pressure of composite bodies by mounting steel hoop stiffeners added lower weight to the suite from increasing of thickness of bodies. For verification of numerical results, a composite vessel of GRP (Glass Reinforced Polymer), reinforced by a hoop stiffener mounted on inner surface has been experimentally under hydrostatic pressure to the breaking step. Finally, it was broken by 16 bar pressure. The results showed that the estimated pressure of software has a little difference with the experimental estimation that represents high accuracy of modeling process in the research.