بررسی تأثیر چیدمان لایه¬ها و بهینه¬سازی لایه¬بندی سپرباد هواپیما در برابر برخورد پرنده

نوع: Type: رساله

مقطع: Segment: دکتری

عنوان: Title: بررسی تأثیر چیدمان لایه¬ها و بهینه¬سازی لایه¬بندی سپرباد هواپیما در برابر برخورد پرنده

ارائه دهنده: Provider: فرشید خلوصی - مهندسی مکانیک

اساتید راهنما: Supervisors: دکتر علی علوی نیا

اساتید مشاور: Advisory Professors:

اساتید ممتحن یا داور: Examining professors or referees: دکتر هاشم مظاهری- دکتر سعید فعلی- دکتر حامد احمدی

زمان و تاریخ ارائه: Time and date of presentation: ساعت 16 - 1404/7/21

مکان ارائه: Place of presentation: آمفی تئاتر مهندسی

چکیده: Abstract: برخورد پرندگان یک تهدید اصلی برای سازه¬های هوایی از جمله هواپیماست. در این پژوهش، با استفاده از روش¬های عددی و تجربی به¬بررسی مقاومت بالستیکی سپربادهایی که از لایه¬های اصلی (شیشه و پلی¬کربنات) و میان¬لایه¬هایی (PVB، SG و TPU) با چیدمان مختلف ساخته شده¬اند، در برابر برخورد پرنده پرداخته شده¬است. به¬منظور بررسی خواص مکانیکی هر یک از لایه¬ها از آزمون¬های تجربی استفاده شد. آزمون¬های فشاری و برزیلی در نرخ کرنش¬های مختلف و همچنین، آزمون خمش بر روی ماده شیشه انجام شد. به¬منظور مقایسه خواص مکانیکی میان¬لایه¬ها از آزمون¬های کشش و فشار شبه¬استاتیک و همچنین، آزمون تحلیل دینامیکی مکانیکی استفاده شد. نتایج این آزمون¬ها نشان داد که رفتار شیشه به¬شدت به¬نرخ کرنش وابسته بوده و میزان جذب انرژی میان¬لایه TPU از ¬سایر میان¬لایه¬های مورد بررسی بیشتر بود. در آزمون فشار با نرخ کرنش s-1 83/0 استحکام فشاری نهایی TPU حدود 103 مگاپاسکال به¬دست آمد. این در حالی است که برای نمونه¬های PVB و SG این مقدار به¬ترتیب، 9/57 و 8/148 درصد کمتر بود. همچنین، مطابق با نتایج آزمون دینامیکی مکانیکی، TPU و SG به¬ترتیب دارای کمترین و بیشترین مقادیر دمای شیشه¬ای شدن هستند. در ادامه، آزمون برخورد پرنده به¬سپرباد هواپیما مطابق با استاندارد CS-25 انجام شد. طبق این استاندارد، پرنده¬ای با جرم 8/1 کیلوگرم به¬طرف سپرباد پرتاب می¬شود. آزمایش برخورد پرنده، در محدوده سرعت 110-180 متر بر ثانیه انجام گرفت. به¬منظور محاسبه سرعت برخورد، از 4 سرعت¬سنج لیزری استفاده شد. زاویه برخورد پرنده به¬سپرباد مطابق با زاویه نصب سپرباد بر روی هواپیما، 45 درجه در نظر گرفته¬شد. به¬طور کلی، 6 آزمایش برخورد پرنده به سپرباد با چیدمان¬های مختلف انجام شد. جابه¬جایی سپرباد در اثر برخورد پرنده با استفاده از اثر هال اندازه¬گیری شد. به¬همین منظور، 9 موقعیت بر روی سپرباد مشخص شد تا با استفاده از آن، مقدار جابه¬جایی سپرباد در مکان¬های مختلف محاسبه شود. در ادامه به¬منظور کاهش زمان و هزینه آزمایش برخورد پرنده، از روش عددی استفاده شد. شبیه¬سازی برخورد پرنده به¬سپرباد در نرم¬افزار المان محدود ال¬اس-¬داینا انجام گرفت. پس از اطمینان از دقت قابل قبول نتایج شبیه¬سازی، بررسی پارامتری انجام شد. عوامل مورد بررسی شامل تأثیر نوع چیدمان، افزودن لایه پلی¬کربنات به¬جای شیشه، میان¬لایه¬های مختلف سپرباد، سرعت برخورد پرنده، زاویه برخورد پرنده نسبت به سپرباد و مدل مادی یکپارچه می¬باشند. نتایج این پژوهش نشان داد نوع میان¬لایه بر روی مقاومت سپرباد تأثیر قابل توجهی دارد. سپرباد با میان¬لایه خالص SG به¬دلیل چقرمگی کم آن، در برابر برخورد پرنده دچار گسیختگی شد. سپرباد با میان¬لایه خالص TPU نسبت به SG مقاومت بیشتری از خود نشان داد. میان¬لایه TPU نسبت به¬میان¬لایه PVB دارای مقدار جابه¬جایی کمتری (حدود 10 درصد) بود. نتایج برخورد پرنده به¬سپربادهای W-S-11 و W-S-13 و سپربادهای W-S-12 و W-S-19 نشان داد که با قرار دادن لایه شیشه ضخیم¬تر به¬عنوان لایه پشتی و لایه نازک¬تر در جلو، میزان جابه¬جایی سپرباد حدود 9/16 درصد کاهش یافت. با افزایش ضخامت میان¬لایه، میزان استحکام سپرباد افزایش پیدا کرد. زاویه برخورد، بر روی جابه¬جایی و شکل تخریب تأثیر قابل توجهی داشت. با افزایش زاویه برخورد، مقدار جابه¬جایی سپرباد کاهش یافت. همچنین، تغییر در چیدمان میان¬لایه باعث تغییر در رفتار سپرباد شد. نتایج همچنین نشان داد هنگامی که ضخامت میان¬لایه جلویی افزایش یابد مقدار جابه¬جایی سپرباد کاهش می¬یابد. استفاده از لایه پلی¬کربنات به¬جای لایه شیشه نیز مورد بررسی قرار گرفت. نتایج نشان داد که لایه پلی¬کربنات استحکام بیشتری نسبت به¬شیشه برای سپرباد ایجاد می¬کند. هنگامی که پلی¬کربنات در لایه جلویی جایگزین شیشه شد بیشترین میزان استحکام سپرباد به¬دست آمد. سرعت حد بالستیک سپرباد W-F-1 و W-F-2 به¬ترتیب حدود 174 و 114 متر بر ثانیه به¬دست آمد. همچنین، در سرعت¬های برخورد کمتر از 100 متر بر ثانیه میزان جابه¬جایی برای دو مدل تقریباً یکسان به¬دست آمد. در ادامه، با هدف بررسی دقیق¬تر تأثیر هر جنس لایه بر توابع مقدار انرژی جذب شده، جرم و نسبت انرژی جذب شده بر جرم و همچنین، یافتن هدفی با چیدمان بهینه که دارای بیشترین نسبت انرژی جذب شده بر جرم باشد، بهینه¬سازی بر روی سپرباد انجام شد. بهینه¬سازی در نرم¬افزار مینی¬تب و با استفاده از روش تاگوچی انجام شد. در نهایت، به¬منظور کاهش زمان اجرای شبیه¬سازی، مدل مادی یک¬پارچه پیشنهاد شد. مدل یک¬پارچه پیشنهادی توانست با دقت خوبی رفتار سپرباد را پیش¬بینی کند. با استفاده از مدل یک¬پارچه، زمان مورد نیاز جهت انجام محاسبات اجزاء محدود نسبت به¬مدل چند لایه، حدود 75 درصد کاهش یافت.