بررسی تجربی و تحلیلی مقاومت بالستیکی سازه¬های مرکب سرامیک-پلی‌یوریا-فلز

نوع: Type: رساله

مقطع: Segment: دکتری

عنوان: Title: بررسی تجربی و تحلیلی مقاومت بالستیکی سازه¬های مرکب سرامیک-پلی‌یوریا-فلز

ارائه دهنده: Provider: سامان جعفری - مهندسی مکانیک

اساتید راهنما: Supervisors: دکتر علی علوی نیا

اساتید مشاور: Advisory Professors:

اساتید ممتحن یا داور: Examining professors or referees: دکتر حسین خدارحمی، دکتر هاشم مظاهری، دکتر مجتبی یزدانی

زمان و تاریخ ارائه: Time and date of presentation: 1403/2/22 ساعت 13

مکان ارائه: Place of presentation: سالن آمفی تئاتر دانشکده مهندسی

چکیده: Abstract: هدف¬های مرکب کاربرد وسیعی در حوزه¬های مهندسی مکانیک از جمله حوزه بالستیک دارند. در این رساله، مقاومت بالستیکی هدف¬های مرکب با لایه¬های سرامیک-پلی¬یوریا-آلومینیوم، در برابر برخورد پرتابه با دماغه تخت، با روش¬های تجربی و تحلیلی بررسی شده¬است. آزمایش¬های تجربی جهت شناخت خواص شیمیایی و رفتار مکانیکی مواد لایه¬های هدف، پرتابه و همچنین، ارزیابی مقاومت بالستیک هدف¬های مرکب انجام شد. جهت ارزیابی مقاومت بالستیکی با استفاده از روش طراحی تاگوچی با استفاده از نرم¬افزار مینی¬تب، آزمایش¬های بالستیک طراحی شدند. برای انجام آزمایش¬های بالستیک از دو دستگاه تفنگ¬گازی استفاده شد. یکی از دستگاه¬ها دارای طول لوله¬ پرتاب¬ 3 متر و کالیبر 11 میلی‌متر بود که در آن هدایت گاز به¬پشت پرتابه توسط یک شیر با عملکرد سریع اتفاق می¬افتد. در دستگاه دیگر با کالیبر 25 میلی‌متر، گاز بر اساس پارگی دیسک فداشونده در فشاری مشخص، تخلیه می¬شود. با استفاده از آزمایش¬های بالستیک عوامل مهم بالستیکی از جمله، آسیب در لایه¬های مختلف هدف و نیز آسیب پرتابه، سرعت باقی¬مانده پرتابه، قابلیت جذب انرژی هدف، قطر سوراخ لایه پشتیبان و سرعت حد بالستیک ارزیابی شدند. مشاهده شد که در اثر برخورد پرتابه با سرامیک ترک¬هایی در سطج پشتی سرامیک ایجاد می¬شوند که این ترک¬ها به¬طور میانگین تحت زاویه 48 درجه به¬سمت سطح جلویی سرامیک رشد می¬کنند و در نهایت یک ترک مخروطی شکل ایجاد می¬شود. پلی¬یوریا بعد از عبور پرتابه مقدار زیادی از کشیدگی اولیه خود را جبران می¬کند و قطر سوراخی که در حین عبور پرتابه از ضخامت آن ایجاد شده¬است کاهش پیدا می¬کند. مقدار قابل توجهی از سرامیک¬هایی که خرد شدند، توسط لایه پلی¬یوریا جذب شدند. برای لایه¬های پشتیبان آلومینیومی نیز، مکانیزم¬های آسیب از جمله، دیشینگ، پتالینگ، پارگی و ترک مشاهده شد. جابجایی لایه پشتیبان آلومینیومی ناشی از نفوذ پرتابه با کاهش سرعت برخورد افزایش پیدا کرد در حالی که با افزایش سرعت برخورد قطر سوراخ لایه پشتیبان آلومینیومی کاهش یافت. در بین هدف¬های مورد بررسی در روش تجربی، هدف¬ با کد CPA1 کمترین و هدف¬ با کد CPA5 بیشترین انرژی را جذب نمود. همچنین، بر اساس نمودارهای سرعت حد بالستیک تجربی مشاهده شد که هدف با کد CPA1 کمترین مقدار سرعت حد بالستیک را دارد. برای تعدادی از هدف¬های پیشنهاد شده (هدف با کدهای CPA5، CPA7،CPA8 و CPA9)، به¬دلیل محدودیت در تامین سرعت پرتابه امکان انجام آزمایش بالستیک میسر نبود. لذا، برای بررسی مقاومت بالستیکی این هدف¬ها، شبیه¬سازی در نرم افزار LS-Dyna انجام شد و از نتایج آن در بهینه¬سازی نیز استفاده گردید. با استفاده از روش عددی، سرعت¬ باقی¬مانده پرتابه برای هر هدف استخراج و با مقدار تجربی آن مقایسه شد. بعد از اطمینان از صحت شبیه¬سازی، مقدار سرعت حد بالستیک استخراج و از نتایج آن برای بهینه¬سازی و روابط تحلیلی استفاده گردید. بر اساس نتایج عددی مشخص شد که هدف با کد CPA7 بیشترین سرعت حد بالستیک و لذا، بیشترین استحکام را دارد. همچنین، با استفاده از شبیه¬سازی مشاهده شد که بیشترین کاهش سرعت در برخورد پرتابه با سرامیک اتفاق می¬افتد. بر اساس نتایج تجربی، به‌طور تقریبی 3/56 % از سرعت اولیه پرتابه توسط سرامیک کاهش پیدا می¬کند که این مقدار برای آلومینیوم و پلی¬یوریا به¬ترتیب، 9/25 و 8/17 % است. جهت تعیین دقیق¬تر اثر ضخامت هر لایه بر توابع هدف و همچنین، برای یافتن یک هدف با ضخامت¬های بهینه که هم دارای جذب انرژی بالا و هم جرم کمی باشد، بهینه¬سازی انجام شد. سه تابع انرژی جذب¬شده، جرم و نسبت انرژی جذب¬شده بر جرم هدف در بهینه¬سازی بررسی گردید. بر اساس نتایج بهینه¬سازی، سرامیک با 37/64 % بیشترین تأثیر را در افزایش تابع استحکام دارد که این نسبت برای پلی¬یوریا و آلومینیوم به¬ترتیب، 03/13 و 54/22 % می¬باشد. لایه سرامیکی، 93/55 % جرم هدف را افزایش داد که این مقدار برای پلی¬یوریا 34/14 و برای آلومینیوم 79/29 % است. همچنین، مشخص شد که سرامیک با 22/80 % بیشترین تأثیر را در افزایش تابع استحکام بر جرم دارد که این مقدار برای آلومینیوم و پلی¬یوریا به¬ترتیب، برابر 56/9 و 21/10 % بود. نتایج نشان دادند که پلی¬یوریا نقش بهتری نسبت به آلومینیوم در افزایش نسبت انرژی جذب¬¬شده بر جرم دارد. در بخش تحلیلی، با توجه به اختلاف زیاد بین نتایج رابطه فلورنس با نتایج تجربی، به اصلاح تعدادی از روابط استفاده شده در این مدل از جمله، اصلاح مقدار شعاع بزرگ ترک مخروطی، اصلاح رابطه محاسبه جرم سرامیک و اعمال اثر استحکام سرامیک پرداخته شد. با اصلاح رابطه فلورنس برای اهداف دولایه، اختلاف آن با نتایج تجربی و تحلیلی مراجع دیگر کاهش یافت و از 9/53 و 5/59 % به¬ترتیب، به 1/9 و 8/11 % رسید. با توجه به بهبود نتایج فلورنس اصلاح¬شده، این رابطه برای اهداف مرکب سه¬لایه سرامیک-پلی¬یوریا-آلومینیوم تعمیم داده شد و یک رابطه جدید برای پیش‌بینی سرعت حد بالستیک این هدف¬ها استخراج گردید. نتایج رابطه جدید با نتایج تجربی حاصل از رساله حاضر مقایسه و مشاهده شد که حداکثر اختلاف آن با نتایج تجربی 30/19 % می¬باشد. با بهینه¬سازی، ضخامت مناسب برای لایه¬های هدف سه¬لایه با بیشترین نسبت انرژی جذب¬شده بر جرم هدف برای سرامیک، پلی¬یوریا و آلومینیوم به¬ترتیب، برابر 11، 6 و 4 میلی¬متر به¬دست آمد.

فایل: ّFile: دانلود فایل