غلامحسین مجذوبی

بسیییاری از اجزاء و سییازههای مهندسییی ممکن اسیی تح بارگذاریهای دینامیکی و دمای بالا قرار گیرند . بنابراین، آگاهی از رفتار ماده در اینگونه از بارگذاریها از اهمی بسزای ی برخوردار اس . دستگاه ها ی آزمایشی متنوعی از قبیل هاپکینسو ن کشش ی و فشاری ، گوه پرتابی و تفنگ گازی برای استخرا ج خواص و رفتار ماده در حال دینامیکی یا به عبارت دیگر، در نرخکرنش بالا ابداع شد هاند. متا سفانه بسیار ی از این دستگا هها پیچیده، پرهزینه و نیازمند استفاد ه در شرایط ویژهای هستن د. از اینرو ارائه دستگا هها و روشهای کاربردی و سر یع و کم هزینهتر میتواند تاثیر بسزای ی در افزایش بهرهوری و سرع استخرا ج نتایج داشت ه باش د. روش نفوذ یکی از روشهای نوین، کم مخرب، ارزان، سری ع و حتی قاب ل ب هکارگیر ی برای وسییای ل در حا ل کار ، برای تعیین معادل ه ماد ه و تعیین خواص مکانیک ی مواد میباشیید ، ک ه در دهه اخ یر برای تعیین برخی خواص ماده نظیر سختی مورد استفاده قرار گرفته اس . در حال حاضر از این روش برای تعیین خواص مکانیکی ماده در حال استاتیکی اسیتفاده میشیود. هدف این رسیاله تعمیم و توسیعه کاربرد آزمایش نفوذ به بارگذاریهای دینامیکی و دسی یابی به خواص مواد در دماها و نرخکرنشهای بالا می باشد . اسا س این روش بر استخرا ج منحنی بار-عمق نفوذ و تبدیل آن به منحنی تنش-کرنش ماده اس . در این رسال ه، دستگا ه نفوذ دینامیکی به دو صورت ثاب و قابلی حمل دست ی طراحی و ساخت ه شد هاس . آزمایش های نفوذ دینامیکی برای س ه ماده آلیاژ فولادی، آلومینیوم و مس و در چهار نرخکرنش و چهار دما انجام گردیده اس . همچنین، در این تحقیق، با استفاد ه از نتایج تجربی آزمون نفوذ، شبی ه ساز ی آزمایش نفوذ و روشهای بهینه ساز ی تو سط الگوریتم ژنتیک و الگوریتم ازدحام انبوه ذرات با ا ستفاده از تابع هدف سار وگی و پیشبینی شبک ه ع صب ی م صنوعی، ثاب های دو مدل ماده جان سو ن-کوک و زریلی-آرم ستران گ یا به عبارت دیگر، منحنی های تنش-کرنش سه ماده فوق الذکر تعیین گردیدند. نمودارهای تنش-کرنش بهدس آمده با منحنیهای تنش-کرنش حاص ل از آزمایش هاپکینسو ن فشا ری و ساچم ه زنی اعتبارسنج ی شدند. تطابق قابل قبولی بین منحنیهای تنش-کرنش تجربی و نمودارهای بهدس آمده از شبی هسازی و بهین هسازی مشییاهده گردید. ب هطور کلی میتوان نتیجه گرف ک ه آزمون نفوذ دینامیک ی میتوان د جایگزی ن آزمون

مطالعه و بررسی آسیب نرم موضوع تحقیقات زیادی در طی دهه های اخیر بوده است. مدل های متنوعی برای بررسی آسیب نرم ارائه شده اند که مدل بونورا یکی از شناخته ترین و پرکاربردترین آن ها می باشد. این مدل دقت قابل قبولی در بارگذاری شبه-استاتیکی دارد. این در حالی است که اثرات نرخ کرنش در این مدل در نظر گرفته نشده است. یکی از اهداف این رساله بررسی اثرات نرخ کرنش بر آسیب نرم فلزات و اعمال اثرات نرخ کرنش در مدل بونورا می باشد. برای این کار فلز مس خالص و کامپوزیت مس/تیتانیوم اکسید مورد آزمایش قرار گرفتند. بدین منظور، ابتدا نمونه های مسی با هندسه جدید طراحی و ساخته شدند به گونه ای که بتوانند تغییر شکل دینامیکی را بدون این که دچار شکست یا گلویی شدن بشوند، تحمل کنند. با اعمال تغییر طول تنظیم شده این نمونه ها توسط میله هاپکینسون در نرخ های کرنش متفاوت، سطحی از آسیب در آن ها القا گردید. بعد از اعمال بار دینامیکی، قسمت اصلی نمونه تحت آزمایش سیکلیک قرار گرفته و منحنی تنش-کرنش سیکلیک نمونه به دست می آید. از این منحنی، مدول یانگ (الاستیسیته) محاسبه و با توجه به کاهش آن، پارامتر آسیب به صورت تجربی در نرخ کرنش های بالا محاسبه می گردد. نتایج تجربی به دست آمده نشان دادند که ضرایب مدل بنورا به نرخ کرنش وابسته می باشند. بدین ترتیب، با اعمال اثر نرخ کرنش بر معادله بونورا این معادله اصلاح گردید. مدل آسیب بهبودیافته بونورا سپس، در زیر برنامه VUSDFLD آباکوس وارد شد و آزمایش های آسیب تجربی انجام شده در این نرم افزار شبیه سازی گردیدند. نتایج شبیه سازی نشان داد که توافق قابل قبولی بین نتایج تجربی، مدل بهبودیافته و شبیه سازی وجود داشت. نتایج نشان داد که آسیب می تواند نقش بسیار زیادی در کرنش-نرم شوندگی در منحنی تنش-کرنش (با در نظر گرفتن سطح موثر تحت تنش و پس از کسر سطح متناظر حفره ها) ایفا نماید. طبق نتایج به دست آمده آسیب، استحکام نهائی برای مس خالص را از MPa225 به MPa185 کاهش داد. در ادامه، آسیب در کامپوزیت مس/تیتانیوم اکسید مورد بررسی قرار گرفت. در این رساله از پودر مس به عنوان ماده زمینه و تیتانیوم دی اکسید (در ابعاد نانو و میکرو) به عنوان فاز تقویت کننده برای ساخت کامپوزیت استفاده گردید. برای تهیه نمونه های کامپوزیتی از روش فشرده سازی پودر استفاده شد. فشرده سازی پودر به دو روش شبه استاتیکی (به کمک دست

مطالعه رفتار مکانیکی و بالستیک نانوکامپوزیتهای پلی کربنات- نانو رس/ گرافن

تعیین رفتار دینامیکی و استاتیکی کامپوزیتهای اپوکسی تقویت شده با الیاف کربن و نانوگرافن

منیزیم و آلیاژهای آن یکی از سبک ترین مواد فلزی با خواصی همچون استحکام ویژه بالا می باشند. به جهت سبک بودن منیزیم و به تبع آن تاثیری که در کاهش مصرف سوخت وسایل متحرک و کاهش اثرات سوء زیست محیطی ناشی از آلاینده ها دارد، مورد توجه بسیاری از صنایع خودروسازی و هوایی قرارگرفته است. با افزودن عناصر مختلف به این فلز می توان به خواص منحصری دست پیدا کرد. هدف این تحقیق، ساخت نمونه های نانوکامپوزیت و میکروکامپوزیت منیزیم تقویت شده با درصدهای حجمی 0، 5/1، 3، 5 و 10 نانوذرات کاربید سیلیکون، نانوذرات کاربید بور و میکروذرات کاربید بور می باشد. برای ساخت نمونه ها از روش های متالورژی پودر با تمرکز بر روش تراکم دینامیکی استفاده گردید. همچنین، برای مقایسه بین روش متالورژی پودر و ریخته گری، نمونه هایی به روش ریخته گری گردابی تولید شد. در این راستا برای مطالعه تاثیر نرخ بارگذاری حین ساخت و دما، نمونه ها با سه روش پرس شبه استاتیک با اینسترون، تراکم دینامیکی با وزنه سقوطی با سرعت 8متر بر ثانیه و تراکم دینامیکی با میله هاپکینسون با سرعت 5/15 متر بر ثانیه در سه دمای 25، 250 و 450 درجه سلسیوس ساخته شدند. سپس، تعیین خواص فیزیکی، خواص مکانیکی (نرخ کرنش بالا و نرخ کرنش پایین) و مطالعات ریزساختاری نمونه های ساخته شده به منظور بررسی تاثیر پارامترهای مختلف نظیر دما، پیش تراکم، درصد حجمی و نوع ذرات تقویت کننده انجام پذیرفت. بیشترین چگالی نسبی برابر 9/99% در تراکم دینامیکی (میله-هاپکینسون) و کمترین 7/98% در پرس شبه استاتیک (اینسترون) اندازه گیری گردید. بررسی ها نشان داد با افزودن نانوذرات، چگالی ماده کاهش، میکروسختی 45%افزایش، استحکام فشاری در نرخ کرنش پایین تا 60% افزایش و استحکام فشاری در نرخ کرنش بالا 28% افزایش را تجربه نموده اند. همچنین، با کاربرد پیش تراکم در تراکم های دینامیکی، سختی و استحکام فشاری 3و 10 درصد بهبود یافت. علاوه بر این، مشخص شد که مقاومت سایشی نمونه های متراکم شده دینامیکی با افزودن درصد حجمی نانوذرات، 70 % افزایش داشت. آزمون دندانه زنی برای تعیین منحنی نیرو-عمق نفوذ نانوکامپوزیت ها ساخته شده با سه روش جهت تعیین رفتار کششی انجام گردید و همچنین، آزمون فشار قطری (دیسک برزیلی) بر روی تعدادی از نمونه های نانوکامپوزیت استفاده شد. تعیین ضرایب مدل کپ دراکر- پراگر، بخش دیگری از مطالعات

چکیده: در این پژوهش یک تفنگ گازی برای متراکم سازی دینامیکی پودر طراحی شده است. یکی از مزیت های متراکم سازی دینامیکی در مقایسه با استاتیکی، جوش سرد در بین ذرات می باشد. این طراحی دارای دو بخش است. در قسمت اول تفنگ گازی از دیدگاه مکانیک سیالات طراحی و شبیه سازی شده است. در قسمت دوم، بر اساس مفاهیم مکانیک جامدات اجزای دستگاه طراحی شده است. شبیه سازی های عددی با استفاده از یک تفنگ گازی کوچک، که در آزمایشگاه مقاومت مصالح دانشگاه بوعلی سینا موجود می باشد، اعتبارسنجی شده است. این تفنگ گازی طوری طراحی شده است که بتواند پرتابه هایی با سرعت های گوناگون برای متراکم سازی مواد مختلف را پرتاب کند. برای شبیه سازی عددی، از نرم افزار AUTODYN استفاده شده است. شبیه سازی ها با استفاده از المان های اویلری و لاگرانژی جفت شده انجام گرفته است. تاثیر عوامل مختلف بر کارایی تفنگ گازی مانند شکل و حجم مخزن، فشار ترکیدگی دیافراگم، لقی بین سابوت و لوله و همچنین اصطکاک آن مورد بررسی قرار گرفته است. تفنگ طراحی شده در این کار، یک تفنگ یک مرحله-ای است که طول لوله آن 4 متر و حجم مخزن آن 5/2 لیتر می باشد. قطر داخلی لوله، 10 سانتی متر در نظر گرفته شده است. اگر گاز عامل هوا در نظر گرفته شود، تفنگ گازی توانایی شلیک پرتابه 5 کیلوگرمی با سرعت 200 متر بر ثانیه را دارد. استفاده از گازهای سبک، مانند هلیم، سرعت شلیک را حداقل 50% افزایش می دهد. پرتابه ای با این جرم و سرعت، تنش هایی در مقیاس گیگاپاسگال می تواند در پودر آلومینیوم ایجاد کند. این تنش می تواند ماده از قبل متراکم شده را، به 98% چگالی تئوری برساند. یک آزمایش برای تشخیص جوش سرد در بین اجزای پودر با موفقیت انجام شد، که در آن از یک پرتابه 1 کیلوگرمی با سرعت 60 متر بر ثانیه استفاده شد. این تفنگ گازی هم اکنون در آزمایشگاه مقاومت مصالح دانشگاه بوعلی سینا در حال ساخت می باشد.

چکیده: خستگی سایشی عبارت است از فرایند جوانه زنی ترک، رشد ترک و گسیختگی نهایی یک جسم که در تماس با جسم دیگر قرار دارد و بطور همزمان تحت تنش ها و کرنش های تکراری قرار گرفته است. عارضه خستگی سایشی در بسیاری از اجزای مکانیکی مانند چرخ دنده ها، شفت ها، بلبرینگ ها، پرچ ها، کوپلینگ های زبانه دار، کابل ها، فنرهای تخت، مفاصل استخوانی، سیستم انتقال قدرت بالگردها، اتصالات دم چلچله ای توربین ها و غیره به وجود می آید و موجب کاهش شدید عمر مفید آن ها می شود. در مطالعات انجام شده در زمینه خستگی سایشی، پژوهشگران بیشتر به خستگی سایشی در حالت نیروی عمودی ثابت توجه داشته-اند. این در حالی است که در بسیاری از کاربردهای مهندسی مانند اتصالات پیچ و مهره موتورهای خورجینی وی شکل و اتصالات دم چلچله ای توربین ها و موتورهای جت، نیروی عمودی بصورت سیکلی وارد می شود. در این پایان نامه یک دستگاه آزمایش خستگی سایشی جدید با قابلیت اعمال نیروی عمودی دو طرفه و سنکرون در دامنه ها (صفر تا 10000 نیوتن) و فرکانس های مختلف (صفر تا 200 هرتز) به منظور بررسی رفتار خستگی سایشی در حالت نیروی عمودی سیکلی طراحی و ساخته شده است. با استفاده از آزمایش، تاثیر پارامترهای مختلف مانند فرکانس نیروی عمودی، اختلاف فاز بین نیروهای محوری و عمودی، دامنه نیروی عمودی، هندسه تماس، ساچمه زنی و دمای بالا بر رفتار خستگی سایشی آلیاژ Al7075-T6 مورد مطالعه قرار گرفته است. در کلیه آزمایش ها طول ترک های خستگی سایشی در حین رشد با استفاده از روش رپلیکا اندازه گیری شده و در ادامه پژوهش به منظور صحت سنجی نتایج حاصل از شبیه سازی مورد استفاده قرار گرفته است. همچنین رفتار تریبولوژیکی سطح سایش و نواحی شکست نمونه های آزمایش، مسیر رشد ترک و همچنین محل و زاویه جوانه زنی ترک توسط میکروسکوپ الکترونی روبشی اس.ای.ام و میکروسکوپ نوری مورد بررسی مفصل قرار گرفته است. شبیه سازی مساله خستگی سایشی در حالت نیروی عمودی سیکلی به منظور پیدا کردن تنش های تماسی، کانتورهای تنش، ضرایب شدت تنش نوک ترک و عمر رشد ترک توسط نرم افزار FRANC2D انجام شده است. در ادامه با استفاده از نتایج حاصل از شبیه سازی و ترکیب آن با نتایج تجربی، عمر جوانه زنی ترک در شرایط مختلف تخمین زده شده و نمودارهای تنش-عمر مربوط به هر کدام از فازهای جوانه زنی ترک و رشد ترک استخراج گردیده است. نتایج

چکیده: استفاده از کامپوزیت های زمینه پلیمری، به دلیل نسبت استحکام به وزن بسیار خوبی که دارند، در سال های اخیر رو به گسترش است. پلی پروپیلن به عنوان یک پلیمر ترموپلاستیک دارای خواص بسیار خوب مکانیکی بوده و در ساخت کامپوزیت های پلیمری به صورت گسترده استفاده می شود. تحقیقات اخیر نشان می دهد، نانو خاک رس و نانو کربنات کلسیم که به عنوان پر کننده در درصدهای کم وزنی به موادپلیمری اضافه می شوند، خواص مکانیکی آن ها را به نحو چشمگیری افزایش می دهند. بررسی اثر بهبود این خواص از نکات کلیدی در طراحی قطعات مختلف پلیمری می باشد. در این رساله، نانوکامپوزیت پلی پروپیلن/خاک رس و پلی پروپیلن/کربنات کلسیم به روش مخلوط مذاب با مقادیر مختلف نانوذرات (5/0، 1، 3 و 6 درصد وزنی) تهیه شده و نمونه های لازم برای آزمون های مختلف مکانیکی از طریق تزریقی تهیه شده است. بعد از انجام آزمایش های مختلف مکانیکی از قبیل کشش، فشار، شارپی، خمش سه نقطه ای، خستگی و سختی، اثر نانو ذرات بر روی خواص مکانیکی پلیمر مورد بررسی قرار گرفته است. آزمایش سختی به دلیل غیر مخرب بودن بیشتر مورد توجه قرار گرفته و یک مدل جدید برای مرتبط کردن تنش تسلیم، مدول الاستیسیته و نیروی بارگذاری به میکروسختی ارائه شده است. در ادامه، به منظور پیش بینی رفتار کامپوزیت ها به روش عددی، به دلیل وابستگی تسلیم مواد پلیمری به فشار هیدوراستاتیک، از معیار تسلیم دراکر-پراگر استفاده شده است. محاسبه ضرایب دراکر-پراگر نیاز به آزمایش های پیچیده مکانیکی دارد و اگر تنش تسلیم ماده بالا باشد، عملا امکان پذیر نیست. به این منظور یک روش بر اساس بهینه سازی جعبه سیاه پر هزینه ارائه شده است که می تواند ضرایب دراکر-پراگر را محاسبه کند. در روش فوق با ایجاد ارتباط بین نرم افزار متلب و کد اباکوس، ضرایب دراکر-پراگر برای کامپوزیت محاسبه شده و اثرات نانوذرات نیز بر این ضرایب به دست آمده است. همچنین با این روش می توان، با انجام تنها آزمایش خمش سه نقطه ای، خواص مکانیکی کامپوزیت از قبیل مدول الاستیسیته، تنش تسلیم کششی، تنش تسلیم فشاری و نسبت پواسون پلاستیک را محاسبه کرد. پیش بینی حساسیت تنش تسلیم مواد پلیمری نسبت به دما و نرخ کرنش از پارامترهای مهم برای طراحی قطعات مکانیکی تحت بارگذاری ضربه ای می باشد. به این منظور آزمایش های مختلفی در محدوده دمایی 25-85 درجه سانتیگراد و

ّّّّّّّّتعیین منحنی اصلاح شده فلزات یکی از مباحث اساسی و مهم در مهندسی مکانیک و مواد می باشد. اهمیت این مبحث هم سنگ اهمیتی است که نمودار های تنش وکرش در تعیین خواص مواد ایفا می کنند، زیرا بدون اصلاح این نوع منحنی ها، اطلاعات بدست آمده از آن ها شامل مقادیر تنش-کرنش بعد از ایجاد گلویی، در طراحی های مربوط به صنایع تغییر شکل فلزات و همچنین، رابطه بین تنش-کرنش در تعریف مدل ماده مناسب برای تحلیل های اجزای محدود در شبیه سازی ها قابل اعتماد و اطمینان نمی باشند. با توجه به اهمیتی که شبیه سازی ها در علوم مهندسی مکانیک بخصوص در دهه اخیر یافته اند لازم است منحنی های تنش-کرنش تعریف شده برای مواد مورد بررسی، دقیق و منطبق بر واقعیت باشند. این منحنی ها در مباحث نظری پلاستیسیته، نشان دهنده سطح تسلیم ماده می باشند که بر اساس تنش معادل تعیین شده، از اطلاعات مربوط به منحنی های تنش-کرنش اصلاح شده بدست می آیند. برای اصلاح منحنی های تنش-کرنش روش هایی ارائه شده است اما تنها تعداد بسیار معدودی از این روش ها کاربردی می باشند. یکی از کاربردی ترین این روش ها روش بریجمن می باشد که در آن با در نظر گرفتن فرضیاتی برای ساده سازی، روابطی برای اصلاح منحنی های تنش-کرنش ارائه شده است. استفاده از این رابطه و روابط مشابه مستلزم تعیین دقیق پروفیل گلویی در حین آزمایش می باشد. این عملیات همراه با کارهای کامپیوتری بعدی که باید بر روی آن انجام شود، کاری مشکل و دارای خطا می باشد. همچنین، روش های عددی موجود برای اصلاح منحنی های مربوطه معمولا نیازمند کد نویسی های لینک شده با نرم افزار می باشند که این نیز مشکلات خاص خود را دارد. بر این اساس، وجود روش هایی که بر مبنای فرضیاتی کم تر، و نیز اندازه گیری های ساده تر در حین آزمایش بنا شده باشد لازم و ضروری می باشد. در این تحقیق سه روش نوین برای این منظور ارائه شده است. این روش ها برای اصلاح منحنی های تنش-کرنش در آزمایش های شبه استاتیکی، آزمایش های دینامیکی با نرخ کرنش های متفاوت و نیز آزمایش های دما متغیراستفاده و نتایج حاصله با روش های موجود صحت سنجی شده است. همچنین، از این روش ها برای تعیین ثابت های مدل های ماده در آزمایشات دینامیکی استفاده شده است. روش اول بر اساس اصل بقای انرژی در آزمایش کشش استخراج و پیشنهاد شده است و دیدگاه جدیدی را در این خصوص ارائه می دهد. این

آلومینیوم یکی از فلزات سبکی است که کاربرد گسترده ای در صنایع مختلف دارد. با افزودن عناصر مختلف می توان به آلیاژهای این فلز با خواص برتر دست پیدا کرد. آلیاژ Al7075 یکی از انواع این آلیاژهاست که در صنایع خودرو و هوا- فضا مورد توجه بسیاری قرار گرفته است. هدف این تحقیق، تقویت آلیاژ Al7075 توسط نانوذرات کاربید سیلیکون و میکروذرات کاربید بور و ساخت نمونه های نانوکامپوزیت و کامپوزیت می باشد. برای ساخت نمونه ها از روش های متالورژی پودر با تمرکز بر روش های تراکم دینامیکی، استفاده شده است. در این راستا برای مطالعه تاثیر نرخ بارگذاری حین ساخت، نمونه ها با سه روش پرس گرم شبه استاتیک، تراکم دینامیکی با وزنه سقوطی و تراکم دینامیکی با تفنگ گازی ساخته شدند. سپس، تعیین خواص مکانیکی و مطالعات ریزساختاری نمونه های ساخته شده به منظور بررسی تاثیر پارامترهای مختلف نظیر دما، پیش تراکم و کسر حجمی و نوع ذرات تقویت کننده انجام پذیرفت. بیشترین چگالی نسبی برابر %98 در تراکم دینامیکی و %100 در پرس شبه استاتیک اندازه گیری گردید. بررسی ها نشان داد با افزودن نانوذرات چگالی ماده کاهش، استحکام فشاری تا %50 افزایش و میکروسختی افزایش %20 را تجربه نموده است. همچنین، مشخص شد که مقاومت سایشی نمونه های متراکم شده دینامیکی با افزودن درصد حجمی نانوذرات، کاهش داشت که می تواند به دلیل پیوندهای ضعیف بین ذرات ناشی از روش ساخت مورد استفاده باشد. رفتار کششی تعدادی از نمونه های نانوکامپوزیت ساخته شده به کمک تفنگ گازی نیز با استفاده از نتایج آزمون دندانه زنی و به کار گیری شبیه سازی های عددی و شبکه عصبی تعیین گردید. تعیین ضرایب مدل کپ دراکر- پراگر که برای مدل سازی ماکرومکانیک مواد پودری مورد استفاده قرار می گیرد، بخش دیگری از مطالعات انجام گرفته در این پژوهش می باشد. جهت تعیین این ضرایب، آزمون های تجربی متعددی نیاز است که بسیار زمان بر و پر هزینه می باشد. در تحقیق حاضر، با استفاده هم زمان از نتایج آزمایش تراکم تک محوره ساده، شبیه سازی های اجزاء محدود در ABAQUS و شبکه عصبی، این ضرایب به همراه ضریب اصطکاک بین پودر و دیواره قالب، با صرف کمترین وقت و هزینه به دست آمدند.