مدلسازی فومهای پلیمری و بررسی تاثیر ابعاد حفره های متخلخل در خواص مکانیکی با استفاده از روش المان محدود

مواد فومی خانواده ای از مواد نو و پیشرفته به شمار می روند که با توجه به ویژگیهای منحصربفرد خود، امکان زیادی برای توسعه در سالهای آینده خواهند داشت . این مواد در سه گروه عمده شامل فوم های پلیمری، سرامیکی و فلزی مطرح بوده و تشابه زیادی با مواد طبیعی دارند. به عبارت دیگر طبیعت مواد موجود در خود را بیشتر به صورت سلولی و فومی عرضه نموده و کمتر به صورت توپر و به اصطلاح solid form ظاهر می شوند. (دیواندری و گلپایگانی، 138?) از سال 1960 میلادی، فومهای پلیمری به عنوان موادی پویا و پابرجا که تقریباً در تمامی مراحل زندگی انسان تأثیر دارد مطرح گردید . با افزایش پیشرفت تکنولوژی در جامعه ، مصرف فومها نیز به سرعت گسترش یافت . تلاشهای زیاد و مداومی در جهت پایه ریزی دانش و تکنولوژی تولید فوم صورت پذیرفت . این پایه ریزی طوری تنظیم گردید تا فومها جهت مباحثی مانند بحران انرژی در دهه ?0، نشت و تخریب لایه اوزون در دهه 80 و موضوع توانایی استفاده مجدد از آنها ، در دهه 90 میلادی، مناسب باشند. تمامی موارد فوق باعث ایجاد ابداعات و نوآوریهایی در تکنولوژی فومها گردید که این امر، رشد و گسترش روزافزون و مداوم این مواد در قرن ?? را در پی داشت. ( لی و اسکولز، ????) مکانیزم تشکیل فوم در بردارنده مکانیزمهای علمی ظریف و حساس ، تکنیکهای تولید دقیق، تغییرات ساختارشناسی و اطلاعات ساختاری منحصر به فرد می باشد . این مکانیزم ها ، ماهیت خود مواد ، طراحی های مهندسی، روشهای تولید و مولفه های جزئی را ترکیب می کند . ایجاد فومهای پلیمری یک پدیده موفق در قرن بیستم محسوب می شود. امروزه، مکانیزم تشکیل فوم نه تنها به عنوان یک فرآیند ساخت، بلکه به عنوان یک صنعت مناسب پایه ریزی شده ، مطرح شده است . پلیمرها می توانند در دو حالت سلول باز و سلول بسته به شکل فوم در آیند. ماده حاصله یک ماده میکرو ساختار است که از یک سری دیواره و یا ستونهای جامد تشکیل شده است. حفره های اصلی ایجاد شده در فوم سه بعدی هستند که هر حفره یک حجم ماکزیمم را در یک سطح مقطع و سطح انرژی مینیمم داراست. هر حفره بطور نمونه یک ?? وجهی می باشد. فومها دارای ویژگیهای ترکیبی جالب مکانیکی و فیزیکی می باشند که آنها را انطباق پذیر و متنوع نموده است. استفاده از ترکیبات ساخته شده از این ماده در ساختارهای مختلف نیازمند یکسری اطلاعات دقیقتر از رفتار ساختاری آنها دارد. بهمین جهت طراحان فقط نمی توانند به داده های حاصل از تستها اکتفا کنند. بلکه باید از روشهای تحلیلی و یا عددی نسبتا ساده تر و نزدیک به واقعیت برای محاسبه تنشهای بکار رفته و یا شکست اجزا استفاده کنند. بطور کلی این ابزار طراحی باید یک درجه ای از اطمینان را تضمین کنند تا بتوان با ماده تجربی و واقعی نتایج را مقایسه و استفاده کرد. حقیقتا ناهمگنی موجود، یک سری مشکل برای محاسبات در طراحی ایجاد می کند. تاثیر مشخصات و هندسه میکروسکوپیکی بر روی رفتار ماکروسکوپیک ماده بسیار مهم است و در طراحی ماده بسیار حساس است. ولی اجرا کردن و بدست آوردن مشخصات درشت نمایی ماکروسکوپیک از میکروساختار مسئله بسیار مشکل است. در این پروژه، یافتن روشی مناسب برای این منظور مورد نظر می باشد و با توجه به اینکه بررسی اثر عوامل میکرو ساختار در مشخصات مکانیکی نیز، از اهداف می باشد، از یک مدل میکروساختار استفاده می شود. پایه ریزی اساسی مدلسازی مواد سلولدار توسط گیبسون و اشبی در سال 199? ، صورت پذیرفت. در این مدل رابطه ای میان میکروساختار و مشخصات مکانیکی برقرار شده است. در ادامه مقاله، این مدل معرفی شده است. مدلهای فوم دو بعدی و مدلهای کندویی توسط وارن و کراینیک در سال 199? و ژو و همکاران در سال ???? و مدلهای سه بعدی مکعبی و چند وجهی و ?? وجهی توسط کراینیک و همکاران در سال 199? و گیبسون و اشبی در سال 199? و ژونگ و کریاکیدز در سال ???? صورت گرفته است. در سال ???? توسط میلز در خصوص ناهمگنی در اضلاع و تاثیر آن در پاسخ منحنی تنش-کرنش بررسی شده است. روش جداسازی المانها نیز در سالهای اخیر توسط ویوت و یوردانف (????) پیشنهاد شده است. مسئله هایی که باید در تعریف مدل میکروساختار فوم حل شود عبارتند از: - انتخاب یک مرفولوژی سلولی که باید به عنوان یک واحد جایگزین در مدل بکار رفته شود. - تعریف ابعاد هندسی که فرم سلول را مشخص کند. - حقیقی سازی مدل عددی یک قطعه از فوم بوسیله تکرار چندین سلول در سه بعد در فضا. تمامی موارد فوق در پروژه حاضر بررسی شده است و رفتار فوم پلیمری توسط یک مدل المان محدود سه بعدی تحلیل می شود. در مهمترین مدل ایده آل، میکروساختار با یک سلول کلوین منظم جایگزین می شود. تحلیلهای المان محدود توسط نرم افزار تحلیلی ساختاری استاندارد abaqus 6.9 صورت می گیرد. همچنین مدل گیبسون و جداسازی متغیرها و نتایج آزمایشگاهی بدست آمده از مراجع جهت تایید مدل عددی استفاده می شود. موضوع مهم دیگر این مقاله مطالعه اثرات چگالی های مختلف و سایز سلول و نسبت حجمی تخلخلها در فوم پلی پروپیلن، بر روی رفتار تنش-کرنش و میزان جذب انرژی می باشد (که سطح زیر منحنی تنش-کرنش می باشد). در نهایت، یک قطعه از فوم بوسیله تکرار چندین سلول در سه بعد در فضا شبیه سازی می شود. در این قسمت یک بلوک از ماده فوم با ابعاد یکسان با یک سلول و نیز با ? سلول (?×?×?) و در نهایت با ?? سلول (?×?×?) بررسی شده و میزان جذب انرژی و پاسخ تنش- کرنش مشاهده می شود. در این نوشتار سعی شده است که ضمن معرفی فومهای پلیمری و مزایای این مواد، تا حد امکان به اکثر روشهای مدلسازی فومهای پلیمری اشاره شود و یک روش تک سلولی منظم بعنوان نمونه برای بررسی تاثیر عوامل مختلف در ویژگی های مکانیکی استفاده گردد و تحلیل فومها با نرم افزار المان محدود abaqus صورت گیرد. فومهای پلیمری می توانند تغییر شکلهای بزرگ را تحمل کنند و مقادیر قابل قبولی از انرژی مخصوص را جذب کنند. این رفتار نمایانگر بازدهی بالایی است که می توان از مواد فومی انتظار داشت. به اختصار می توان گفت در این پروژه مزایا و بررسی امکان و قابلیت جذب ارتعاش و انرژی با استفاده از فومهای پلیمری و مدلسازی و تحلیل این مواد و بررسی اثر تغییرات اندازه حفره ها در خواص این مواد و مقایسه با نتایج آزمایشها و تستهای مختلف صورت پذیرفته است.