در این پایان نامه به منظور کاهش حجم محاسبات در تحلیل الاستو پلاستیک مواد از الگوریتم بازگشت شعاعی استفاده شده است. برای این کار یک کد اجزا محدود با استفاده از روش برنامه نویسی شی گرا ایجاد شده است. این برنامه در زبان #c نوشته شده است. برنامه نویسی شی گرا انعطاف پذیری، توسعه پذیری و دوباره استفاده کردن از برنامه را افزایش می دهد. این قابلیت ها به برنامه نویس اجازه می دهد کد را سریع تر و قابل فهم تر ایجاد کند. با استفاده از نرم افزار نوشته شده در این پایان نامه به مدل سازی عددی برخی از روش های افزایش عمر موسوم به کار سرد پرداخته شده است. ابتدا با استفاده از دو نوع مدل دو بعدی کرنش صفحه ای و متقارن محوری، محاسبه تنش های پسماند ناشی از پروسه اتوفرتاژ استوانه های جدار ضخیم تحت فشار محاسبه شده است. نتایج عددی حاصل برای تنش های پسماند مماسی، شعاعی و محوری با نتایج تحلیلی موجود در ادبیات فن مقایسه شده است. مطابقت قابل قبولی بین نتایج مشاهده شده است. اگر چه مدل کرنش صفحه ای قادر است تنش های پسماند مماسی را دقیق تر از مدل متقارن محوری مدل می کند. این در مورد تنش های شعاعی و محوری صادق نیست و هر دو مدل دارای خطای یکسانی هستند. سپس با استفاده از یک مدل دو بعدی به شبیه سازی توزیع تنش های پسماند ناشی از پروسه انبساط سرد در یک صفحه سوراخدار و توزیع مجدد (آزاد شدن) آن ها تحت بارگذاری متناوب پرداخته شده است. برای شبیه سازی دقیق تر رفتار تنش/کرنش در بارگذاری متناوب از چهار مدل سخت شوندگی سینماتیک غیرخطی چابوکه، اوهنو- وانگ، باری- حسن و چن- جیائو استفاده شده اند. مقایسه نتایج حاصل با نتایج تجربی نشان می دهد که مدل چن- جیائو تنش های پسماند را در نزدیکی سوراخ بهتر پیش بینی می کند در حالیکه مدل های چابوکه و باری- حسن، قادر به محاسبه تنش های پسماند در محدوده تنش های کششی هستند. علاوه بر آن نرخ آزاد شدن تنش های پسماند در سیکل های اولیه بالاست و سپس در سیکل های بعدی کاهش می یابد.

یکی از روش های اتصال مواد کامپوزیتی چند لایه ایی فیبر دار، پیچ یا پرچ کاری این قطعات است. ایجاد سوراخ در این قطعات، به هنگام قالب گیری یا سوراخ کاری باعث تضعیف موضعی مقاومت آن می شود. تاثیر موقیت سوراخ ها، درصد فیبرها و مشخص کردن نواحی تضعیف شده در تمرکز تنش صفحه کامپوزیتی فیبر شیشه با رزین اپوکسی (gfrp) در اطراف سوراخ های ایجاد شده برای اتصالات، با روش المان محدود مورد بررسی قرار گرفت. در این روش برای مشاهده نواحی تحت تاثیر تمرکز تنش جهت مشخص شدن المان های تسلیم شده، از معیار تسلیم tsai-wu، و برای مدل سازی از نرم افزار ansys استفاده شده است. آرایش سوراخ ها در دو مدل، برای مقایسه تاثیر هندسه قطعه روی تمرکز تنش اطراف سوراخ ها که در حالت اول عمود بر امتداد نیرو ، و حالت بعدی درجهت این امتداد و درصد فیبر ها در سه حالت مختلف مورد بررسی قرار گرفته است.

در این پایان نامه بهینه سازی وزن یک سازه ساندویچی برای یک بارگذاری معین را با استفاده از الگوریتم سیستم ایمنی بدن انجام داده ایم. پارامتر هایی که به عنوان متغیرهای بهینه سازی در نظر گرفته شده اند، جنس پوسته، جنس هسته، ارتفاع مغز، تعداد لایه های پوسته و چیدمان لایه ها می-باشند. ابتدا تحلیل یک ورق ساندویچی را در متلب مدل سازی کرده ایم سپس کد الگوریتم سیستم ایمنی مصنوعی را نوشته ایم. در تابع مورد نظر، از نظریه tsai-hill به عنوان قید تسلیم ماده استفاده کرده ایم. برای بهینه کردن عملکرد الگوریتم ais و انتخاب پارامترهای مناسب برای نرخ جهش، نرخ تولید مثل، تعداد جمعیت اولیه و میزان خویشاوندی برنامه را چندین بار اجرا کرده و مقادیر مناسب را برای این پارامترها بدست آورده ایم. در نهایت با اجرای نهایی برنامه، مقدار بهینه وزن ورق را بدست آورده ایم، که در آن برنامه برای همه لایه ها، زاویه 45± درجه را انتخاب کرده است. برای بررسی میزان کارایی الگوریتم ais، تابع هدف را با استفاده از الگوریتم ژنتیک نیز بهینه سازی کرده ایم و نتایج آن را با نتایج الگوریتم ais مقایسه کرده ایم. نتایج حاصله نشان دهنده برتری نسبی الگوریتم ais بر الگوریتم ژنتیک می باشد.

مطالعاتی که تاکنون در زمینه ی انبساط سرد منتشر شده اند همگی بر روی ورق های با سوراخ باز انجام شده اند. این در حالی است که انبساط سرد در عمل برای اتصالات پیچی و پرچی به کار می رود که رفتار متفاوتی در مقایسه با اتصالات با سوراخ باز دارند. در این پایان نامه سعی شده است تا رفتار خستگی ورق سوراخ دار انبساط سرد شده پس از بستن پیچ و مهره مورد مطالعه قرار بگیرد. برای این منظور از تست های خستگی و شبیه سازی عددی استفاده شده است. این پژوهش بر روی ورق های سوراخ داری از جنس آلیاژ آلومینیوم 7075-t6 انجام شده است که تحت انبساط سرد با نسبت تداخل اسمی 4 درصد قرار گرفته اند و سپس به وسیله ی پیچ و مهره فولادی با سه گشتاور مختلف بسته شده اند. تست های خستگی شامل ورق های با سوراخ انبساط سرد شده ی باز و ورق های ساده ای که تحت هیچ عملیاتی قرار نگرفته اند نیز می باشد. هدف از این آزمایش ها بررسی تاثیر نیروی فشاری پیچ و مهره بر روی عمرخستگی و نحوه ی ایجاد و رشد ترک خستگی می باشد. علاوه بر این خستگی سایشی مابین واشر و ورق انبساط سر شده نیز مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج برآمده از تست های خستگی و بررسی مقاطع شکست و سطوح ساییده شده نشان می دهد که بستن پیچ و مهره سبب بهبود عمر بیش تر ورق های انبساط سرد شده می شود ولی به دلیل سایش مابین واشر و ورق نوع واماندگی خستگی در برخی از نمونه های آزمایشی که تحت شرایط بارگذاری خاصی قرار گرفته اند از واماندگی خستگی ناشی از ناچ (سوراخ) به واماندگی خستگی ناشی از سایشی تغییر می کند. به منظور بررسی بیش تر این مسئله، سری دیگری از نمونه های آزمایشی به تست های خستگی افزوده شدند که در آن ها از اصطکاک مابین واشر و ورق انبساط سرد شده با استفاده روغن کاری کاسته شده و در نتیجه امکان خستگی سایشی کم شده است. نتایج نشان می دهد که در غیاب عامل خستگی سایشی نوع واماندگی و نحوه ی ایجاد و رشد ترک خستگی نمونه های انبساط سرد شده ای که با پیچ و مهره بسته شده اند مشابه نمونه های انبساط سرد شده ی با سوراخ باز می باشد. برای توجیه مشاهدات تجربی از شبیه سازی عددی کامل عملیات انبساط سرد، بستن پیچ و مهره و بارگذاری سیکلی استفاده شده است. شبیه سازی عددی در محیط نرم افزار المان محدود ansys انجام شده است. برای اعتبار سنجی مدل المان محدود از مقایسه ی نتایج آن با نتایج برآمده از حل تحلیلی و همچنین مقایسه ی اندازه ی سطوح ساییده شده و سطح تماس پیش بینی شده در المان محدود استفاده شده است. نتایج مستخرج نشان می دهد که کاهش همزمان میانگین و دامنه ی تنش های محلی مهمترین عامل بهبود عمر مشاهده شده در ورق های انبساط سرد شده که با پیچ و مهره بسته شده اند، می باشد. کاهش میانگین تنش های محلی به دلیل افزایش مقادیر فشاری میدان تنش پسماند می باشد و کاهش دامنه ی تنش های محلی به خاطر وجود تماس اصطکاکی مابین واشر و ورق اتفاق افتاده است. تماس اصطکاکی همچنین به عنوان عامل خستگی سایشی و تغییر وضعیت واماندگی شناسایی شده است که تحت شرایط بارگذاری خاص منجر به جابه جایی محل تمرکز تنش از لبه ی سوراخ و در نتیجه تغییر موقعیت محل ایجاد ترک خستگی می شود. در ورق هایی که از واشر روغن کاری شده استفاده شده است، به دلیل کاهش تماس اصطکاکی، دامنه ی تنش های محلی تغییر نکرده و جابه جایی محل تمرکز تنش نیز اتفاق نمی افتد.

در این پایاننامه جدایش لایه ها تحت مود سوم شکست با استفاده از روش mscb تحلیل شده است. نمونه های مرکب استفاده شده برای این کار، از فیبر شیشه e و رزین اپوکسیml506 ساخته شده است. تحلیل های آزمایشگاهی برای چهار طول ترک مختلف انجام شده است. داده های آزمایش با دو روش کالیبراسیون سستی و تئوری تیرها تحلیل می شوند و مقایسه ای بین این دو روش صورت گرفته است. تحلیل های المان محدود با استفاده از نرم افزار ansys صورت گرفته است و برای محاسبه توزیع آهنگ رهایی انرژی در جبهه ی ترک از روش بستن مجازی ترک (vcct) استفاده شده است. نتایج نشان می دهد که انرژی آزاد شده تحت مود iii در مرکز ترک بیشینه و در لبه ها کمترین مقدار خود را داراست. در این تحلیل، همچنین توزیع مولفه های مود ii نیز مشخص شده است. با استفاده از این روش بیش از 98% از کل انرژی آزاد شده متعلق به مود iii می باشد. با در نظر گرفتن تقارن در نمونه، یک رابطه تحلیلی برای محاسبه ی انرژی آزاد شده بیان شده است. سستی در نمونه با استفاده از هر سه روش بیان شده است. درصد حجمی فیبر ماده ی استفاده شده 30% می باشد بنابراین نتایج به دست آمده برای چقرمگی شکست با نتایج دیگران مقایسه شده و تأثیر درصد حجمی بر چقرمگی شکست بررسی گردیده است. یکی از اهداف این رساله افزایش راندمان روش mscb برای محاسبه ی سستی و آهنگ رهایی انرژی و کاربرد آن برای ثبت داده های آزمایشگاهی است.

در این پایان نامه به بررسی تعمیر لوله های معیوب انتقال گاز با استفاده از مواد کامپوزیتی پرداخته شده است و نیز از الیاف شیشه برای تعمیر استفاده شده است.

در سالیان اخیر با توجه به گسترش دامنه ی کاربرد مواد هدفمند تحلیل سازه های هدفمند تحت شرایط مکانیکی مورد توجه پژوهش گران قرار گرفته است. در زمینه ی بهینه سازی مواد هدفمند تلاش های کم تری در مقایسه با تحلیل و حل مسایل مربوط به این مواد انجام شده است که اکثر پژوهش های انجام شده تحت شرایط ترمومکانیکال صورت گرفته است. علاوه بر این، عملکرد مواد با خاصیت تابعی نه تنها تابع خواص فازهای تشکیل دهنده و مقدار آن ها است بلکه وابسته به توانایی طراح در طراحی شکل بهینه ی تغییرات تدریجی (شکل تابعی) کسر حجمی فازهای ماده ی هدفمند می باشد. با توجه به مطالب گفته شده به نظر می رسد پژوهش های انجام شده در زمینه ی بهینه سازی مواد هدفمند کم بوده و گسترش دادن آن الزامی و مفید می باشد. در این پایان نامه تحلیل و بهینه سازی یک صفحه ی ساندویچی با هسته ی هدفمند تحت شرایط تکیه گاهی ساده مورد بررسی قرار می گیرد. تغییرات کسر حجمی فازهای ماده هدفمند با استفاده از تعریف تعداد محدودی نقاط کنترل و درون یابی مرتبه سوم بین نقاط کنترل مدل خواهد شد. این تغییرات در راستای ضخامت خواهد بود. تخمین خواص موثر ماده بر اساس قانون خطی مخلوط ها انجام خواهد شد. بررسی رفتار صفحه و محاسبه ی میدان تنش به وسیله ی تئوری مرتبه سوم رِدی برای مواد کامپوزیتی (tsdt) انجام خواهد شد. برای حل معادلات صفحه از روش حل دقیق ناویر (بسط سری مثلثاتی) استفاده خواهد شد. در ادامه با استفاده از الگـوریتم های تکاملی تک هدفه برای ورق هدفمند و چند هدفه برای پانل ساندویچی هدفمند، بهینه سازی پروفیل کسر حجمی فازها برای توابع هدف و قید های مختلف از قبیل جرم، جابجایی و میدان تنش انجام خواهد شـد. با استفاده از روش تابع جریمـه بدون پارامترِ ثابت، مساله ی مقیـد به مسـاله ی نا مقید تبدیل می شود.

فرآیند اصطکاکی اغتشاشی ,(friction stir processing) fsp یک تکنولوژی جدید مهندسی سطوح است که به وسیله آن می¬توان عیوب ریخته گری را حذف کرد و میکروساختار فلز را بهبود بخشید؛ در نتیجه سختی و داکتیلیته فلز بهبود می¬یابد و مقاوت خستگی و مقاومت خوردگی فلز افزایش داده شده و باعث افزایش قابلیت شکل پذیری و بهبود دیگر خواص فلز می¬شود. علاوه بر این، از این روش برای همگن سازی ساختار فلزی، تصحیح میکروساختار و افزایش خواص مکانیکی استفاده می¬شود. فرآیند اصطکاکی اغتشاشی، فرایند حالت جامد جدیدی است که در آن از یک ابزار دوپله برای اصلاح خواص سطح استفاده می-شود. در روش fsp از یک متد مشابه جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی (friction stir welding) fsw استفاده شده، ولی فرآیند fsp به منظور اصلاح موضعی میکروساختار، نه به عنوان اتصال مواد به یکدیگر استفاده می¬شود. به علاوه توسط روش fsp می¬توان سطوح کامپوزیتی ایجاد نمود. امروزه فرآیند اصطکاکی اغتشاشی به عنوان روشی برای اصلاح میکروساختار و تشکیل کامپوزیت های فلزی مطرح است. هدف از انجام این پژوهش رسیدن به کامپوزیت فلزی پایه مس بوسیله پودر ذرات نانو al_2 o_3 با اندازه متوسط 80 نانومتر و با درصد وزنی 16% در فلز پایه به روش اصطکاکی اغتشاشی و بررسی خواص مکانیکی و مکانیک شکست و مقایسه آن با نمونه مس تولید شده به همین روش ولی بدون استفاده از پودر می¬باشد. ابتدا شرایط برای دستیابی به کامپوزیت فلزی فراهم گردید که آزمایشات تجربی در دورهای ابزار 950، 1180 و 1500 دور بر دقیقه، سرعت پیشروی 5/37، 5/47 و 60 میلیمتر بر دقیقه و تعداد پاس های تک پاسه، دو پاسه و چهار پاسه انجام شدند. سپس مجموعه ای از مطالعات میکروسکوپی و ماکروسکوپی روی کامپوزیت حاصله انجام شده و نتایج دسته بندی شده است، تا کامپوزیتی با توزیع ذرات مناسب و با کیفیت بالا تولید گردد. خصوصیات مکانیکی اعم از تنش تسلیم، تنش نهایی و سختی اندازه گیری شد. تمامی این مراحل یکبار همراه با پودر و یکبار بدون استفاده از نانو پودر انجام گردید. در نهایت پس از انجام مطالعات تجربی مقادیر بهینه برای تنظیم پارامترهای فرآیند و سایر پارامترها برای رسیدن به کیفیت مطلوب بدست آمده است. در مرحله بعد آزمایشاتی برای مطالعه مکانیک شکست کامپوزیت ها طبق استاندارد astm e399-83 به روش compact انجام گردید. برای این آزمایش نمونه ها بعد از آماده سازی توسط دستگاه فرز، با دستگاه وایرکات شکافی در نمونه ها ایجاد شد. سپس فیکسچر مکانیک شکست طراحی و ساخته شد. برای تست قطعات از دستگاه zwick/z010 موجود در آزمایشگاه مقاومت مصالح دانشگاه تبریز استفاده گردید. بعد از انجام تست با توجه به مقادیر بدست آمده برای kic مکانیک شکست هر یک از نمونه¬ها بدست آمد. نتایج آزمایشات نشان داد که در شرایط بهینه می¬توان نانو کامپوزیتی با توزیع ذرات همگن و یکنواخت و بدون عیوب متداول در فرآیند و با خواص مکانیکی بالاتر نسبت به فلز پایه و اندازه ریز تولید کرد. علاوه بر این می¬توان استحکام و سختی نانو کامپوزیت را نسبت به فلز پایه افزایش داد. با بررسی اثر سرعت دورانی و تعداد پاس ها، نتایج ریز ساختاری بیانگر اثر مطلوب افزایش سرعت و تعداد پاس¬ها بر یکنواختی توزیع پودر در ناحیه اغتشاشی و بالتبع آن افزایش استحکام می¬باشد.

استفاده از مواد کامپوزیتی به طور قابل توجهی در صنایع مدرن از قبیل اتومبیل سازی، هوافضا و کشتی سازی در حال افزایش است. یکی از مزایای اتصالات چسبی امکان ایجاد اتصال بین مواد غیر مشابه مانند مواد مرکب به فلزات می باشد. ارزیابی و بررسی مشخصات شکست اتصالات چسبی برای رسیدن به حالت اطمینان طراحی از اهمیت زیادی برخوردار است. چسب ها و رزین های اپوکسی، به علت خواص قابل اطمینان مکانیکی از قبیل مقاومت و مدول الاستیسیته بالا، خزش کم و عملکرد مناسب در دمای بالا، به طور گسترده در بسیاری از زمینه ها و کاربردهای مهندسی مورد استفاده قرار می گیرند. اما یک خاصیت نامطلوب آن ها مقاومت ضعیف آن ها در برابر رشد ترک است. بنابراین در طول دهه گذشته تلاش های زیادی جهت بهبود مقاومت شکست اپوکسی ها به وسیله افزودن نانو ذراتی از قبیل نانو ذرات لاستیکی، نانو خاک رس، نانو لوله های کربنی، نا نو سیلیکا و ... صورت گرفته است . هدف پژوهش حاضر بررسی رفتار شکست اتصالات چسبی کامپوزیت به آلومینیم در مد دوم بارگذاری و اثرات نانو ذرات سیلیکا بر انرژی شکست این اتصال می باشد. بدین منظور با ساخت نمونه های کامپوزیتی و اتصال آن ها با چسب اپوکسی خالص به آلومینیم و انجام آزمایش enf بر روی آن، نمودارهای نیرو- جابجایی برای نمونه هایی با طول ترک های متفاوت بدست آمد. با در اختیار داشتن داده های تجربی، مقدار نرخ آزاد سازی انرژی کرنشی بحرانی را با استفاده از نظریه های موجود در منابع که در همین پژوهش ارائه شده است محاسبه شد. برای شبیه سازی آزمایش های فوق از یک مدل اجزای محدود سه بعدی با استفاده از روش czm در نرم افزار abaqus استفاده شده تا بتوان از نتایج بدست آمده در تفسیر بهتر فرآیند شکست و مقایسه با نتایج تجربی استفاده کرد. در این پژوهش نتایج بدست آمده از شبیه سازی عددی و نتایج تجربی در سازگاری خوبی با یکدیگر هستند و مقادیر خطای روش عددی در بسیاری از موارد اندک است. برای مشاهده ی اثرات نانو ذرات سیلیکا بر انرژی شکست چسب ،قطعات کامپوزیتی و آلومینیمی را با چسب های تقویت شده با درصدهای وزنی مختلف نانو سیلیکا در یک طول ترک مشابه متصل کرده و با انجام آزمایش enf بر روی آن ها نمودار نیرو- جابجایی را ثبت نمودیم. با استفاده از روش تئوری ساده(sbt) برای اتصلات چسبی دو قطعه با جنس متفاوت که در منابع موجود است، نرخ آزاد سازی انرژی کرنشی بحرانی را برای نمونه های چسب تقویت شده با درصدهای وزنی مختلف نانوسیلیکا به دست آورده و آن را با نمونه ی چسب خالص مقایسه کردیم. نتایج نشان می دهد که با افزایش درصد وزنی نانو سیلیکا مقدار انرژی شکست نیز افزایش می یابد. در نهایت از میکروسکوپ الکترونی روبشی (sem) جهت بررسی مشخصات سطوح شکست و نتایج بدست آمده در حالت چسب خالص و چسب تقویت شده با نانو ذرات سیلیکا استفاده شده است.

با توجه به اهمیت اتصالات چسبی در صنایع جهت کاهش وزن سازه های مختلف در صنایعی همچون هوافضا و خودرو سازی، تحقیق و بررسی در این زمینه بسیار مورد توجه محققین قرار گرفته است. در این تحقیق شکست در مد i شکست برای قطعه آلومینیومی متصل به کامپوزیت مورد بررسی قرار گرفته شد. جهت رسیدن به این مهم نمونه های dcb ساخته شد. این آزمایش در دو حالت مورد بررسی قرار گرفت. در حالت اول اتصال بین آلومینیوم و کامپوزیت بدون حضور نانو ذره انجام گرفت و جهت محاسبه نرخ رهایی انرژی کرنشی از روش تئوری اصلاح شده تیرها و روش نرمی استفاده شد به علاوه برای شبیه سازی آزمایش فوق از یک مدل اجزای محدود سه بعدی با استفاده از روش czm در نرم افزار abaqus استفاده شده تا بتوان از نتایج بدست آمده در تفسیر بهتر فرآیند شکست و مقایسه با نتایج تجربی استفاده کرد. در حالت دوم این اتصال با حضور نانوذرات سیلیکا در چسب اپوکسی مورد بررسی قرار گرفت و نرخ رهایی انرژی کرنشی توسط تئوری تیرها محاسبه و نتایج آن با حالت اول مقایسه گردید. بررسی نتایج بدست آمده نشان داده شد که در حالت دوم بدلیل تاثیر حضور نانوذرات درون چسب اپوکسی، چقرمگی شکست نسبت حالت اول افزایش یافته. در نهایت از تکنیک های sem و edx جهت بررسی مورفولوژی سطح و چگونگی پخش شدن نانوذرات درون چسب اپوکسی استفاده شد.