وصله های کامپوزیتی برای تعمیر ترک - کاربرد مکانیک شکست در مهندسی مکانیک

در این مقاله در رابطه با وصله های کامپوزیتی برای تعمیر ترک که یکی از کاربردهای مکانیک شکست و رشته مهندسی مکانیک است توضیح داده شده است. استفاده از وصله های کامپوزیتی تعمیراتی برای متوقف کردن و یا کند کردن رشد ترک بسیار مفید و موثر است.
پیشنهاد ویژه سایت ایران مدرس: وصله های تعمیراتی برای جلوگیری از رشد ترک
یکی از رشته های بسیار جذاب و کاربردی رشته مهندسی مکانیک است و به قول معروف مکانیک بهشت ریاضیات است. دانشجویان رشته مهندسی مکانیک با مسائل جذابی سر و کار دارند و در واقع هر قطعه و ماشینی که ساخته شده است به نوعی مهندسی مکانیک در آن دخیل بوده است. از جمله دروس مهم مندسی مکانیک می توان به استاتیک، مقاومت مصالح 1 و 2، طراحی اجزاء 1 و 2 ، مکانیک سیالات، ترمودینامیک، انتقال حرارت، ارتعاشات، دینامیک، کنترل و .... اشاره کرد. طراحی در مهندسی مکانیک می تواند از دیدگاههای مختلف انجام شود. قطعات مختلف ممکن است تحت بارگذاری استاتیکی و یا خستگی قرار گیرند و طراحی برای هر کدام از این شرایط متفاوت خواهد بود. از دیدگاه کلاسیک فرض می شود در قطعه ترکی وجود ندارد و یک عمر ایمن برای آن تعریف می شود. در دیدگاه مکانیک شکست، فرض می شود ترکی در قطعه وجود دارد و در حضور ترک تلاش می گردد با ایمنی کافی عمر سازه تخمین زده شود. در بسیاری از موارد که در سازه ترکی وجود دارد امکان تعویض قطعه وجود ندارد و از روش های مختلف از جمله وصله های کامپوزیتی برای تعمیر آن استفاده می گردد. کلیک کنید: مشاهده لیست اساتید مهندسی مکانیک

یکی از گرایش های بسیار جذاب و کاربردی مهندسی مکانیک، مکانیک شکست است. در دهه های گذشته استفاده از اصول طراحی از دیدگاه مکانیک شکست به منظور جلوگیری از شکست ناگهانی و یا تدریجی اجزا، سازه ها و قطعات ماشین های مختلف به یک نیاز تبدیل شده و بسیار مورد استقبال قرار گرفته است. در حال حاضر اکثر طراحی ها با این روش انجام می شود و یا سازه¬های طراحی شده با روش های دیگر، از نظر ایمنی در مقابل شکست، از این دیدگاه مورد بررسی قرار می گیرند. خصوصا در سازه های هوافضا استفاده از دیدگاه مکانیک شکست بسیار متداول بوده و عمر باقیمانده سازه و دوره های بازرسی با استفاده از این روش مشخص می گردد. ترک و ناپیوستگی می تواند به دلایل مختلفی در سازه ها و قطعات ایجاد شود و یا وجود داشته باشد. بسیاری از روش های تولید مواد و سازه ها به صورت طبیعی ایجاد شکاف یا ناپیوستگی می کنند. ترک ها می توانند از این شکاف ها و ناپیوستگی ها شروع به رشد کرده و موجب گسیختگی قطعه و نهایتا از کار افتادگی سازه شوند. با توجه به مطالب گفته شده، مهمترین هدف علم مکانیک شکست محاسبه میزان حساسیت قطعه به ترک و اندازه بحرانی ترکی است که می تواند سبب شکست ناگهانی سازه در بارهای اعمالی گردد.
حتما بخوانید: معرفی کتاب وصله های تعمیراتی کامپوزیتی دکتر سیروان محمدی
مزایای وصله های تعمیراتی کامپوزیتی
وصله کامپوزیتی رفتار خستگی را بهبود می بخشد، خوردگی را کاهش می دهد و به راحتی شکل می پذیرد. مهمترین مزیت وصله کامپوزیتی این است که برای نصب آن سوراخ جدیدی در محل تعمیر ایجاد نمی شود و سازه ضعیف تر نمی گردد. در سازه های شامل ترک، وصله باعث کاهش ضریب شدت تنش و در نتیجه کندشدن و متوقف شدن ترک می شود. مزیت اصلی تکنولوژی تعمیر با وصله این است که وزن سازه خیلی افزایش نمی یابد. سبکی و انعطاف شکل و تنوع وصله ها باعث محبوبیت وصله های کامپوزیتی شده است. وصله کامپوزیتی دمای بالا نمی خواهد، تمرکز تنش ایجاد نمی کند و با هر شکلی قابل اعمال است. همچنین وزن کمی دارد و به نسبت جوش مهارت کمتری می خواهد. کامپوزیت ها رسانا نیستند و خوردگی گالوانیک در آنها رخ نمی دهد. موارد ذکر شده تعدادی از مزایای وصله های کامپوزیتی تعمیراتی هستند و بسیاری از فواید دیگر آن ها در این متن کوتاه قابل ارائه نیست. برای مدلسازی ترک و بررسی بازدهی وصله تعمیراتی می توان از روش المان محدود یا اجزاء محدود و نرم افزارهایی مانند انسیس و آباکوس و .... استفاده کرد. البته در بسیاری از کارهای تحقیقاتی با استفاده از تست و روش های تجربی میزان موثر بودن این وصله ها مورد بررسی قرار گرفته است. برای بررسی وصله های کامپوزیتی باید بر درس هایی مانند استاتیک، مقاومت مصالح، طراحی اجزاء و .... مسلط بود.

مروری بر تحقیقات انجام شده در زمینه وصله های تعمیراتی کامپوزیتی
در بسیاری از صنایع در حالتی که تعویض قطعه ممکن یا اقتصادی نباشد ترمیم انجام می شود. برای تعمیر و ترمیم صفحات، مخازن و لوله ها و ... روش های مختلفی از جمله جوشکاری محل نقص یا ترک، استفاده از وصله فلزی متصل شده با پرچ، استفاده از وصله کامپوزیتی متصل شده با چسب و .... وجود دارد. یکی از بهترین روش های موجود برای تعمیر قطعات فلزی و کامپوزیتی استفاده از وصله کامپوزیتی متصل شده با چسب است. وصله های کامپوزیتی به نسبت سایر انواع روش های تعمیراتی مزایای فراوانی دارد. پارامترهای مختلف روی عملکرد و بازدهی این وصله ها اثر می گذارد که در مراجع مختلف مورد بررسی قرار گرفته است.
مطالعه نمائید: دانلود پدیده شکست در اجسام
کامپوزیت ها نسبت مقاومت به وزن بالاتری به نسبت فلزات دارند و در مقابل خوردگی و آسیب مقاوم ترند. برای ساخت قطعات مختلف شکل پذیرتر هم هستند (Stuart,2010). وصله کامپوزیتی رفتار خستگی را بهبود می بخشد، خوردگی را کاهش می دهد و به راحتی شکل می پذیرد (Bouiadjra et al,2003). ضخامت وصله توسط الزامات آیرودینامیکی و ممان خمشی ایجاد شده محدود می گردد. به صورت ایده ال از تعمیر انتظار می رود سازه را به حالت اول خودش برگرداند. مهمترین مزیت وصله کامپوزیتی این است که حین نصب آن سوراخ جدیدی ایجاد نمی شود و سازه ضعیفتر نمی گردد. ضخامت لازم برای وصله کامپوزیتی 33 تا 50 درصد وصله آلومینیومی است. تعمیرات پرچ در مقایسه با وصله کامپوزیتی سریعتر انجام می شود و تجهیزات خاصی لازم ندارد. در حالیکه نصب وصله کامپوزیتی پیچیده تر است. بازرسی وصله کامپوزیتی سخت تر است و پرسنل باید آموزش ببینند (Günther and Maier, 2010). وصله باعث کاهش SIF (ضریب شدت تنش) و در نتیجه کند شدن و متوقف شدن ترک می گردد. مزیت اصلی تکنولوژی تعمیر با وصله این است که وزن سازه خیلی افزایش نمی یابد (Ramakrishna et al, 2017). روش های سنتی تعمیر کشتی شامل جوشکاری، وصله پیچ شده و جایگزینی صفحه است. در حالت تعمیر با جوش باید کل دستگاهها خاموش شوند تا آتش سوزی اتفاق نیافتد. در ضمن تنش پسماند هم ایجاد می شود و خواص مواد تغییر می کند. در وصله با پیچ هم تمرکز تنش ایجاد می¬شود. وصله کامپوزیتی دمای بالا نمی¬خواهد، تمرکز تنش ایجاد نمی کند و با هر شکلی قابل اعمال است. این وصله ها وزن کمی دارد و نصب آن به نسبت جوش مهارت کمتری می خواهد. کامپوزیت ها رسانا نیستند و خوردگی گالوانیک در آنها رخ نمی دهد. برای منابع ذخیره نفت و گاز در ساحل دریا هم چون کار گرم نمی توان انجام داد وصله ها برای تعمیرات بسیار مناسب تر از جوش است (Stuart,2010). حتما بخوانید: دانلود رایگان کتاب وصله های تعمیراتی کامپوزیتی فصل پنجم - تنش در چسب، جدایش و NDI وصله های کامپوزیتی

عملکرد وصله های گرافیت اپوکسی و بور اپوکسی از وصله های فلزی بهتر است ولی عیبی که دارد این است که انبساط حرارتی آنها متفاوت با فلز است و باعث ایجاد تنش پسماند کششی در فلز و فشاری در وصله می شود. بور اپوکسی خواص بهتری دارد و همچنین ضریب انبساط حرارتی آن به آلومینیوم نزدیکتر است در حالی که گرافیت اپوکسی در دسترس تر می باشد و فرم پذیری بالاتری هم دارد (Wesali, 2011). وصله های کامپوزیتی بور اپوکسی نازکتر و کوچکتر هستند و به دلیل داشتن سختی بالاتر آیرودینامیک بهتری هم دارند (Davis, 1994). گرافیت اپوکسی و بور اپوکسی به عنوان وصله بسیار مناسب هستند. مدول یانگ بالا، مقاومت بالا به آسیب، مقاومت به خوردگی، فرم پذیری، رسانش الکتریکی کم و ... از مزیت های این وصله ها است. بور اپوکسی هر چند گرانقیمت تر است ولی به خاطر خواص مکانیکی خوب، رسانش الکتریکی کم و ضریب انبساط حرارتی به نسبت بیشترش به عنوان وصله استفاده می شود (Shinde et al, 2011). برای صفحه فولادی وصله کربن از موارد دیگر بهتر بوده است. بعد از آن بور و گرافیت مناسب است (Walde and Lilhare, 2016). وصله بور اپوکسی به نسبت گلاس اپوکسی SIF را خیلی بیشتر کاهش می دهد. (تنش پسماند حرارتی پخت چسب هم خیلی کمتر می باشد). چسب با مدول برشی بالاتر باعث کاهش بیشتر SIF می شود (افزایش عملکرد وصله) ولی برای خود چسب تنش ها بیشتر شده و از این نظر مطلوب نیست (Oudad et al, 2015). به صورت تئوری ترجیح داده می شود چسب با مدول برشی بالاتر برای تعمیر ترک استفاده شود (Ouinas et al, 2006). جنس چسب هم در تعمیرات کامپوزیتی مهم است. معمول ترین چسب های مورد استفاده اپوکسی و اکریلیک تغییر یافته است. به صورت معمول کنده شدن چسب محتمل است که با پخ دادن و افزایش طول همپوشانی قابل رفع است. استحکام اتصال چسب مهمترین جنبه تعمیرات چسبی است. استحکام استاتیکی وصله باید بزرگتر یا مساوی ماده اصلی باشد. استحکام بور و سختی آن از جنس های دیگر بیشتر است (Srilakshmi, 2014).
پیشنهاد می شود مطالعه نمائید: طراحی از دیدگاه مکانیک شکست در مهندسی مکانیک
در مرجع (Seo et al, 2001) اثر ضخامت نمونه بر بازدهی تعمیر مورد بررسی قرار گرفته است. در وصله یکطرفه SIF در وسط صفحه 50% کاهش داشته است ولی در طرف بدون وصله، خصوصا در صفحات ضخیم، کاهش کمی داشته است. رشد ترک در راستای ضخامت برای صفحات ضخیم در دو طرف یکسان نیست. در صفحات ضخیم کاهش SIF بر اثر حضور وصله، در طرف بدون وصله خیلی کم است. با افزایش ضخامت وصله تفاوت SIF در دو طرف وصله شده و وصله نشده افزایش می یابد (Seo et al, 2001). با کاهش ضخامت چسب مقدار SIF کم می شود و این حالت مطلوب است. البته در این مورد باید مصالحه بشود چرا که ضخامت کمتر چسب احتمال واماندگی آن را افزایش می دهد هر چند انتقال بار به وصله بهتر انجام می گردد (Bouiadjra et al,2003). برای همه ی حالتها (جنس وصله و صفحه مختلف) با افزایش ضخامت وصله SIF کم می شود (Walde and Lilhare, 2016). با کاهش ضخامت چسب، مقدار SIF هم کم خواهد شد. ضخامت زیاد چسب باعث تقویت خود چسب می شود ولی ظرفیت جذب تنش وصله را کم می کند (مصالحه بشود). با کاهش ضخامت وصله ضریب شدت تنش به صورت نمایی افزایش می یابد (Ouinas et al, 2006). مدل تحلیلی برای طراحی وصله یک طرفه تعمیرات کامپوزیتی صفحات ترک دار در مرجع (Kwon and Lee , 2013) ارائه شد. پارامترهای طراحی، ابعاد هندسی و مدول الاستیک وصله است. طول و عرض وصله معمولا چند برابر ترک است ولی ضخامت و ماده وصله مهمتر می باشد. به دلیل ایجاد گشتاور خمشی، ضخامت وصله به نسبت مدول وصله تاثیر بیشتری بر روی توزیع تنش دارد. به صورت پارامتری تحلیل انجام شد و مشاهده گردید که ضخامت بیشتر از مدول یانگ وصله روی تنش اثر می گذارد (Kwon and Lee , 2013). در مرجع (Bouiadjra et al,2003) هم گفته شده است که SIF به مقدار کمی از عرض وصله تاثیر می پذیرد ولی به هر حال با افزایش آن مقدار SIF کم می شود. با رسیدن ترک به لبه وصله سرعت رشد آن دوباره افزایش پیدا می کند. مطالعه نمائید: کتاب وصله های تعمیراتی کامپیوزتی فصل ششم

برخی از نتایج مهم تحقیقات در رابطه با وصله های تعمیراتی کامپوزیتی
1- برای بدست آمدن بهترین نتیجه و حصول بالاترین بازدهی برای وصله تعمیراتی بهتر است وصله صلبیت بالاتری داشته باشد (در این تحقیق بور اپوکسی بهترین حالت است) و تا جایی که ممکن است و محدودیت ها یا الزامات دیگر نقض نمی شود بیشترین ضخامت هم برای وصله در نظر گرفته شود.
2- افزایش عرض وصله تاثیر زیادی بر ضریب شدت تنش ندارد ولی در کاربردهای بارگذاری خستگی برای اینکه با رشد ترک، ترک مدت زمان بیشتری زیر وصله قرار داشته باشد و به مرزهای آن نرسد بهتر است تا جایی که ممکن است از وصله با عرض بیشتر استفاده نمود.
مطالعه کنید: خلاصه درس کامپوزیت - مواد مرکب مقطع ارشد مهندسی مکانیک با توضیحات مفید و خوب
3- افزایش طول وصله به دلیل شدت بخشیدن به عدم تقارن موجود در این نوع تعمیر نه تنها باعث بهتر شدن بازدهی وصله نشده است بلکه حتی مقدار ضریب شدت تنش را کمی افزایش داده است. بنابراین بهتر است در وصله های یک طرفه طول وصله خیلی زیاد در نظر گرفته نشود.
4- برای وصله گلاس اپوکسی تغییر ضخامت وصله تفاوت خیلی زیادی را در ضریب شدت تنش صفحه اصلی ایجاد نکرده است ولی برای دو جنس دیگر تغییرات ضخامت وصله تفاوت قابل توجهی در ضریب شدت تنش ایجاد کرده است.
5- برای بدست آمدن بهترین نتیجه بهتر است وصله صلبیت بالاتری داشته باشد و تا جایی که ممکن است و محدودیت ها یا الزامات دیگر نقض نمی شود بیشترین ضخامت هم برای وصله در نظر گرفته شود.

6- چسب با صلبیت بالاتر در نهایت منجر به بازدهی بیشتری برای وصله تعمیراتی می شود و بهتر است از چنین چسبی برای تعمیر استفاده کرد. البته این افزایش بازدهی وصله تعمیراتی به قیمت تنش های بیشتر ایجاد شده در خود چسب است و ممکن است برای دوام وصله خوب نباشد. در نتیجه با توجه به تنش های ایجاد شده در چسب و استحکام خود چسب باید مصالحه انجام شود و چسب با مدول یانگ مناسبی انتخاب گردد.
7- افزایش ضخامت چسب بر روی بازدهی وصله اثر نامطلوبی دارد و ضریب شدت تنش را افزایش می دهد. البته با افزایش ضخامت چسب تنش های ایجاد شده در خود چسب کمتر شده و در نتیجه برای دوام اتصال مفید است. نکته دیگر اینکه، به هر میزان مدول یانگ وصله در راستای الیاف بیشتر باشد، تغییر ضخامت چسب تاثیر بیشتری بر تغییر بازدهی وصله می گذارد.
8- پخ دادن وصله از 31 تا 50% روی کاهش تنش های پیل، تنش های برشی و ون مایسز در چسب موثر است و برای کاهش احتمال جدایش وصله بهتر است لبه های وصله پخ داده شود.
9- در وصله های تعمیراتی کامپوزیتی معمولا جهت بارگذاری عمود بر ترک است و بهتر است جهت الیاف در جهت بارگذاری باشد.
10- وصله بور اپوکسی به نسبت گرافیت اپوکسی عمر را به میزان بیشتری افزایش داده و استفاده از آن بازدهی بیشتری دارد.
پیشنهاد می شود مطالعه کنید: بهترین جزوه ها، مقاله، سوال امتحانی و ویدیوهای آموزشی طراحی اجزاء 1 و 2 مهندسی مکانیک
11- تنش حرارتی باعث افزایش SIF و کاهش عمر خستگی می شود. دمای پخت و خواص چسب برای حصول تنش کمتر باید بهینه سازی شود. پیشنهاد می گردد از چسب هایی استفاده شود که برای نصب آنها دمای اتاق هم کافی است.
12- بهتر است خواص ماده وصله به سازه اصلی نزدیک باشد. برای فولاد و آلومینیوم وصله بور و کربن که استحکام و سفتی بالایی دارند و به ماده پایه نزدیکترند بیشتر استفاده شده اند. برای بار یک جهته، وصله با فیبر در یک راستا مناسب است ولی برای بار ترکیبی از وصله بافته شده که در هر دو جهت فیبر دارد استفاده می شود. استحکام استاتیکی وصله باید بزرگتر یا مساوی ماده اصلی باشد. در حالت بارگذاری چند محوره وصله فلزی که با چسب متصل شده باشد به نسبت وصله کامپوزیتی بهتر است.
13- وصله ای که در معرض رطوبت قرار دارد ممکن است لبه های آن برگردد و کنده شود پس بهتر است آب بندی انجام شود.
14- پارامتر مهم در بحث وصله ها لایه چینی وصله است. برای مود I زاویه 90 درجه عمود بر ترک مناسب است و برای مود ترکیبی، ترکیبی از 90 درجه، 45 درجه و صفر درجه، که باید بررسی شود.
15- اعمال پخ و افزایش طول هم پوشانی برای کاهش تنش پیل در چسب بسیار مفید است. پخ دادن وصله از 31 تا 50% روی کاهش تنش های پیل، تنش های برشی و ون مایسز در چسب موثر بوده است. افزایش طول پخ در تنش برشی چسب در محل لبه تاثیر مثبت دارد ولی در تنش برشی محل ترک تاثیری ندارد.
حتما بخوانید: مقایسه کاربرد فلزات و کامپوزیتها در پره هلی کوپتر (ملخ بالگرد)
برخی از مراجع مورد استفاده در زمینه وصله کامپوزیتی تعمیراتی برای تعمیر ترک
[1] Stuart, M. (2010) "Static Strength Testing Of Bonded Composite Patch Repair for Ship Plating", Bachelor of Engineering (Naval Architecture), University of New South Wales, School Of Mechanical and Manufacturing Engineering.
[2] Bouiadjra B. B and Belhouari M., Serier B., (2003) "Computation of the stress intensity factors for repaired cracks with bonded composite patch in mode I and mixed-mode", Composite Structures, Volume 59, Issue 3, Pages 415-418,.
[3] Günther G. and Maier A., (2010) " Composite repair for metallic aircraft structures development and qualification aspects  ", 27th international congress of the aeronautical sciences, ICAS.
[4] Ramakrishna Ch. and Krishna Balu J., Rajashekar S., Sivateja N. (2017) "Finite Element Analysis of the Composite Patch Repairs of the Plates", Int. Journal of Engineering Research and Application, Vol. 7, Issue 2, (Part -2), pp.10-18.
[5] Wesali R. (2011) "The effect of the shape and mechanical properties of reinforcers on the stress intensity factor at the tip of the crack", senior thesis, Faculty of Mechanical Engineering, Shahid Chamran University of Ahvaz.
[6] Davis M. J. (1994) "The development of an engineering standard for composite repairs", (Presented to AGARD SMP Specialists Meeting, Seville 3-5) October
منبع: ایران مدرس (بازنشر مطالب با ذکر منبع و لینک به سایت ایران مدرس مجاز است)
برای تالیف این مقاله از کتاب وصله های تعمیراتی کامپوزیتی دکتر سیروان محمدی استفاده شده است. برای تهیه کتاب با ایمیل mec.mohammadi@gmail.com در ارتباط باشید.