پروژه طراحی
Prediction of the torsional strength of the hybrid aluminum/composite drive shaftمحاسبه مقاومت پيچشي محور (شفت) محرك از جنس كامپوزيته/ آلومينيوم هيبريدي
1 ـ مقدمه
استفاده از سازه‌هاي كامپوزيتي به جاي سازه‌هاي فلزي مزاياي زيادي دارد. اين مزايا به خاطر سفتي مخصوص و مقاومت بيشتر مواد كامپوزيتي مي‌باشد. همچنين مواد كامپوزيتي با تركيبات پيشرفته براي كاربردهاي محورهاي محركه انتقال قدرت با طول زياد مناسب مي‌باشند. خواص الاستيك اين مواد مي‌تواند براي افزايش گشتاور و سرعت پيچشي مناسب باشد. كامپوزيتهاي با ماتريس پليمري مانند كربن/ اپوكسي و يا شيشه/ اپوكسي يا هيبريدهاي آنها، در جائيكه مورد استفاده قرار مي‌‌گيرند، با موفقيت بعنوان محور پروانه (ملخ) مورد استفاده قرار گرفتند. توانايي اين مواد در انتقال بارهاي پيچشي باعث استفاده از آنها در كاربردهاي هوا ـ فضا شده است. علاوه بر سفتي مخصوص و مقاومت بيشتر، كامپوزيتهاي با ماتريس پليمري همچنين طوري خاصيت جذب ارتعاش بالا و مشخصات خستگي خوبي هستند بطوريكه مقاومت در برابر خوردگي آنها از فلزات بيشتر است. در هر حال بخاطر قيمت بالاي مواد كامپوزيتي فيبر كربن/ اپوكسي، از مواد آلومينيومي كه نسبتاً ارزان‌تر هستند با مواد كامپوزيتي استفاده مي‌شود. براي مثالي از اين نمونه مي‌توان به نوع هيبريدي محور محرك آلومينيوم/كامپوزيت اشاره كرد كه در آن آلومينيوم نقش انتقال دهنده گشتاور مورد نياز را دارد و در حاليكه ماده مركب فيبر كربن/اپوكسي فركانس طبيعي خمشي را كاهش مي‌دهد. بسياري از محققين در مورد استفاده از محورهاي محرك هيبريدي تحقيق كرده‌اند. در مورد كاربردهاي اين مواد در اتومبيل، اولين محور محرك كامپوزيتي توسط گروه spicer U- Joint در حركت Dana براي ماشين مدل enconoline Van شركت Ford در سال 1985 استفاده شد. علاوه بر آن مطالعات بر روي بهينه‌سازي محور محرك به منظور بهينه‌سازي مواد كامپوزيتي، زاويه پيچش به ميزان انباشتگي رشتهها و تعداد لايه‌ها و اتصالات سر به سر محور محرك، انجام شد. علاوه بر آن از روش اعمالي پيش بار فشاري به منظور كاهش تنش پس ماند حرارتي و بهتر كردن مشخصات خستگي محور كامپوزيت/آلومينيوم هيبريدي، استفاده شد. پايداري پيچش محور محرك كامپيوزيتي بوسيله shokrieh مورد مطالعه قرار گرفته است. اين كار با استفاده از مطالعه بر روي جهت‌هاي متفاوت فيبرها و ميزان انباشتگي رشتهها انجام شد. آنها نتيجه گرفتند كه جهت فيبرو ميزان انباشتگي لايه‌هاي محور كامپوزيتي، تأثير جمعي بر روي گشتاور خمش دارد و افزايش گشتاور اعمالي، فركانهاي پيچشي طبيعي را كاهش مي‌دهد. خواص پيچش استاتيكي و ديناميكي محور هيبريدي، كه از يك لوله آلومينيومي و از يك لايه نازك كامپوزيتي فيبر كرين تشكيل شده، بطور آزمايشگاهي توسط Lee مورد بررسي قرار گرفت. آنها نتيجه گرفتند كه تنش حرارتي پس ماند بر روي محور هيبريدي، تأثير كمي بر روي توانايي انتقال گشتاور استاتيكي مي‌گذارد. در حاليكه توانايي انتقال گشتاور خستگي محور هيبريدي با تنش پس ماند فشاري بسيار زياد شد همچنين آزمايشاتي براي مطالعه و بررسي مقاومت پيچش نهايي محور آلومينيومي/ كامپوزيتي هيبريدي انجام شد. نتيجه‌اي كه گرفته شد اين بود كه توانايي انتقال گشتاور لوله آلومينيومي كه با 6 لايه فيبر كربن و با زاويه 45 درجه پيچيده شده،12 برابر بيشتر از يك لوله آلومينيومي معمولي است. در اين مقاله، از روش المان محدود (براي بررسي و مطالعه) توان پيچشي ماكزيمم يك محور محرك آلومينيومي/ كامپوزيتي هيبريدي، استفاده شده است. محور هيبريدي از لوله آلومينيومي تشكيل شده و قسمت بيروني آن از مواد
كامپوزيتي E – glass و فيبر كربن/ اپوكسي و هيبريدهاي آنها با زواياي پيچش و تعداد لايه‌ها و ميزان انباشتگي مختلف، تشكيل شده است.
2 ـ مدل سازي يك نمونه آلومينيوم/ كامپوزيت هيبريدي