سازه‌هاي مشبك كامپوزيتي

سازه‌هاي مهندسي بايد داراي ويژگي‌ها و خواصي براي ارضاء نيازهاي متداول و مطرح در زمينه‌هاي سازه و نيرو باشند و در واقع، موفقيت يك طرح مهندسي به ميزان موفقيت طراحان در شناسايي سازه‌ها و مواد لازم براي ارضاء بارهاي مطرح در يك برهه مكاني و زماني خاص، مي‌باشد. با روي كار آمدن مواد كامپوزيتي انديشه ساخت سازه‌هاي كامپوزيتي بدليل استحكام و دوام اين سازه‌ها در مقابل سازه‌هاي فلزي، مطرح‌شد. به‌تبع اين انديشه، براي عملي كردن اين افكار، روش‌هاي متنوعي براي ساخت سازه با مواد اوليه كامپوزيتي ابداع شد. نتيجه اين عملكردها، سازه‌هايي به نام "سازه‌هاي مشبك كامپوزيتي" مي‌باشد.

اين سازه‌ها مجموعه اي از نوارهاي متصل‌شده از الياف متنوع مي‌باشند كه امروزه كاربرد وسيعي در صنايع مختلف به ويژه ساخت انواع موشك، ماهواره و لوله‌هاي پتروشيمي و... دارند. در ادمه به بررسي ويژگي‌هاي مختصري از اين سازه‌ها مي‌پردازيم.

1-3- روش‌هاي ساخت سازه­هاي مشبك کامپوزيتي

مهمترين هدف در فرآيند ساخت، تأمين خواص مکانيکي و کيفيت مناسب نوارهاي مارپيچي که عامل اوليه تحمل بار در سازه شبکه‌اي هستند، مي‌باشد.

الف- شکل‌دهي آزاد ^[1] : نوارها شامل رشته‌پيچي سنتي مي‌باشند، اما رشته‌هـا در يک فاصله خاص از يکديگر قرار مي‌گيرند و روي رشته قبلي پيچيده مي‌شوند. اين فرآيند هزينه پاييني داشته و منجر به کيفيت ضعيف نوارها مي‌شود. رشته‌پيچي پيوسته نوارهاي مارپيچي با پين‌هايي که در دو انتهاي قالب قرار دارد، انجام مي‌شود .

ب- رشته‌پيچي درون يک هسته فومي سبک‌وزن: که در اين روش سازه داراي پوسته داخلي مي‌باشد. ابتدا هسته فومي روي پوسته داخلي اسپري مي‌شود و سپس توسط ماشين‌کاري شيارها يي درون هسته فومي ايجاد شده و در ادامه رشته‌پيچي درون شيارها انجام مي‌گردد و بر روي آن پوسته خارجي رشته­پيچي مي‌شود. اين فرآيند داراي ويژگي‌هايي چون هزينه متوسط و کيفيت نسبتاً بالاي نوارها مي‌باشد.

ج- رشته‌پيچي درون شيارهاي پلاستيکي: که اين شيارها درون يک پوشش الاستيک (به عنوان مثال لاستيک سيليکون) ايجاد شده است، به طوري که مي‌توان پس از ساخت قطعه آن­ها را خارج کرد.

د- رشته‌پيچي درون شـيارهاي فلزي: که اين رشته‌پيچي درون شـيارهاي ايجـاد شـده درون يک لايه فلزي، يک سازه هيبريدي فلز- کامپوزيت شبکه‌اي را نتيجه مي‌دهد که قابل استفاده به عنوان تحمل‌کننده بار در مخازن‌ و محفظه‌هاي فشار مي­باشد.

2-3- دسته‌بندي پوسته‌هاي مشبك كامپوزيتي

پوسته‌هاي مشبك كامپوزيتي بسته به نوع كاربرد و پروسه توليد مي‌توانند به اشكال مختلفي تقسيم‌بندي شوند. ساختارهاي مختلفي از پوسته‌هاي مشبك كامپوزيتي در سازه موشك و موشك‌هاي حامل ماهواره استفاده مي‌شوند، از جمله اين ساختارها عبارتند از:

- پوسته‌هاي مشبك كامپوزيتي تشكيل‌شده از دنده‌هاي مايل و قائم.

- پوسته‌هاي مشبك كامپوزيتي تشكيل شده از دنده‌هاي مايل و پوسته خارجي.

- پوسته‌هاي مشبك كامپوزيتي تشكيل شده از دنده هاي مايل، دنده هاي قائم و پوسته خارجي.

- پوسته‌هاي مشبك كامپوزيتي تشكيل شده از دنده‌هاي مايل، پوسته هاي داخلي و خارجي

- پوسته‌هاي مشبك كامپوزيتي تشكيل شده از دنده‌هاي مايل، دنده هاي قائم، پوسته داخلي و پوسته خارجي.

- پوسته‌هاي مشبك كامپوزيتي تشكيل شده از دنده‌هاي مايل، پوسته خارجي، پوسته داخلي كه فضاي بين پوسته‌ها و دنده ها به كمك ماده پركننده پر‌شده‌است.

- پوسته مشبك كامپوزيتي تشكيل‌شده از دنده‌هاي مايل، پوسته خارجي و پوسته داخلي فلزي كه دنده‌هاي مايل در داخل شيارهاي ايجاد شده بر روي سطح فلز قرار گرفته‌اند.

3-3- روش‌هاي تست و تحليل سازه هاي مشبك كامپوزيتي

تعيين بسياري از ويژگي‌هاي سازه‌هاي مشبك كامپوزيتي مانند شيار‌ها، تعداد رشته‌ها، ويسكوزيته رزين و... قبل از ساخت و تست سازه به سختي قابل پيش‌بيني است. براي يافتن اين مشخصات، يك مدل خاص با اندازه كامل ساخته مي‌شود و تا تخريب مورد تست قرار مي‌گيرد براي مطالعه تجربي به قطعات ريزتري تبديل مي‌شود.

يكي ديگر از راه‌هاي تشخيص پارامترهاي هندسي و ويژگي‌هاي سازه‌هاي مشبك مدل كردن آن‌ها در نرم افزارهاي ويژه و بررسي نقاط ضعف و قدرت اين سازه‌ها با استفاده از الگوريتم‌هاي خاص مانند SPANDO در شبكه‌هاي سري و موازي و كدهاي تغيير‌يافته LMM و... مي‌باشد.

4-3- كاربرد سازه‌هاي مشبك كامپوزيتي در صنایع مختلف

- صنايع فضايي

سازه‌هاي مشبك كامپوزيتي بديل راندمان وزني و عملكردي مناسب در ساخت ماهواره‌ها، فضاپيماها و راكت‌ها مورد استفاده قرار‌مي‌گيرند. از جمله نمونه‌هاي فضايي كه در پروسه ساخت‌شان از مواد كامپوزيتي استفاده‌شده، وسايلي به نام وفق‌دهنده‌ها مي‌باشند كه اتصال بين راكت و فضاپيما را ايجاد مي‌كنند، استفاده از مواد كامپوزيتي در سازه وفق‌دهنده‌ها باعث كاهش 40 درصدي وزن سازه نسبت به نمونه‌هاي اوليه شده‌است .

- صنایع هوايي

بدليل استحكام بالاي مواد كامپوزيتي، از اين مواد در صنايع توليد هواپيما و ساير متعلقات مرتبط با آن استفاده مي‌شود. از جمله اين نمونه‌ها مي‌توان به صفحات و پوسته‌ها، در و پنجره‌ها، قاب‌ها، سازه هاي مربوط به بدنه و وسايل داخلي هواپيما، آنتن رادها و... اشاره نمود.

- صنايع كشتي سازي

در اين صنايع هميشه نياز به سازه اي با وزن كم و بدون ترك و داراي استحكام بالا حس مي شود، بنابراين با توجه به اين نياز مي توان به جايگاه مواد مشبك كامپوزيتي در اين صنايع پي برد. دليل ديگر استفاده از اين مواد در پروسه ساخت كشتي و قايق ، طول عمر يا ماندگاري بيشتر اين مواد نسبت به سازه هاي چوبي مي باشد.

- صنايع قايق سازي

كاربرد کامپوزيت در صنعت قايق‌سازي همانند مصرف اين مواد در هواپيما، صرفه­جويي زيادي در وزن يا هزينه­هاي مواد را به همراه داشت و در ثاني نياز به سازه‌اي مقاوم به سايش، نسبتاً سبك وزن و بزرگ، و بدون ترك و سوراخ را برطرف کرد. بيشتر سازندگان قايق از روش‌هاي معمولي مشابه به آنچه در هواپيماي کامپوزيتي است، استفاده مي‌كنند، اما كيفيت ‌هاي بيشتري دارند كه هر شركت هواپيماسازي به آن غبطه مي‌خورد.