عنوان	بررسی تجربی و تحلیلی مقاومت بالستیکی سازه‌های مرکب سرامیک- پلی‌یوریا- فلز
نوع پژوهش	پایان نامه
کلیدواژه‌ها	تفنگ گازی، هدفهای مرکب، رابطه تحلیلی بالستیکی، آزمایش بالستیک، بهینه سازی، تاگوچی.
چکیده	هدفهای مرکب کاربرد وسیعی در حوزههای مهندسی مکانیک از جمله حوزه بالستیک دارند. در این رساله، مقاومت بالستیکی هدفهای مرکب با لایههای سرامیک-پلییوریا-آلومینیوم، در برابر برخورد پرتابه با دماغه تخت، با روشهای تجربی و تحلیلی بررسی شدهاست. آزمایشهای تجربی جهت شناخت خواص شیمیایی و رفتار مکانیکی مواد لایههای هدف، پرتابه و همچنین، ارزیابی مقاومت بالستیک هدفهای مرکب انجام شد. جهت ارزیابی مقاومت بالستیکی با استفاده از روش طراحی تاگوچی با استفاده از نرمافزار مینیتب، آزمایشهای بالستیک طراحی شدند. برای انجام آزمایشهای بالستیک از دو دستگاه تفنگگازی استفاده شد. یکی از دستگاهها دارای طول لوله پرتاب 3 متر و کالیبر 11 میلیمتر بود که در آن هدایت گاز بهپشت پرتابه توسط یک شیر با عملکرد سریع اتفاق میافتد. در دستگاه دیگر با کالیبر 25 میلیمتر، گاز بر اساس پارگی دیسک فداشونده در فشاری مشخص، تخلیه میشود. با استفاده از آزمایشهای بالستیک عوامل مهم بالستیکی از جمله، آسیب در لایههای مختلف هدف و نیز آسیب پرتابه، سرعت باقیمانده پرتابه، قابلیت جذب انرژی هدف، قطر سوراخ لایه پشتیبان و سرعت حد بالستیک ارزیابی شدند. مشاهده شد که در اثر برخورد پرتابه با سرامیک ترکهایی در سطج پشتی سرامیک ایجاد میشوند که این ترکها بهطور میانگین تحت زاویه 48 درجه بهسمت سطح جلویی سرامیک رشد میکنند و در نهایت یک ترک مخروطی شکل ایجاد میشود. پلییوریا بعد از عبور پرتابه مقدار زیادی از کشیدگی اولیه خود را جبران میکند و قطر سوراخی که در حین عبور پرتابه از ضخامت آن ایجاد شدهاست کاهش پیدا میکند. مقدار قابل توجهی از سرامیکهایی که خرد شدند، توسط لایه پلییوریا جذب شدند. برای لایههای پشتیبان آلومینیومی نیز، مکانیزمهای آسیب از جمله، دیشینگ، پتالینگ، پارگی و ترک مشاهده شد. جابجایی لایه پشتیبان آلومینیومی ناشی از نفوذ پرتابه با کاهش سرعت برخورد افزایش پیدا کرد در حالی که با افزایش سرعت برخورد قطر سوراخ لایه پشتیبان آلومینیومی کاهش یافت. در بین هدف های مورد بررسی در روش تجربی، هدف با کد CPA1 کمترین و هدف با کد CPA5 بیشترین انرژی را جذب نمود. همچنین، بر اساس نمودارهای سرعت حد بالستیک تجربی مشاهده شد که هدف با کد CPA1 کمترین مقدار سرعت حد بالستیک را دارد. برای تعدادی از هدفهای پیشنهاد شده )هدف با کدهای CPA8 ،CPA7 ،CPA5 و CPA9(، بهدلیل محدودیت در تامین سرعت پرتابه امکان انجام آزمایش بالستیک میسر نبود. لذا، برای بررسی مقاومت بالستیکی این هدفها، شبیهسازی در نرم افزار LS-Dyna انجام شد و از نتایج آن در بهینهسازی نیز استفاده گردید. با استفاده از روش عددی، سرعت باقیمانده پرتابه برای هر هدف استخراج و با مقدار تجربی آن مقایسه شد. بعد از اطمینان از صحت شبیهسازی، مقدار سرعت حد بالستیک استخراج و از نتایج آن برای بهینهسازی و روابط تحلیلی استفاده گردید. بر اساس نتایج عددی مشخص شد که هدف با کد CPA7 بیشترین سرعت حد بالستیک و لذا، بیشترین استحکام را دارد. همچنین، با استفاده از شبیهسازی مشاهده شد که بیشترین کاهش سرعت در برخورد پرتابه با سرامیک اتفاق می افتد. بر اساس نتایج تجربی، بهطور تقریبی 56/3 % از سرعت اولیه پرتابه توسط سرامیک کاهش پیدا میکند که این مقدار برای آلومینیوم و پلییوریا بهترتیب، 25/9 و 17/8 % است. جهت تعیین دقیقتر اثر ضخامت هر لایه بر توابع هدف و همچنین، برای یافتن یک هدف با ضخامتهای بهینه که هم دارای جذب انرژی بالا و هم جرم کمی باشد، بهینهسازی انجام شد. سه تابع انرژی جذبشده، جرم و نسبت انرژی جذبشده بر جرم هدف در بهینهسازی بررسی گردید. بر اساس نتایج بهینهسازی، سرامیک با 64/37 % بیشترین تأثیر را در افزایش تابع استحکام دارد که این نسبت برای پلییوریا و آلومینیوم بهترتیب، 13/03 و 22/54 % میباشد. لایه سرامیکی، 55/93 % جرم هدف را افزایش داد که این مقدار برای پلییوریا 14/34 و برای آلومینیوم 29/79 % است. همچنین، مشخص شد که سرامیک با 80/22 % بیشترین تأثیر را در افزایش تابع استحکام بر جرم دارد که این مقدار برای آلومینیوم و پلییوریا بهترتیب، برابر 9/56 و 10/21 % بود. نتایج نشان دادند که پلییوریا نقش بهتری نسبت به آلومینیوم در افزایش نسبت انرژی جذبشده بر جرم دارد. در بخش تحلیلی، با توجه به اختلاف زیاد بین نتایج رابطه فلورنس با نتایج تجربی، به اصلاح تعدادی از روابط استفاده شده در این مدل از جمله، اصلاح مقدار شعاع بزرگ ترک مخروطی، اصلاح رابطه محاسبه جرم سرامیک و اعمال اثر استحکام سرامیک پرداخته شد. با اصلاح رابطه فلورنس برای اهداف دولایه، اختلاف آن با نتایج تجربی و تحلیلی مراجع دیگر کاهش یافت و از 53/9 و 59/5 % بهترتیب، به 9/1 و 11/8 % رسید. با توجه به بهبود نتایج فلورنس اصلاحشده، این رابطه برای اهداف مرکب سهلایه سرامیک-پلییوریا-آلومینیوم تعمیم داده شد و یک رابطه جدید برای پیشبینی سرعت حد بالستیک این هدفها استخراج گردید. نتایج رابطه جدید با نتایج تجربی حاصل از رساله حاضر مقایسه و مشاهده شد که حداکثر اختلاف آن با نتایج تجربی 19/30 % میباشد. با بهینهسازی، ضخامت مناسب برای لایههای هدف سهلایه با بیشترین نسبت انرژی جذبشده بر جرم هدف برای سرامیک، پلییوریا و آلومینیوم بهترتیب، برابر 11، 6 و 4 میلیمتر بهدست آمد.
پژوهشگران	سامان جعفری کلکان (دانشجو)