مفاهیم دنیای سازه 4 | هوافضای جوان

مفاهیم دنیای سازه ۴

در درس های قبل در مورد خلاصه ای اصول اولیه علم استاتیک صحبت کردیم و گفتیم که  این اصول و قواعد در اکثر سازه های مهندسی وجود داره و پایه علم مقاومت مصالح بشمار میره. در این درس قصد داریم یجورایی از مباحث تعریفی درس های قبل فاصله بگیریم تا وارد دنیای جدید تری از سازه شویم و در مورد موضوعات جذابی مثل دینامیک سازه ها، ارتعاشات مباحث مربوط به خستگی صحبت کنیم و در آخر هم مبحث جالبی بنام آیروالاستیسیته!

دینامیک سازه ها

وقتی صحبت از اعمال نیرو و بارگذاری روی سازه میشه، اولین چیزی که به ذهن میرسه این هست که این بارها با یک اندازه مشخص و در یک زمان مشخص به سازه وارد میشه. ولی در واقعیت اینطور نیست! بارهای وارده به سازه در بعضی موارد ممکنه که نسبت به زمان تغییراتی داشته باشه، هم از لحاظ جهت اعمال بار و هم میزان بار. مثلا بارهای آیرودینامیکی وارد شده به عضوهای سازه ای یک هواپیما یا هلیکوپتر وارد نوعی نیروی دینامیکی بحساب میاد چون برخلاف نیروهای استاتیک در حالت های مختلف پروازی دارای مقادیر مختلفیه. در حالتی که نیروهای دینامیکی به سازه وارد میشه رفتار سازه «میزان تغییر شکلها،  نیروهای داخلی و تنشها» به زمان بستگی داره.  بنابراین رفتار سازه در این حالت بر عکس رفتار استاتیکیش، جواب منحصربه‌فردی نداره. بلکه در هر لحظه از زمان، رفتار خاصی برای آن وجود داره که به آن رفتار دینامیکی می‌گویند. بحث دینامیک سازه ها به طور مستقیم با بحث ارتعاشات ارتباط داره که در ادامه در موردش بیشتر صحبت می کنیم.

structures-sim-sized-optimized

 

ارتعاشات

اغلب فعالیت های انسان، به گونه ای با ارتعاشات سرو کار داره. به عنوان مثال می تونیم بشنویم، به دلیل اینکه پرده گوش مرتعش میشه، می بینیم، زیرا امواج نور نوسان می کنه. تنفش با نوسان ریه ها، قدم زند با حرمت نوسانی دست و پا، و حرف زدن با حرکت نوسانی زبان انجام میشه. ارتعاشات مبحث بسیار جالب و کاربردی بحساب میاد و دوره های قدیم نظر دانشمندان و فیلسوفان رو به طور مستقیم و غیر مستقیم بخودش جلب کرده.

یک روز گالیله خسته از جلسه سخنرانی، به سقف کلیسای پیزا خیره شده بود. در این هنگام حرکت نوسانی لامپ نظرش جلب کرد. او با نبض خود دور تناوب این حرمت رو اندازه گرفت و فهمید که این دوره تناوب بستگی به دامنه نوسان داره. سپس آزمایشهای بیشتری در این باره انجام داد. او در یکی از کتاب های خود که در سال ۱۶۳۸ منتشر شد، درباره اجسام نوسانی بحث کرد و رابطه بین فرکانس ارتعاشات یک آونگ ساده و طول آونگ و همچنین پدیده جالب تشدید در ارتعاشات رو مورد بررسی قرار داد.

 بعد از او هم دانشمندان زیادی برای فهم پدیده های طبیعت و ابداع نظریه های ریاضی ارتعاشات تلاش کردند. اما در عصر حاضر، متخصصین و دانشمندان بیشتر درباره کاربردهای ارتعاشات در حال مطالعه اند و تا آن را در طراحی بهتر انواع وسایل مهندسی بکار بگیرند. اغلب ماشین ها به علت نامیزانی های مختلف در موتورهاشون، مشکل نوسان دارند. مثلا یک موتور دیزل نامیزان، با ایجاد امواج قدرتمند در اطرافش سروصدا به وجود میاره. چرخ های نامیزان بعضی لوکوموتیوها در سرعت های بالا ممکنه تا بیشتر از یک سانتی متر از روی ریل بلند بشه. در توربین ها، ارتعاشات میتونه باعث شکست قطعات داخل موتور بشه و همچنین در موتورهای رفتی برگشتی یا همان موتورهای پیستونی خودروها.

در تمامی این موارد، قطعات مرتعش ممکنه بر اثر تنش های تکراری و پشت سر هم باعث بوجود آمدن پدیده خستگی شده و سپس بشکند. خستگی زمانی پیش میاد که سازه به طور مداوم تحت تنش قرار می گیره، دقیقا همان اتفاقی که ما برای برش دادن یک سیم فلزی با دست انجام می دهیم و آن را بارها خم می کنیم و سپس به حالت اولیه بر می گردانیم. مسئله مهمی که در ارتعاشات پیش میاد پدیده تشدید است. پدیده جالب تشدید زمانی پیش میاد که فرکانس طبیعی یک سازه با فرکانس برانگیزش خارجی برابر شود. دقیقا همان اتفاقی که برای تعدادی پل بر اثر دلایل طبیعی و غیر طبیعی رخ داده و باعث فرو ریختنشون شده. بنابراین در اکثر سازه های مهندسی و ازجمله وسایل هوافضایی مثل هلیکوپترها و هواپیماها، بحث ارتعاشات یکی از مسائل مهم مهندسین سازه است.

fig_uk2007

خستگی

بارهای تناوبی کششی و فشاری در اغلب سازه های مهندسی متحرک وجود داره. این بارها ممکنه در مدت اثر خود هیچ گونه اثر مخربی بروی سازه نگذاره. اما وقتی تعداد دفعات بارگذاری و بار برداری زیاد میشه، بروی سازه ترک هایی ایجاد خواهد شدکه پس از مدت گسترش یافته و موجب شکست سازه خواهد شد. این بارگذاری های متناب ممکنه چندین هزار بار و یا حتی چندین میلیون بار روی سازه اتفاق بیوفته اما نهایتا بعد از تعداد نسبتا مشخصی سیکل نشانه هایی از خستگی در سازه بروز خواهد کرد.

در مهندسی سازه، آنالیز خستگی بسیار مهمه و مهندسین سازه همیشه به آن توجه ویژه دارند. با پیشرفت علوم سازه این امکان بوجود آمده که سازه را بتوان برای عمر مشخصی طراحی کرد. البته عوامل زیادی در میزان عمر یک سازه تاثیرگذاره مثل میزان تنش، هندسه قطعه، کیفیت ساخت و عوامل محیطی. اما متخخصین سازه با استفاده از آنالیزهای مختلف نرم افزاری و آزمایشگاهی، محدوده عمر یک سازه رو بخوبی برآورد می کنند به عنوان مثال میزان عمر یک قطعه در سازه هلیکوپتر را براساس تعداد ۱۰۰ هزار بارگذاری و بار برداری طراحی می کنند و یا آن را با زمان معادل می کنند و می گویند عمر این قطعه ۱۰۰۰ ساعت است و پس آن باید تعویض شود.

 آیروالاستیسیته

در طراحی هواپیما برای داشتن مقاومت سازه ای مطلوب، محدودیت هایی بروی شکل و بارهای آیرودنامکی تحمیل می شود تغییر شکل و انعطاف پذیری هواپیما می تونه اثرات زیادی در شکل آیرودینامیکی، نحوه توزیع نیروها و گشتاورهای آیرودینامیکی داشته باشه. به اثرات آیرودینامکی ناشی شده از انعطاف پذیری سازه رو، آیروالاستیسیته می گویند. این اتفاق اگر تعادل نیروهای رو برهم بزنه موجب اثرات مخربی بروی سازه خواهد گذاشت و حتی می تونه موجب شکست سازه بشه.

Flexible_wing_sized_0


پدیدهای سازه ای مهمی در بحث آیروالاستیسیته برای مهندیسن سازه و آیرودینامیک چالش سازه میشه. پدیده فلاتر، پدیده بافرینگ و پدیده رزونانس یا همان تشدید. پدیده هایی هستند که در طراحی یک هواپیما از اهمیت ویژه های برخورداند. البته پدیده بافرینگ در سرعت های نزدیک صوت ایجاد میشه.

پدیده فلاتر: فلاتر به ارتعاشات سازه ای که ترکیبی از خمش و پیچش باشه، می گویند. این ارتعاشات معمولا در بال و حتی دم ایجاد میشه که موجب ایجاد نوسانات مکرر در سازه خواهد شد. گاهی فلاتر در سطوح کنترل هم اتفاق میوفته.

پدیده بافرینگ: همونطور که گفته شد این پدیده در هواپیماهای گذر صوتی اتفاق میوفته و دلیل آن عدم پایداری موج های ضربه ای است و باعث ایجاد لرزش هایی در هواپیما خواهد شد. البته این پدیده در سرعت های پایین و هنگام جدایش جریان در زمان واماندگی یا استال هم رخ میده و نشانه خوبی برای هشدار استال که خلبان رو مطلع میکنه.

پدیده تشدید: در قسمت قبل در مورد تشدید کمی صحبت کردیم و می دونید که اگر در سازه هواپیما، یکی از فرکانسهای منابع ارتعاشی با یکی از فرکانسهای طبیعی سازه برابر بشه، تشدید رخ خواهد داد. این پدیده باعث خستگی سازه خواهد شد. البته گاهی در بعضی از هواپیماها جلوگیری کامل از این پدیده ها امکان پذیر نیست ولی با پیشرفت علوم سازه  این امکان برای مهندسی بوجد اومده که این پدیده رو کنترل کنند تا آسیبی به سازه هواپیما وارد نکنه.


پاسخ دهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

لطفا معادله امنیتی را وارد کنید. * Time limit is exhausted. Please reload the CAPTCHA.