فرایند شکل‌دهی یک روش تولیدی است که در آن، با ثابت ماندن مقدار جرم و نوع پیوندهای بین مولکولی، یک شکل سه‌بعدی مشخص بر روی قطعه‌کار ایجاد میگردد. در واقع، شکل‌دهی جزء فرایندهایی است که فاقد براده‌برداری یا برداشت ماده میباشد.
1-2- انواع فرایندهای شکل‌دهی
فرایندهای شکل‌دهی را میتوان براساس استاندارد DIN 8582، بسته به جهت تنشهای اعمالی بر قطعه، به انواع زیر طبقه‌بندی نمود (شکل 1-1 را ببینید):
- شکل‌دهی تحت تنشهای فشاری؛ نظیر فرایند شکل‌دهی غلتکی
- شکل‌دهی تحت تنشهای ترکیبی کششی و فشاری؛ نظیر فرایند کشش عمیق
- شکل‌دهی تحت تنشهای کششی؛ نظیر شکل‌دهی کششی
- خمکاری؛ نظیر خمکاری با قالبهای خطی
شکل‌دهی تحت تنشهای برشی؛ فرایند پیچش[1]
- شکل 1-1: طبقه‌بندی فرایندهای شکل‌دهی [1]
1-2-1- فرایندهای خمکاری
به طور کلی، روش‌های مرسوم خمکاری به دو نوع زیر تقسیم‌بندی میشود:
الف) خمکاری مکانیکی ب) خمکاری ترمومکانیکی[2].
1-2-1-1- خمکاری مکانیکی
از جمله روش های مکانیکی میتوان به خمکاری با بهره گرفتن از قالبهای U شکل وV شکل و خمکاری با بهره گرفتن از غلتک اشاره کرد. در این روش، خمکاری توسط یک ابزار سخت و اعمال نیروی خارجی انجام می گیرد. همچنین، برای ایجاد خمهای مختلف بایستی از قالبهای متفاوتی استفاده کرد. معایب این روش عبارت است از:
- این روش بسیار پرهزینه می باشد.
- در تولید با تیراژ بالا، نیاز به تعویض مداوم ابزار و قالب وجود دارد.
- با افزایش ضخامت ورق، به دستگاه پرس با ظرفیت بالا نیاز است.
- بی دقتی ابعادی ناشی از وجود پدیده برگشت فنری در خمکاری مکانیکی وجود دارد. [2]
1-2-1-2- خمکاری ترمومکانیکی
در فرایند خمکاری شعله‌ای، که نمونه‌ای از خمکاری ترمومکانیکی میباشد، از حرکت دادن یک شعله اکسی‌استیلن در راستای یک خط مستقیم روی قطعه‌کار استفاده می شود. در اثر ایجاد تنشهای حرارتی، که در حین گرمایش و سرمایش قطعه‌کار به وجود می‌آید، تغییرشکل پلاستیکی اتفاق می‌افتد. این روش در مقایسه با روش‌های مکانیکی، فاقد فرسایش ابزار بوده و بنابراین، کم‌هزینه‌تر میباشد. معایب اصلی این روش عبارت است از:
- شعله مشعل قابلیت متمرکز شدن ندارد. بنابراین، مساحت ناحیه متاثر از حرارت بزرگ[1] و ایجاد خمهای دقیق دشوار میباشد.
- این روش قابلیت اتوماسیون ندارد. تکرارپذیری فرایند دشوار و وابسته به اپراتور است.
- باید قطعه را بلافاصله پس از حرارت‌دهی با مشعل، با بهره گرفتن از آب سرد کرد[2].
1-3- فرایند شکل‌دهی با لیزر
لیزر، از زمان اختراع آن تاکنون، کاربردهای بسیاری پیدا کرده است. «فرآوری مواد توسط لیزر» اشاره به فرایندهای صنعتی متعددی دارد که در آن از لیزر به منظور اصلاح شکل یک قطعه، برای نمونه با ذوب کردن قطعه‌کار و رفع قسمت های زائد، استفاده می شود. از ویژگی‌های منحصربه‌فرد پرتو لیزر میتوان به شدت تابش و تمرکزپذیری آن اشاره نمود. این ویژگی‌ها سبب شده است که از لیزر در فرایندهایی نظیر خمکاری، جوشکاری، سوراخ‌کاری، برش، عملیات حرارتی، آلیاژسازی و غیره استفاده شود.
در فرایند شکل‌دهی با لیزر، از پرتو لیزر به منظور ایجاد زاویه خم در ورق‌های فلزی و همچنین مواد سخت استفاده میشود. مشابه به روش خمکاری با شعله، در این فرایند قطعه‌کار در نتیجه ایجاد تنشهای پس‌ماند حرارتی، به جای اعمال نیروی خارجی، دچار خمش میگردد. بنابراین، خمکاری با بهره گرفتن از لیزر نوع دیگری از خمکاری ترمومکانیکی محسوب میشود[2]. شمایی از فرایند شکل‌دهی با لیزر در شکل 1-2 مشخص شده است.
- شکل 1-2: فرایند شکل‌دهی با لیزر به‌منظور ایجاد خم مستقیم ساده[3]
اولین پژوهش‌ها در زمینه فرایند شکل‌دهی با بهره گرفتن از لیزر، از اواسط دهه 1980 میلادی شروع شد. این فرایند یک فرایند
غیرتماسی به منظور خمکاری و همچنین ایجاد شکل‌دهی سه‌بعدی در قطعه‌های فلزی و غیرفلزی است. در این فرایند، شکل‌دهی با اعمال تنشهای حرارتی ناشی از تابش پرتو لیزر بر سطح قطعه‌کار، یعنی با ایجاد یک گرمایش موضعی سریع و متعاقب آن، سرمایش ناحیه حرارت‌دیده، انجام میگیرد. در مرحله حرارت‌دهی، اگر کرنش‌های حرارتی در ناحیه تحت تابش از کرنش الاستیک ماده فراتر رود (بستگی به مقدار درجه‌حرارت و مشخصه های هندسی قطعه‌کار دارد)، کرنش‌های حرارتی تبدیل به کرنش‌های پلاستیک فشاری خواهد شد. در مرحله سرمایش، قطعه دچار انقباض شده و در نتیجه، یک زاویه خم یا یک تغییرشکل در ناحیه حرارت‌دیده ایجاد میشود. از فرایند شکل‌دهی با لیزر در نمونه‌سازی سریع و همچنین، تصحیح شکل قطعات مورد استفاده در صنایع هوافضا، کشتی‌سازی و اتومبیل‌سازی استفاده میشود [2].
مقدار تغییرشکل حاصل در فرایند شکل‌دهی با لیزر به پارامترهای متعددی بستگی دارد. این پارامترها شامل پارامترهای پرتو لیزر و نیز، مشخصات مکانیکی و حرارتی ماده میشود که در فصلهای آتی به آنها پرداخته خواهد شد. تاریخچه پژوهش‌های انجام شده در زمینه فرایند شکل‌دهی با لیزر در 0 آورده شده است.
شکل1-3: تاریخچه فرایند شکل‌دهی با لیزر [4][4]
1-4- مزایای شکل دهی با بهره گرفتن از پرتو لیزر
1- قطر پرتو لیزر را با بهره گرفتن از لنزهای نوری میتوان تا مرتبه میکرون کاهش داد. بنابراین، مساحت ناحیه متاثر از حرارت بسیار کوچک میشود. به همین دلیل، خمکاری با لیزر تنها فرایندی است که در آن ایجاد خمهای بسیار دقیق امکان‌پذیر است.
2- این فرایند، یک فرایند غیرتماسی است. بنابراین، مشکلات آلودگی در آن کمتر است.
3- با به‌کارگیری این فرایند، امکان ایجاد شکلهای پیچیده بدون نیاز به ابزار سخت وجود دارد.
4- پارامترهای مختلف فرایندی ( شامل توان لیزر، قطر پرتو، سرعت اسکن و غیره) را میتوان با دقت بالا کنترل نمود.
5- سردشدن قطعه‌کار در هوا انجام میشود و نیاز به سرد نمودن آن با آب وجود ندارد.
6- خم کاری با لیزر از نظر اقتصادی به صرفه وهمچنین کارا است. امکان تابش با انرژی بالا و حرارت دهی موضعی وجود دارد (امکان دست یابی به شدت تابش بسیار بالا)
7- چرخه تولیدی در این فرایند کوتاه می باشد و هزینه تولید آن در مقایسه با شکل دهی با قالب بسیار کمتر است. چون در فرایند شکل دهی با قالب ، ساخت قالب با شکلهای پیچیده بسیار پرهزینه و وقت گیر است. این در حالی است که در شکل دهی با لیزر نیاز به قالب وجود ندارد.
8- دقت این روش در مقایسه با روش شکل دهی سنتی حرارت دهی با شعله بیشتر است. [2]
1-5- موارد کاربرد فرایند شکل دهی با لیزر
فرایند شکل دهی با لیزر به علت کاهش هزینه طراحی و تولید، دارای کاربردهای روزافزون است. از جمله موارد کاربرد این فرایند می توان به موارد زیر اشاره نمود:
- نمونه سازی سریع شکلهای پیچیده
- شکل دهی غیر تماسی کلیه قطعاتی که دور از دسترس می باشد.
- شکل دهی دقیق لوله ها
- نمونه سازی سریع قطعات به منظور انجام آزمایش های لازم بر روی آنها
- تولید نهایی قطعات با تیراژ پایین
- نمونه سازی سریع قطعات پیش از شروع به تولید نهایی آنها [30].
1-6- نگاهی گذرا بر پژوهش‌های پیشین
اولین فعالیت‌ها در استفاده از حرارت پرتو لیزر به‌منظور شکل‌دهی ورق‌های فلزی از اواسط دهه 1980 آغاز شد. تغییر پارامترهای فرایندی از جمله توان لیزر، سرعت اسکن لیزر و نسبت قطر پرتو به ضخامت ورق باعث تغییر در مکانیزم‌های شکل‌دهی در این فرایند گردید. گیگر و ولرتسن [4] سه مکانیزم فرایند شکل‌دهی با پرتو لیزر را شناسایی نمودند که عبارت از مکانیزم شیب دمایی، مکانیزم خمش کمانشی و مکانیزم کوتاه‌کردن میباشد. یک مطالعه تجربی در زمینه اثر کلیه عوامل موثر بر خمکاری ورق‌های فلزی توسط شیچون و همکارش [11] صورت گرفته است. به این ترتیب، پارامترهای موثر بر زاویه خم حاصل از فرایند شکل‌دهی با لیزر به سه دسته پارامترهای وابسته به انرژی لیزر، پارامترهای وابسته به جنس ورق و پارامترهای هندسی ورق تقسیم میگردد.
یانجین و همکارانش [12] اثر مشخصات ماده در شکل‌دهی ورق‌های فلزی را بررسی نموده‌اند. براساس نتایج ارائه شده، ضریب انبساط حرارتی رابطه مستقیم با مقدار شکل‌دهی دارد. افزایش رسانش حرارتی عامل محدودکننده شکل‌دهی نهایی است. همچنین، زاویه خم با کاهش گرمای ویژه و دانسیته افزایش پیدا می‌کند. جمیل و همکارانش [7] به بررسی عددی اثر هندسه پرتو تابشی مستطیل شکل بر مقدار زاویه خم و همچنین جهت خمش پرداخته است. نتایج این بررسی نشان میدهد که هرچه نسبت طول به عرض پرتو، در راستای پیمایش ورق بلندتر باشد، مقدار خمش حاصل بیشتر میگردد.
بررسی عددی زاویه خمش نهایی در ورق‌هایی که دارای پیش بار هستند توسط یائو و همکارانش [13] در نرمافزار اجزای محدود انجام شده است. نتایج این بررسی نشان میدهد که اگر ورق دارای پیش بار کاملا فشاری یا کاملا خمشی (هم جهت با منبع لیزر) باشد، زاویه خم افزایش می‌یابد. همچنین، اگر ورق دارای پیش بار کاملا فشاری یا کاملا خمشی (در خلاف جهت با منبع لیزر) باشد، زاویه خم کاهش می‌یابد. همچنین، بررسی زاویه خم در فرایند شکل‌دهی چند مرحله‌ای با بهره گرفتن از لیزر توسط ادواردسن و همکارانش [14] انجام شده است. اثر عوامل مختلف نظیر کارسختی، تغییرات ضریب جذب بر مقدار زاویه خم مورد مطالعه قرار گرفته و علت کاهش میزان شکل‌دهی به ازای افزایش تعداد پاس‌های پیمایش لیزر تشریح گردیده است.
در زمینه شکل‌دهی ورق‌های آلومینیم به‌کمک لیزر، لابیز [15] مراحل مدلسازی قطعه به‌منظور شبیه‌سازی بهینه این فرایند را در نرمافزار Ansys تشریح می کند. در این مقاله، ضخامت پایین قطعات شکل‌داده‌شده، ضریب رسانش حرارتی بالا و بازتابش سطحی بالای ورق‌های آلومینیم به عنوان عوامل محدودکننده شکل‌دهی ورق‌های آلومینیومی مطرح شده است. شن و همکارش[16] تغییر مشخصه های مکانیکی فولاد کم‌کربن پس از انجام فرایند شکل‌دهی با لیزر را بررسی کرده است. براین اساس، استحکام تسلیم و کششی ورق افزایش یافته است. همچنین، درصد افزایش طول پیش از شکست کاهش می‌یابد.
لیو و همکارانش [17] به بررسی تجربی پارامترهای فرایندی به‌منظور دستیابی به زاویه خم در جهت خلاف تابش پرتو با سازوکار خمش کمانشی پرداخته است. وجود پیش‌تنش‌های ناشی از پیش‌خمش‌های الاستیک در جهت خلاف تابش پرتو و همچنین تنظیم پارامترهای لیزر میتواند به ایجاد مطمئن خمش منفی کمک نماید. شکل‌دهی مواد ترد نظیر سیلیکون تک‌کریستال و سرامیک Al2O3 با بهره گرفتن از دو نوع لیزر CO2 و Nd:YAG توسط دنگ‌جیانگ و همکارانش[18] انجام شده است. استفاده از دماهای بالاتر، با انتخاب مناسب پارامترهای فرایندی، جهت اجتناب از شکست ترد شرط لازم انجام‌پذیری فرایند در این دسته از مواد میباشد.
کوادرینی و همکارانش[19] به مطالعه تجربی خم‌کردن ورق‌های فوم حفره‌باز آلومینیم با چگالی‌های متفاوت پرداخته است. این مطالعه نشان میدهد که به‌منظور ایجاد زاویه‌های خم بالا در این دسته از مواد، که امکان شکل‌دهی آن با روش‌های معمول مکانیکی وجود ندارد، میتوان از فرایند شکل‌دهی با لیزر بهره برد. ناپفر و همکارانش[20] اثر انرژی خطی لیزر و تعداد پاس‌های اسکن بر میزان کرنش در راستای ضخامت ورق‌های فولاد کم‌کربن و آلومینیم بررسی نموده است. نتایج نشان میدهد که هرگاه ساز وکار گرادیان دمایی فعال باشد، هر دو پارامتر انرژی خطی و تعداد پاس با شیب کرنش در راستای ضخامت نسبت مستقیم دارد.
وانگ و همکارانش [21] به بررسی تجربی فرایند شکل‌دهی ورق‌های سیلیکونی با لیزر و همچنین تحلیل اجزای محدود آن به‌منظور پیش‌بینی میدان دمایی پرداخته است. در این فرایند، استفاده از سازوکار‌های ترکیبی با تنظیم پارامترهای لیزر پالسی به ایجاد زاویه خم بزرگتر از یک‌درجه در ورق‌های سیلیکونی انجامیده است. شی و همکارانش [22] یک روش جدید حرارت‌دهی به‌منظور افزایش دقت شکل‌دهی با سازوکار کوتاه‌کردن ارائه کرده است. در این روش، سطح بالایی و پایینی ورق به‌طور هم‌زمان تحت حرارت‌دهی پرتو لیزر قرار میگیرد و به‌این ترتیب، امکان ایجاد این سازوکار با قطر پرتو کوچک‌تر و سرعت اسکن بالاتر فراهم میگردد.
[1] Heat Affected Zone (H.A.Z.)
:
در این تحقیق ، کمانش جانبی – پیچشی تیرهای لانه زنبوری با باز شو سینوسی شکل با عملکرد تیر و ستون تحت شرایط بارگذاری متفاوت مورد بررسی عددی قرار گرفته است و اهمیت آن اینست که به واسطه ی وجود حفره هایی در جان این تیر ها ، با وجود افزایش مقاومت خمشی آنها ، جان ها ضعیف گردیده و در نتیجه پیش بینی رفتار آنها در هنگام بارگذاری را مشکل ساخته است، بخصوص نسل جدید این تیرها (با بازشوی سینوسی ) که این نیاز وجود دارد تا رفتارشان بخصوص رفتار کمانشی آنها – که پدیده کمانش باعث می شود تیرها یا ستون ها تحت تنش های به مراتب کمتر از مقاومت های خمشی یا فشاری (در ستون) شان به حد جاری شدن و تسلیم برسند. – را مورد بررسی قرار داد. در این تحقیق از مدلسازی رایانه ای در جهت بررسی رفتار کمانشی، استفاده گردیده است.
1 – 2 – تعریف تیرهای لانه زنبوری :
دلیل نامگذاری تیرهای لانه زنبوری ، شکل گیری این تیرها پس از عملیات ( بریدن و دوباره جوش دادن ) و تکمیل پروفیل است. این گونه تیرها در طول خود دارای حفره های توخالی (درجان) هستند که به لانه ی زنبور شبیه است به همین سبب به اینگونه تیرها لانه زنبوری می گویند.
شکل 1 – 1
چگونه تعریف می شوند:
هنگامیکه یک تیر با بال بزرگ ، با الگوهای استاندارد سوراخ دار می شود.ارتفاع تیر تا 50% تقریبا افزایش می یابد. بطور مثال یک تیر با مقطع W12*14 با ارتفاع اسمی 12 اینچ تبدیل می شود به یک تیر لانه زنبوری با ارتفاع اسمی 18 اینچ که مقطع بدست آمده CB 18*14 نامیده میشود.
CB = تیر با جان باز شش ضلعی لانه زنبوری (LB برای تیرهای با جان باز دایره ای)
18 = عمق نسبی برحسب اینچ ( 5/1 برابر عمق اسمی مقطع بال پهن اولیه )
14 = وزن اسمی در واحد فوت ( Plf )
اگر تیر لانه زنبوری در نهایت نیاز باشد که گالوانیزه شود ( روی اندود ) برای حداقل کردن افزایش تنش در حین مرحله ی گالوانیزاسیون توصیه میشود که از بازشو دایره ای استفاده گردد.شکل بازشوها بسته به طول دهانه، اتصالات انتهایی ، میزان باربری و یا هم ردیف کردن بازشوهای تیرهای مجاور ، متغیر می باشد.بعضی مواقع تیر لانه زنبوری از دو قسمت با ابعاد متفاوت درست می شود، از ترکیب یک تیر سبک در نیمه بالای و یک تیر سنگینتر در نیمه ی پایینی هر دوقسمت تهیه شده باید داری عمق نسبی یکسان و اختلاف ضخامت تا اینچ باشند.
این نوع تیرها معمولا در سازه های مرکب بکار می روند در جایی که دال بتنی نقش بال پهن بالایی را برای تیر بازی می کند. CB 18 *14/26 مثالی از نامگذاری یک تیر نا متقارن میباشد که:
CB = تیر لانه زنبوری) LB بازشوی دایره ای)
18 = عمق نسبی برحسب اینچ ( 5/1 برابر عمق اسمی مقطع بال پهن اولیه )
14 = وزن اسمی نیمه ی بالای تیر در واحد فوت ( Plf )
26 = وزن اسمی نیمه ی پایینی تیر در واحد فوت ( Plf )
شکل 1 – 2
1 – 3 – هدف از ساخت تیرهای لانه زنبوری :
هدف اینست که تیر بتواند ممان خمشی بیشتری را با خیز ( تغییر شکل ) نسبتا کم ، همچنین وزن کمتر در مقایسه با تیر نورد شده مشابه تحمل کند ، برای مثال ، با مراجعه به جدول تیرآهن ارتفاع پروفیل IPE-18 را که 18 سانتی متر ارتفاع دارد ، می توان تا 27 سانتیمتر افزایش داد.
1 – 4 – محاسن و معایب تیر لانه زنبوری :
در مدت ده سال ، کاربرد تیرهای لانه زنبوری افزایش داشته است هم در سازه های فلزی و هم در کشف روش های نوین سازه ایی.استفاده از تیرهای لانه زنبوری منجر به اصطلاحات جدید معماری میگردد.سازه ها سبکتر میشوند و طول دهانه ها افزایش می یابند.این انعطاف پذیری همراه با عملکرد اجازه ی نصب تاسیسات فنی ( لوله ها و داکت ها ) وعبور آن از میان بازشوها میباشد. ظاهر سبک تیرهای لانه زنبوری در ترکیب با مقاومت بالایشان ، هیچگاه دست از ترقیب معماران در طراحی سازه های جدید برنداشته
است.پیشرفتهایی صورت گرفته است برروی عواملی که باعث گسترش کاربرد تیرهای لانه زنبوری شده اند؛با توجه به مثال گفته شده در بالا با تبدیل تیرآهن معمولی به تیرآهن لانه زنبوری، اولا مدول مقطع و ممان اینرسی مقطع تیر افزایش می یابد. ثانیا مقاومت خمشی تیر نیز افزوده می گردد. در نتیجه تیری حاصل می شود با ارتفاع بیشتر ، قوی تر و هم وزن تیر اصلی. ثالثا با کم شدن وزن مصالح و سبک بودن تیر، از نظر اقتصادی مقرون به صرفه تر خواهد بود. رابعا از فضاهای ایجاد شده ( حفره ها ) در جان تیر می توان لوله های تاسیساتی و برق را عبور داد. در ساختن تیر لانه زنبوری که منجر به افزایش ارتفاع تیر می شود، باید استاندارد کاملا رعایت گردد در غیر اینصورت ، خطر خراب شدن تیر زیر بار وارد شده حتمی است.
از جمله معایب تیرهای لانه زنبوری ، وجود حفره های آن است که نمی تواند تنشهای برشی را در محل تکیه گاه های پل به ستون یا اتصال تیرآهن تودلی ( تیرفرعی ) به پل لانه زنبوری تحمل کند، بنابراین ، برای رفع این عیب ، اقدام به پرکردن بعضی حفره های با ورق فلزی و جوش می کنند تا اتصال بعدی پل به ستون یا تیر فرعی به پل به درستی انجام شود. تیر لانه زنبوری در ساختمان اسکلت فلزی می تواند به صورت پل فقط در یک دهانه یا به صورت پل ممتد به کار رود. برای ساختن تیر لانه زنبوری دو شیوه موجود است. اگرچه بحث های بسیاری پیرامون تیرهای لانه زنبوری ، اخیرا مطرح شده است و به عقیده گروهی از طراحان به علت مسائل اجرائی آن ، خصوصا جان تیر و اتصال آن توسط جوش ( زیرا همانگونه که میدانیم ، اتصالات نقش کلیدی و تعیین کننده ای در انتقال بار از یک عضو به عضو یا اعضای دیگر دارند و در صورت اجرای نا مطلوب آن، به میزان زیادی از باربری یا مقاومت المان سازه ای کاسته خواهد شد در نتیجه مساله نظارت موثر بر اجرای عملیات جوشکاری ، اهمیت بسزایی در کیفیت کلی سازه خواهد داشت.) همچنین ضعفی که درناحیه جان تیر در اثر کاهش مساحت آن وجود دارد از نقاط ضعف این تیرهاست.
مساله لهیدگی جان ( web crippling ) نیز در قسمت اتصال مقطع برش داده شده وجود دارد، که بسیار حائز اهمیت می باشد. در نواحی که خصوصا بار متمرکز وجود دارد و یا در نزدیکی تکیه گاه ها که برش عامل موثری است، کنترل لهیدگی جان باید مورد توجه بیشتری قرار گیرد ، زیرا در این نواحی مقاطع حالت بحرانی تری نسبت به سایر قسمت ها دارند. البته قسمت اعظم این کاستی ها را می توان با استفاده صحیح و بهینه ورق های تقویتی بر طرف نمود و بعضا در مواردی که باز هم علی رقم همه تدابیر اتخاذ شده ، اساس مقطع لازم بدست نیامده باشد ، از تیر لانه زنبوری دوبل استفاده می شود. در نگاهی ، محتاطانه ، استفاده از تیرهای لانه زنبوری از ضریب اطمینان یا ایمنی کمتری نسبت به سایر مقاطع برخوردارند. اما استفاده گسترده از این نوع تیر ها به سبب مزایایی که آنها را به اختصار بر شمردیم ، هنوز هم در مقیاس وسیعی از کارهای ساختمانی متداول است. بیشترین مزیت تیرهای لانه زنبوری که در حقیقت مقطعی غیر فشرده است، در مقایسه با سایر مقاطع استاندارد ( فشرده ) ایجاد ممان اینرسی نسبتا خوب آن حول محور قوی تیر (X) می باشد که به سبب ایجاد فاصله بال ها از محور خنثی و افزایش ارتفاع تیر می باشد، بنابراین مقاومت خمشی تیر که مهمترین نقش آن نیز می باشد افزایش یافته ، همچنین سختی آن نیز بیشتر می گردد. از آنجائیکه جان این گونه تیرها در قسمت هایی توخالی است ، در نتیجه باعث خواهد شد که وزن سازه به میزان قابل توجهی کم گردد. در اثر کاهش وزن سازه ، مولفه های نیروی زلزله که ارتباط مستقیم با وزن سازه دارد نیز کم می گردد و در نتیجه سازه ایمن تر خواهد بود و عملکرد مناسبتری را توام با انعطاف پذیری بیشتر در بر خواهد داشت. حتی این کاهش وزن در تیرها ، باعث کاهش وزن مرده ساختمان خواهد گردید که در نتیجه ی آن ، بار کمتری به عناصر اصلی سازه ، خصوصا ستون ها وارد خواهد گردید.
از سوی دیگر بهینه ترین وضعیت در طراحی سازه ها ، اقتصادی بودن آن می باشد که در تیرهای لانه زنبوری به دلیل آنکه مقطع هر تیر به صورت زاویه دار ( زیگ زاگ ) توسط دستگاه برش بریده می شود و سپس با جابجایی دو قسمت آن به هم تیر به صورت لانه زنبوری در خواهد آمد، صرفه جویی نسبی در مصرف فولاد صورت خواهد گرفت. از لحاظ تاسیسات ساختمان نیز اینگونه تیرها مورد استقبال قرار می گیرند ، زیرا که می توان از فضاهای خالی در جان تیر عبور لوله های تاسیسات و یا کابل های برق استفاده نود و این موضوع شاید یکی از نقاط قوت منحصر بفرد این گونه تیرها است. ملاحظه می شود که تیرهای لانه زنبوری با توجه به مطالب ذکر شده به میزان چشمگیری از ارتفاع سقف می کاهند که خصوصا در مواقعی که طرح های معماری محدودیت زیادی را در ساختمان به صورت اعم و در ناحیه سقف به صورت اخص به طراحان سازه تحمیل می کنند و به هیچ عنوان افزایش ضخامت سقف ممکن و میسر نباشد تیرهای لانه زنبوری بهتر از سایر مقاطع نورد شده نقش انتقال بار را به سایر عناصر بازی خواهند کرد ، حتی در مواردی که تیر با ارتفاع متغیر مورد نیاز است، مانند بعضی از سازه های صنعتی و یا تیرهای مورد استفاده در تیر ریزی بام ، با تغییر برش تیر ، تیر مورد نظر را بسیار ساده و ارزان می توان آماده نمود، که این کار تنها با برش مورب زیگ زاگها در جان تیر ممکن خواهد شدو مزایای فوق الذکر باعث ترغیب طراحان در استفاده از تیرهای لانه زنبوری می شود و به عنوان گزینه مطلوبی مورد استفاده همه جانبه قرار میگیرد.
1 – 4 – 1 – آزادی در طراحی:
تیرهای لانه زنبوری ، آزادی بیشتری در طراحی سازه های بزرگتر میدهند و همچنین راندمان پروژه را افزایش داده در حالیکه هزینه های پروژه را کاهش می دهند. علاوه بر آن ، این تیرها نسبت به بتنی ازلحاظ فضا و هزینه از راندمان بالاتری برخوردار هستند. برای پارکینگ ها ، بیمارستان ها و اغلب پروژه هایی که فضا مدنظر قرار دارد، این تیرها مقطعی سبک و خمیده را با ظاهر سازه ای زیبا ارائه می دهند.
1 – 4 – 2 – آزادی در انتخاب:
تطبیق پذیری این نوع تیرها با کاربردشان در طیف وسیعی از انواع ساختمان ها،در اندازه ها و استفاده های خاص، نمایان میشود. علاوه بر زیبایی معماری، مقاومت این تیرها میتواند دقیقا هماهنگ با راندمان هزینه ای باشد.معماران در حال حاضر وسیله ای را در اختیار دارند برای طراحی بهتر فضاها. مهندسان سازه هم ، وسیله ای را در اختیار دارند در کاهش ویا حذف هزینه های سنتی ،که در پروژه به نوعی پذیرفته شده اند. نصاب ها هم نصب این تیرها را نسبت به بتنی سریعتر و راحتر می دانند.کارفرمایان سود بیشتری نصیبشان میشود از ساختمانهایی که با فضای مفید بیشتری اجرا شده و رها میباشند از بند هزینه ها و محدودیت های اجرایی که دیگر روش های ساخت در معرض آنها قرار دارند:
1- 50% عمیق تر با ارتفاع تا 66 اینچ ( برابر 5/167 سانتیمتر ).
2- تا 40% ظرفیت لنگر بیشتر.
3- عبور لوله های تاسیسات از درون بازشوها.
4- تیری بلند تر و مقاوم تر با فولاد کمتر.
5- دهانه های تا 90 فوت ( برابر 27 متر ).
6- قابل اجرا بصورت مستقیم و خمیده.
7- در دسترس بودن آنالیز لرزه ای.
8- قابلیت گاوانیزه شدن ( لایه اندود شدن ).
9- به راحتی در برابر آتش سوزی مقاوم سازی میشوند.
10- از 90% فولاد بازیافتی درست می شوند.
1 – 5 – روش اجرا – تولید:
الگوی روش بکار رفته در تولید این نوع تیرها بر مبنای کاربردی خاص از نورد گرم مقاطع می باشد. دوبار برش توسط برش شعله در جان صورت می گرد.دو مقطع T شکل جابجاشده و به هم دوباره جوش داده میشوند که منجر به افزایش ارتفاع تیر می گردد.توضیح بیشتراینکه روش تهیه تیرهای لانه زنبوری از این قرار است که ابتدا در روی جان تیر آهن نورد شده با بهره گرفتن از الگو که بصورت شش ضلعی از ورق آهن سفید 0.5 میلیمتری (شابلن) با توجه به استاندارد ساخته شده خط دار می گردد، سپس تیرآهن را روی یک شاسی افقی با زدن تک خال جوش در نقاط مختلف برای جلوگیری از تاب برداشتن قرار می دهند. آن گاه با بهره گرفتن از دستگاه برش (برنول) در امتداد خط منکسر اقدام به برش می کنند تا پروفیل به دو قسمت بالا و پایین تقسیم شود. حال اگر قسمت بالا را به اندازه یک دندانه جابجا کنیم و دندانه های دو قسمت بالا و پایین را به دقت مقابل هم قرار دهیم و از دو طرف کارگر ماهر آنرا جوشکاری کند با بهره گرفتن از جوش قوسی نیمه اتوماتیک برای اتصال دو نیمه بریده شده، یک جوش خوب ، بی عیب ، سریع و مقرون به صرفه خواهد بود . همان طور که در مطالب قبلی نیز گفته شد ، تیر ساخته شده در محل تکیه گاه ها با توجه به حفره های داخلی آن در مقابل تنشهای برشی ضعیف می شود. برای جبران این نقیصه ، با توجه به منحنی نیروی برشی نیز به پرکردن حفره ها با ورق در تکیه گاه به وسیله جوش، کاملا پر می شود . در پایان یادآور می شوم که یک نوع دیگر از پروفیلهای لانه زنبوری را پس از بریدن قطعات بالا و پایین، ورق واسطه اضافه می کنند که این ورق واسطه بین دندانه ها جوش می شود. در نتیجه ، تیر حاصل به مراتب قویتر از تیری است که بدون ورق واسطه ساخته می شود.
محصول بدست آمده داری ممان اینرسی بیشتر با همان وزن خواهد بود. فرایند برشکاری، بصورت کامپیوتری به منظور انطباق کامل بازشوها بر روی هم ، کنترل می شود. و تولید موازی چند تیر هزینه تولید را کاهش می دهد.
لوله های چهار گوش به طور گسترده در صنایع مختلف به کار برده میشود. از سطح داخلی این لولهها بعنوان مسیر حرکت سیال، مسیر هدایت امواج الکتریکی و یا بعنوان قالب انجماد استفاده میگردد. روش های مختلفی شامل اکستروژن، کشش و فشار(سرد و گرم) و فورج برای تهیه این لوله ها به کار می‌رود. یکی دیگر از این روش‌ها شکل‌دهی غلتکی لوله مدور و تبدیل آن به لوله چهارگوش میباشد. بوسیله این فرایند میتوان به محصولی با دقت ابعادی، خواص مکانیکی مانند سختی و استحکام بیشتر دست یافت بعلاوه محصولات بدست آمده توسط این روش لوله های چهارگوش بدون درز است که از لوله گرد ریخته‌گری شده بدست می‌آیند. علیرغم قدمت و کاربرد روز افزون شکل‌دهی غلتکی سرد، تعداد کارهای عملی و تحقیقاتی انجام شده در این زمینه، خصوصاً شکل‌دهی مجدد لوله های گرد به غیر گرد، در مقایسه با سایر فرایندهای شکل‌دهی فلزات کم است.
در این فصل ابتدا در مورد قطعه مورد نظر توضیحاتی داده می شود و پس از آن مروری بر کارهای گذشته انجام میشود.
1-2 معرفی قطعه مورد بررسی
قطعه مورد بررسی عبارت است از یک پروفیل دو بعدی (شکل1-1). این لوله ها در ساخت ژنراتور(شکل1-2) استفاده میگردد و وظیفه انتقال جریان برق را برعهده دارد و از طرفی جهت خنک شدن این لوله ها از داخل آن ها جریان هوای سرد عبور می‌کند. این قطعات در شرکت مهندسی و ساخت ژنراتور مپنا که یکی از از زیر مجموعه های گروه مپنا میباشد مورد استفاده قرار میگیرد. تاکنون این قطعات از شرکت Ansaldo که یک شرکت ایتالیایی میباشد وارد می‌شده است و در حال حاضر تدوین دانش فنی ساخت این قطعه در کشور مورد نیاز میباشد.
شکل 1-1 مقطع کنداکتور
یکی از روش های ممکن برای تولید لوله های چهارگوش روش اکستروژن میباشد. قطعه مورد بررسی از جنس مس میباشد به همین دلیل از هدایت حرارتی بالایی برخورد دار است و اکستروژن گرم آن مشکل است.
به دنبال روشی می باشیم که بتوان از روش کار سرد، لوله ای با مقطع دایره ای را به مقطع مورد نظر تبدیل کنیم. در این زمینه تحقیقاتی صورت گرفته است که در بخش های بعدی به توضیح بیشتر در این زمینه می‌پردازیم.
1-3 مروری بر کارهای انجام شده
پیش از این، روش‌های تجربی، تحلیلی و عددی متفاوتی برای بررسی فرایند شکل‌دهی غلتکی لوله انجام گردیده است. نتایج بدست آمده برخی از این تحقیقات با اندازه گیری تجربی مطابقت خوبی را نشان میدهد.
کیوچی1 تاثیر متغیر های فرایند و برنامه عبور لوله برای حالتی که در آن لوله دوار اولیه با جداره نازک به لوله ای با مقطع مربعی تبدیل می شود را در مورد فرایند نورد غلتکی سرد بصورت آزمایشی و تقریبی مورد بررسی و تحقیق قرار داده است. توزیع تغییر ضخامت دیواره در سطح مقطع لوله برای هر مرحله از فرایند شکل‌دهی ،تاثیرات نحوه عبور لوله از غلتکها بر روی شعاع گوشه‌های سطح مقطع مربعی محصول و بدست آمدن حداقل شعاع گوشه ها مورد تحقیق قرار گرفته است[1و2].
ون2 در مورد استفاده از طراحی های پیشرفته ابزار برای شکل‌دهی لوله گرد به لوله‌های مربعی بحث کرده است. با بهره گرفتن از این یک روش شبیه سازی عددی ،مثل روش اجزا محدود، مقدار انقباض محیطی لوله را در این فرایند محاسبه نموده و ابعاد گرد اولیه لوله را به دست آورده است. وی تاثیر پارامترهای مانند ابعاد لوله نهایی، مقدار تغییر شکل در هر مرحله، تعداد مراحل و . . . را بر روی گوشه های لوله بررسی کرده است[3].
اونادا3 و همکارانش ویژگی‌های تغییر شکل لوله‌های فولادی گرد که به وسیله فرایند شکل‌دهی اکسترول به لوله‌های مربعی تبدیل میشوند را با توجه با اندازه گیری‌های تجربی و نتایج محاسبه شده بوسیله روش اجزا محدود برای ماده صلب-پلاستیک مورد بحث قرار داده‌اند[4و5].
بایومی2 یک روش تحلیلی برای تولید لوله های چند ضلعی منتظم فلزی از لوله گرد به روش کشش سرد با عبور از درون یک مجموعه غلتک‌های تخت و در طی یک مرحله ارائه داده است(شکل1-2). این حل بر بدست آوردن یک میدان سرعت مجاز مبتنی است که شرایط دینامیکی برای ایجاد مؤلفه‌های نرخ کرنش را ارضا می‌کند. اثرات شکل مقطع خروجی، میزان اصطکاک در سطح تماس لوله و غلتک، شعاع غلتک و ضخامت دیواره بر روی میزان بار وارده بر غلتکها و نیروی کشش مورد نیاز برای انجام فرایند تحقیق شده است]6[.
شکل1-2 تولید لوله های چند ضلعی (a) نحوه چیدمان غلتک ها (b) مقاطع چند ضلعی منتظم مختلف]6[
مسلمی نائینی یک شبیه سازی عددی جدید و ساده به نام FDM برای تحلیل دوبعدی تغییر شکل الاستیک-پلاستیک لوله در فرایند شکل‌دهی مجدد لوله گرد به لوله های گرد فرایند شکل‌دهی مجدد لوله های گرد به لوله‌های غیر گرد با بهره گرفتن از ترکیب روش اجزا محدود و روش تفاضل محدود تعیین نموده است]7[.
لئو1 فرایند شکل دهی مجدد لوله های مربعی را با بهره گرفتن از چهار صفحه تخت انجام داده است. در این روش لوله گرد اولیه ابتدا گیره بندی شده و سپس چهار صفحه تخت به صورت تدریجی باعث تغییر شکل لوله گرد به حالت چهار گوش میگردد. وی با بهره گرفتن از روش اجزای محدود به بررسی پارامترهای موثر بر روی این فرایند مانند ضریب اصطکاك،ضریب کرنش سختی، نرخ هندسی (R / t ) بر روی عیوب تورفتگی دیواره ها در فرایند چهارگوش کردن وتعیین نیروی شکل دهی پرداخته است (شکل1-3)]8و9و10[.
شکل1-3 تبدیل لوله مربعی توسط چهار صفحه]10[
هوانگ یانگ مینگ1 در تحقیقی دیگر به روش اجزاء محدود الاستو پلاستیک به بررسی تاثیر پارامترهایی همچون اصطکاك، نرخ هندسی،جنس لوله ها و میزان کاهش ارتفاع بر روی نیروی شکل دهی و حالت های خرابی پیش آمده در تبدیل لوله های چهار گوش از لوله گرد اولیه بااستفاده ازقالب های V شکل پرداخته است(شکل1-4)]11[.
شکل1-4 تولید لوله مربعی توسط قالب V شکل]11[
بایومی1 و همکارانش به بررسی و تعیین نیروهای شکل دهی و کشش در تبدیل لوله های گرد به لوله های چهار گوش به وسیله چهار صفحه پرداخته‌اند. این تحلیل به کمک یک روش تحلیلی و به کمک روش اجزا محدود در نرم افزار های ABAQUS و LS-DYANA 3D انجام شده وبه منظور تایید و مقایسه نتایج شبیه سازی و تحلیلی یک سری آزمایشات تجربی انجام شده است(شکل1-5) ]12[.
شکل1-5 تغییر شکل لوله توسط اعمال نیرو از چهار طرف]12[
ابری نیا و فرهمند یک روش تحلیلی مبتنی بر تئوری حد بالا برای نورد لوله گرد و تبدیل آن به لوله مربعی ارائه نموده‌اند. تاثیر پارامترهای فرایند مانند شعاع غلتک، قطر لوله اولیه، مقدار کاهش ارتفاع غلتکها بر روی محصول نورد شده مورد بررسی قرار گرفته است. به منظور مقایسه و تایید نتایج شبیه سازی یک سری آزمایشات تجربی انجام شده است. کمیت هایی همچون انرژی، ضخامت دیواره و شعاع گوشه های محصول نهایی اندازه گیری و ارائه گردیده است(شکل1-6)]13[.
ای بر ارتعاشات توربین بادی محور افقی.. 22
1-8-1 نیروهای تحریک و درجات آزادی ارتعاشی.. 23
1-8-2 ارتعاشات پرههای باریک توربین بادی.. 25
1-9 کارت دینامیکی پره توربین بادی (نمودار کمپبل) 27
1-10 تاریخچهی کارهای انجام شده در زمینهی آنالیز دینامیکی پرهی توربین بادی.. 28
1-11 کار حاضر و اهداف پروژه. 31
1-11-1 مشخصات توربین بادی مورد مطالعه. 32
1-12 محتوای فصلهای بعدی.. 33………34
2-1 فرمول‌بندی ارتعاشات خمشی لبهای تیر چرخان.. 35
2-1-1 تغییر مکان نقاط تیر. 36
2-2 تئوری تیر تیموشنکو. 37
2-2-1 ضریب اصلاح برشی.. 40
2-3 محاسبه انرژی‌های جنبشی و کرنشی.. 42
2-4 اصل همیلتون.. 44
2-4-1 تغییرات مجازی انرژی جنبشی.. 44
2-4-2 تغییرات مجازی انرژی کرنشی.. 45
2-4-3 تغییرات مجازی انرژی پتانسیل ناشی از بارهای اعمال شده به سیستم.. 45
2-4-4 معادلات دیفرانسیل حرکت سیستم برای حالت لبهای.. 47
2-5 گسسته سازی معادلات حرکت… 48
2-5-1 محاسبه توابع شکل.. 48
2-6 فرمول‌بندی ارتعاشات خمشی لبهای بر اساس تئوری تیر اویلر- برنولی.. 61
2-7 فرمول‌بندی ارتعاشات خمشی بالزدن تیر چرخان.. 63
2-7-1 تغییر مکان نقاط تیر. 63
2-7-2 محاسبه انرژی‌های جنبشی و کرنشی.. 65
2-7-3 معادلات دیفرانسیل حرکت سیستم در حالت بالزدن. 67
2-7-4 گسسته سازی معادلات حرکت… 68
2-8 فرمول‌بندی ارتعاشات خمشی بالزدن بر اساس تئوری تیر اویلر- برنولی.. 72
فصل سوم: تحلیل ارتعاشات پره توربین بادی به کمک نرمافزار و استخراج پارامترهای مودال………73
3-1 روش مدلسازی و تحلیل نرمافزاری.. 74
3-1-1 روش نرمافزاری اجزا محدود. 74
3-1-2 نرمافزار اجزاء محدود آباکوس… 75
3-2 فرضیات بکار رفته در استفاده از نرمافزار. 75
3-3 فرایند تحلیل نرمافزاری.. 76
3-3-1 مدلسازی پره توربین بادی.. 76
3-3-2 تعریف خصوصیات ماده 76
3-3-3 تعیین نوع حل.. 76
3-3-4 تعریف شرایط مرزی و بارگذاری.. 77
3-3-5 مشبندی یا شبکهبندی.. 78
3-4 اعتبارسنجی.. 81
3-5 نتایج تحلیل نرمافزاری پره توربین بادی.. 86
3-5-1 تحلیل فرکانسی پره توربین بادی.. 86
3-5-2 تحلیل فرکانسی پره توربین بادی با در نظر گرفتن سرعت دورانی روتور. 87
3-5-3 مقایسه فرکانسهای طبیعی تئوریهای اویلر- برنولی و تیموشنکو. 93
3-5-4 بررسی اثر لایهچینی مواد کامپوزیتی بر روی فرکانسهای طبیعی 93
3-5-5 بررسی اثر سرعت دورانی بر روی فرکانسهای طبیعی.. 97
3-5-6 بررسی اثر ضخامت پوسته پره توربین بادی بر روی فرکانسهای طبیعی.. 98
3-5-7 بررسی اثر شعاع هاب روتور بر روی فرکانسهای طبیعی.. 99
3-5-8 بررسی پاسخ گذرای سیستم تحت یک ضربهی فشاری.. 100
4-1 نتیجهگیری.. 103
4-2 پیشنهادات… 105
مراجع ……………………………………………106
1-1 پیشگفتار
با گسترش روز افزون جوامع انسانی و توسعه جوامع مختلف، نیاز به منابع انرژی در حال افزایش است. از سوی دیگر منابع فسیلی در جهان رو به اتمام هستند، این منابع از نظر اندازه و مقدار محدود بوده و در ضمن آلاینده محیط زیست نیز محسوب میشوند. از این رو در سالهای گذشته، گرایش به استفاده از منابع نوین و تجدیدپذیر انرژی رو به فزونی گذاشته است که یکی از ارزانترین و در دسترسترین آنها انرژی باد است. بررسی میزان استفاده از این انرژی در سالهای اخیر به خوبی گویای اهمیت و جایگاه آن در تامین انرژی در سطح جهان است.
در حال حاضر انرژی باد با رشد متوسط سالیانه بیش از 26 درصد از سال 1990 به بعد، بالاترین میزان رشد را در بین منابع مختلف انرژی داشته است. با این وجود هنوز هم از پتانسیل جهانی انرژی بادی به طور کامل استفاده نشده است. از نظر تاریخی بازار انرژی بادی عمدتاً تحت کنترل پنج کشور آلمان، اسپانیا، ایالات متحده آمریکا، هند و دانمارک بوده است.
اما طی سالهای اخیر بسیاری از کشورهای توسعه یافته و در حال توسعه در صدد توسعه بهره گیری از انرژی باد بوده اند و چندین کشور خارج از اروپا و ایالات متحده در حال حاضر گامهای اولیه برای توسعه بازارهای تجاری با مقیاس بزرگ انرژی بادی را برداشته اند. اهداف سیاسی برای انرژی بادی در حال حاضر در 45 کشور دنیا و از جمله 10 کشور در حال توسعه وضع گردیده است. چین به تنهایی طی سالهای اخیر هدف خود را تولید 30 گیگاوات برق بادی تا سال 2020 قرار داده است و این در حالی است که پتانسیل بهره گیری از انرژی باد در این کشور و سایر کشورها بسیار بالاتر از ارقام ذکر شده میباشد. نمودارهای زیر حاوی اطلاعاتی در زمینه روند توسعه توربین بادی در سالهای گذشته است (شکل 1-1 و شکل 1-2).
شکل1-1: ظرفیت کلی برق بادی جهان، 1996-2012]11[.
شکل1-2: ظرفیت سالیانه برق بادی در نواحی مختلف جهان از سال 2004 تا 2012 ]11[.
1-2 انواع توربینهای بادی پیشرفته
توربینهای بادی پیشرفته از نظر محور گردش پرههای روتور به دو دسته تقسیم‌بندی میشوند: توربینهای بادی با محور عمودی[1] و توربینهای بادی با محور افقی[2] (شکل1-3).
شکل1-3: انواع توربینهای بادی پیشرفته: a) توربین بادی با محور عمودی b) توربین بادی با محور افقی]12[.
1-2-1 توربینهای بادی با محور عمودی
توربینهای بادی با محور عمودی از دو بخش اصلی تشکیل شدهاند: یک جزء اصلی که رو به باد قرار میگیرد و جزءهای عمودی دیگری که عمود بر جهت باد کار گذاشته میشوند. این توربینها شامل قطعاتی با اشکال گوناگون بوده که باد را در خود جمع کرده و باعث چرخش محور اصلی میگردد. ساخت این توربینها بسیار ساده بوده ولی بازده پایینی دارند. در این نوع توربینها در یک طرف توربین، باد، بیشتر از طرف دیگر جذب میشود و باعث میگردد که سیستم لنگر پیدا کرده و بچرخد. یکی از مزایای این سیستم وابسته نبودن آن به جهت وزش باد میباشد.
1-2-2 توربینهای بادی با محور افقی
توربینهای بادی با محور افقی نسبت به مدل محور عمودی رایجتر بوده و همچنین از لحاظ تکنولوژی پیچیدهتر و گرانتر نیز میباشد. ساخت آنها مشکلتر از نوع عمودی بوده ولی راندمان بسیار بالایی دارند. این نوع توربینها در سرعتهای پایین نیز توانایی تولید انرژی الکتریکی را داشته و توانایی تنظیم جهت در مسیر وزش باد را نیز دارند.
توربینهای بادی محور افقی به دستههای تک پرهای، دو پرهای، سه پرهای و چند پرهای تقسیم بندی میشوند. همان طور که در شکل1-4 نمایش داده شده است. توربینهای بادی محور افقی تک پرهای با اینکه هزینه ساخت و نیاز به مواد اولیه کمتری دارند؛ زیاد مورد استفاده قرار نمیگیرند. زیرا به منظور بالانس وزن توربین بادی تک پرهای، این پرهها نیاز به وزنه تعادل در طرف مخالف هاب[3] دارند. همچنین این توربینها برای تولید قدرت خروجی یکسان در مقایسه با توربینهای بادی سه پرهای به سرعت باد بیشتری نیاز دارند. توربینهای بادی دو پرهای تقریباً مشکلات مشابه توربینهای بادی تک پرهای را دارند و انرژی کمتری نسبت به توربینهای بادی سه پرهای دریافت میکنند. توربینهای بادی چند پرهای اغلب به صورت آسیابهای پمپاژ آب مورد استفاده قرار میگیرند و برای تولید برق زیاد استفاده نمیشوند. بنابراین اکثر توربینهای بادی تجاری حال حاضر سه پرهای هستند.
شکل 1-4: تقسیم‌بندی توربینهای بادی: a) تک پرهای b) دو پرهای c) سه پرهای d) چند پرهای]12[.
مطابق با شکل 1-5 روتور توربین بادی را میتوان پایین دست برج (پشت به باد)[4] و یا بالا دست برج (رو به باد)[5] نسبت به جریان باد تعبیه نمود. یکی از مزایای تعبیه روتور پشت به باد، جلوگیری از برخورد پرهها به خصوص پرههای قابل ارتجاع به پایه برج میباشد و همچنین میتوان طول شافت روتور را حتیالمقدور کوتاه انتخاب نمود. مزیت روتور رو به باد این است که پرهها میتوانند در جریان هوای آشفته کار کنند اما نیروهای باد، روتور را در جهت باد به گردش در آورند و در این نوع توربینها نیاز به سیستم انحراف برای نگه داشتن توربین در خلاف جهت باد است.
شکل 1-5: تقسیم بندی روتور توربینهای بادی: a) پایین دست برج(پشت به باد) b) بالا دست برج(رو به باد)]12[.
همچنین توربینهای بادی محور افقی از نظر تغییر سرعت به دو نوع توربینهای بادی با سرعت ثابت و توربینهای بادی با سرعت متغیر تقسیم بندی میشوند. توربینهای بادی با سرعت ثابت مزایایی از قبیل سادگی، قابلیت اطمینان بالا، هزینه ساخت و بهره برداری پایین دارند. عیب عمده آنها پایین بودن بازدهی به علت کارکرد با سرعت تقریباً ثابت در سرعتهای مختلف باد است. جهت رفع نقیصه فوق، توربینهای بادی با سرعت متغیر طراحی شده اند که با تنظیم سرعت چرخش روتور در سرعتهای مختلف باد، بیشترین توان ممکن را از باد جذب می کنند. دو نوع پرکاربرد این توربینها، توربینهای بادی دارای مبدل با ظرفیت کامل وتوربینهای بادی دارای ژنراتور القایی دو تحریکه هستند.
1-3 نیروگاههای بادی
مکان تولید برق از نیروی باد توسط توربینهای بادی را اصطلاحاً نیروگاه بادی مینامند. نیروگاههای بادی به دو دستهی نیروگاههای بادی مستقر در دریا[6] و نیروگاههای بادی مستقر در خشکی[7] تقسیم‌بندی میشوند(شکل 1-6). توربینهای بادی مستقر در خشکی اغلب در ارتفاعات، به منظور دستیابی به سرعت بیشتر نصب میشوند که این توربینها به علت محدودیتهایی نظیر صدای توربین و محدود بودن زمینهای در دسترس به اندازهی توربینهای بادی دریایی در حال پیشرفت نیستند.
شکل 1-6: تقسیم بندی نیروگاههای بادی: a) نیروگاههای مستقر در دریا (b نیروگاههای مستقر در خشکی]12[.
توربینهای بادی مستقر در دریا دارای انرژی تولیدی و ساعتهای کاری بیشتری نسبت به توربینهای بادی مستقر در خشکی میباشند که این امر به علت در دسترس بودن باد با سرعت بالاتر و یکنواختتر در مناطق باز است. مزیت دیگر استفاده از توربینهای بادی مستقر در دریا، آشفتگی بادی کمتر همراه با سرعت متوسط باد بیشتر و دریافت صدای صوتی کمتر از توربین است. از سوی دیگر توربینهای بادی مستقر در خشکی مزیتهای دیگری دارند که آنها را به سازههای با نصب و ساخت آسانتر و دستیابی آسانتر برای نگهداری و به کارگیری تبدیل کرده است.
1-4 قدرت توربین بادی محور افقی
قبل از بیان قدرت توربین بادی لازم است که به تعریف قدرت باد پرداخته شود. قدرت نامی موجود در باد را میتوان با بهره گرفتن از رابطه زیر محاسبه کرد.
‑1
که در این فرمول:
- قدرت باد (وات)
- وزن مخصوص هوا(چگالی یا دانسیته)
- سطح دایرهای شکل جارو شده توسط پرههای روتور
- سرعت نسبی باد که حاصل از برایند دو سرعت واقعی در محیط و سرعت روتور میباشد.
قدرت توربین بادی
قدرت یک توربین بادی از طریق معادله زیر قابل محاسبه میباشد.
1‑2
ضریب قدرت نامیده میشود و طبق تعریف درصدی از انرژی باد است که به انرژی مکانیکی تبدیل میشود.
اگر بتوان سرعت روتور را متناسب با سرعت باد کنترل نمود، همواره میتوان از ضریب قدرت ماکزیمم برخوردار بود.
بر اساس تئوری بتز، برای اخذ حداکثر انرژی ممکن، روتور توربین بادی باید بگونهای تعبیه گردد که سرعت جریان در بالا دست روتور (مقابل روتور) 3 برابر پایین دست روتور (پشت روتور) باشد. بدین ترتیب مقدار ضریب قدرت ماکزیمم 593/0 میشود.
لازم به ذکر میباشد که 3/59% ضریب قدرت با در نظر گرفتن شرایط ایدهآل بدست آمده و این مقدار در واقیعت پایینتر میباشد.
حفریاتی كه در سنگها ایجاد میشود، با توجه به هدف آن ها از ابعاد مختلفی برخوردار بوده و از ابعاد كم تا ابعاد قابل مقایسه با سازههای بتنی عظیم تغییر میكند. از حفریات سطحی میتوان به عنوان فضایی برای استخراج معادن، ایجاد ساختمانها، و تكیهگاه و سرریز سدها، كارخانهها، نیروگاهها و نیز مسیر لولهها، كانالها و راه آهن، استفاده نمود.
هنگام طراحی شیبها در سنگ، به عنوان یک قانون كلی، همیشه بایستی در بدو امر، به جستجوی گسیختگیهای بالقوهای كه از سوی شرایط ساختاری نامساعد كنترل میشوند، پرداخت. حالت‌های عمومی ریزش در شیبهای سنگی عبارتند از ریزش صفحهای، ریزش گوهای، ریزش واژگونی و ریزش دایرهای. اگر ریزش در خاك و یا سنگ‌های با تعداد دسته درزههای بالا و فاصله‌داری كم باشد، شكل پس از ریزش عموما منحنی و یا اصطلاحا قاشقی است. در سنگ‌های با فاصله‌داری بیشتر بسته به موقعیت قرار‌گیری درزههای اصلی، عموما ریزش‌ها به سه حالت گوهای، صفحهای و واژگونی عمل می‌كنند]1[.
ریزش غالب در دیواره شمالی معدن چغارت از نوع واژگونی میباشد که این نوع ریزش به‌علت وجود پارامترهای مجهول بسیار در تحلیل و تنوع رفتاری بالا، پیشرفت چشمگیری در تحلیل آن ها به وجود نیامده است. در این فصل به بررسی ریزش واژگونی و خصوصیات آن پرداخته می شود.
1-2- ریزش واژگونی
ریزش واژگونی یکی از ناپایداریهای خطرناک در شیبهای سنگی است. از نقطه نظر مکانیزم، ریزشهای واژگونی اصلی در سه کلاس خمشی، بلوکی و بلوکی-خمشی طبقه بندی میشوند. اگر تودهسنگ دارای ناپیوستگیهای پرشیب و در خلاف جهت سطح شیبدار و هم امتداد با این سطح باشد، شبیه ستونهای سنگی که بر روی یکدیگر قرار گرفتهاند عمل می کند و دارای پتانسیل ریزش واژگونی خواهد بود.
وقتی ستونهای سنگی بوسیله یک سری ناپیوستگی با شیب به سمت داخل سطح شکل بگیرند و دسته درزه دیگری تقربیا عمود بر ناپیوستگی قبلی نیز وجود داشته باشد که ارتفاع ستونها را قطع کند، منطقه مستعد گونهای از ریزش واژگونی به نام واژگونی بلوکی خواهد بود. ستونهای کوچک پایین شیب بوسیله باری که از سمت ستونهای بزرگتر بالایی بر آنها اعمال می شود به جلو رانده میشوند و این لغزش در پایین شیب اجازه میدهد واژگونی به سمت بال ادامه یابد. پایه ریزش عموما شامل سطحی است که هر چه به قله نزدیک می شود ارتفاع آن افزوده می شود. شرایط هندسی در این نوع ریزش در ماسه سنگ و بازالت های ستونی جاییکه ستونهای متعامد به خوبی شکل میگیرند، قابل رویت است[1].
شکل 1- 1. واژگونی بلوکی[1]
وقتی ستونهای پیوسته سنگ که توسط ناپیوستگیهای پرشیب ایجاد شده اند، در اثر خمش میشکنند و به سمت جلو خمیده میشوند، نوعی از واژگونی به نام واژگونی خمشی تعریف می شود. شرایط هندسی معمول این ریزش در لایه بندی باریک اسلیتها و شیلها قابل رویت است. صفحه پایه ریزش در این نوع واژگونی به خوبی قابل تشخیص نیست. لغزش، حفاری و فرسایش پایین دامنه اجازه میدهد پروسه واژگونی آغاز شود و در ادامه به سمت داخل توده سنگ پیشروی کند.
شکل 1-2. واژگونی خمشی[1]
واژگونی بلوکی-خمشی، نوع دیگری از ریزش وازگونی است و از ستونهایی که ظاهرا پیوستهاند اما توسط درزههای متقاطع معدودی به بلوکهای مجزا تقسیم شده اند، شکل گرفته است . در این حالت ریزش در اثر جابجایی است که برروی درزه های متقاطع رخ میدهد و بنابراین ترک کششی که در نوع خمشی وجود داشت، کمتر موثر خواهد بود. این نوع واژگونی بیشتر در طبیعت مشاهده میشود[1].
