بیشتر ماشینها و دستگاهها از اعضاء متعددی تشكیل شده‌‌اند كه با اتصالات مختلف به یكدیگر مرتبط می‌‌شوند. قابلیت ساخت و سرویس آسانتر قطعات از دلایل اصلی ساخت ماشینها یا دستگاهها با بیش از یك عضو می‌‌باشد. اعضاء اتصال‌‌دهنده، مانند یك پیچ و مهره معمولی می‌‌توانند در موارد متفاوتی بكار روند و در اكثر این موارد عضوهای اتصال‌دهنده وظیفه انتقال بارهای وارده را دارند. ایدة تكرار استفاده از اعضاء اتصال دهنده وقتی حائز اهمیت می‌‌شود كه بدانیم برای مثال یك اتومبیل بیش از ده ‌‌هزار قطعه، ماشین ابزار بیش از بیست‌‌ هزار قطعه و كارخانه نورد بیش از یك میلیون قطعه دارند.

اتصالات می‌توانند دائمی یا غیر دائمی باشند. انتخاب این موضوع بستگی به هدف بكارگیری اتصال و مسائل اقتصادی دارد. استفاده از اتصالات دائمی تنها یكبار امكان‌‌پذیر است اما این اتصالات ارزانتر بوده و نیروهای دینامیكی را راحت‌تر تحمل می‌‌كنند، بنابراین در جائیكه استحكام موردنظر است می‌‌توان با اطمینان از این نوع اتصال استفاده كرد. اتصالات غیر‌‌دائمی قابلیت استفاده مجدد بیشتری دارند اما برای تحمل بارهای وارده مختلف چندان مناسب نیستند.

امروزه مواد مرکب[1] در صنعت اهمیت خود را نشان داده است و بنابراین مسائل آن نیز باید با دقت بیشتری بررسی گردد. یکی از مهمترین این مسائل اتصال قطعات مرکب چند لایه‌های[2] به یکدیگر می‌باشد. به طور کلی سه گروه اصلی اتصالات در صفحات مرکب چند لایه وجود دارند: اتصالات چسبی[3]، اتصالات مكانیكی[4]، تركیبی از اتصالات چسبی و مكانیكی[5]. اتصالات مكانیكی كاربرد وسیعی در صنعت به خصوص سازه‌های هوایی دارد. لذا از دیرباز طراحان توجه خاصی به آن معطوف كرده‌اند. تعیین مقاومت نهایی و نوع گسیختگی اتصال، تحلیل تنش در محل قرارگیری پین كه دارای تمركز تنش بالایی است را ضروری می‌‌نماید.

نظر به اینكه انجام تحلیلهای ساده و پایه‌ای نمی‌تواند معیار مناسبی جهت تعیین نقاط تمركز تنش، توزیع تنش در اتصالات وتعیین تنش‌های بین صفحه‌ای باشد، بسیاری از محققان به روشهای تحلیلی پیچیده روی آورده‌اند. گرچه روشهای پیچیده مذكور پارامترهای بیشتری همچون مسئله تماس پرچ با ورق در چنین اتصالاتی را مورد بررسی قرار داده و به تأثیر كمی و كیفی آنها بر رفتار اتصال می‌پردازد اما استفاده كاربردی از آنها امكان‌پذیر نمی‌باشد. بر همین اساس در سالهای اخیر با گسترش و پیشرفت در صنعت تولید سخت‌افزار و نرم‌افزارهای رایانه‌ای استفاده از روشهای عددی به خصوص روش اجزاء محدود و نرم‌افزارهای خاص آن، روند فزاینده‌ای پیدا نموده است. با استفاده از روش اجزاء محدود می‌توان هندسه‌های پیچیده، بارگذاریهای متنوع و شرایط مرزی گوناگونی را در این اتصالات مدلسازی و تحلیل نمود.

1-1- مروری بر کارهای گذشته

مبحث تمركز تنش در یك سوراخ دایر‌ه‌ای شكل بر روی ورق كه تحت بار وارده از یك پین قرار گرفته و در شرایط تنش صفحه‌ای[6] و یا كرنش صفحه‌ای[7] قرار دارد یكی از مسائل كلاسیك در تئوری الاستیسیتة خطی می‌باشد

درسالهای بین 1940 تا 1950  مطالعات تحلیلی نسبتاً خوبی بر روی  اتصالات چسبی درفلزات  انجام شد و سپس این تحقیقات برای مواد مرکب در اواخر سال 1960 مورد استفاده قرار گرفت. اما اتصالات مکانیکی مواد مرکب از نظر تحلیلی كمتر مورد توجه قرار می‌گرفت. پس

خرید متن کامل این پایان نامه در سایت nefo.ir

 از رشد و توسعه مواد مرکب در صنعت به خصوص صنعت هوایی، طراحی و تحلیل اتصالات  مكانیكی درمواد مرکب مورد توجه محققان قرار گرفت.

به طور كلی در سه دهه گذشته مقالات زیادی در زمینه اتصالات مكانیكی در مواد مرکب ارائه شده است، بخش عمده‌ای از مقالات، بوسیله نتایج تجربی اثرات دما و رطوبت، ترتیب لایه‌ها‌، خواص هندسی، تلرانس و لقی بین پین و سوراخ را مورد بررسی قرار داده است ]1 و 2.[ روشهای تحلیلی قسمت کوچکتری از تحقیقات در زمینه اتصالات مکانیکی را به خود اختصاص داده است. در این موارد از مدل های دو بعدی استفاده شده و در نهایت با ساده سازی مسئله توزیع تنش در اطراف سوراخ بدست آمده است ]3 و 4[.

 در بخش دیگری از مقالات نیز از روشهای عددی جهت پیش‌بینی میدان تنش در اتصالات مكانیكی استفاده شده است ]5-8.[ بطور كلی مهمترین مرحله در روشهای عددی، تحلیل تنش و دستیابی به نمودار توزیع تنش اطراف سوراخ می‌باشد، زیرا پارامترهای مختلفی از جمله:  نحوه مدلسازی اتصال (دوبعدی یا سه بعدی)، نحوه اعمال شرایط مرزی، لقی و اصطكاك بین پین و سوراخ ، متقارن یا نامتقارن بودن اتصال و ترتیب لایه‌ها تاثیر بسیار زیادی در توزیع تنش بین لایه ها دارند.

از نظر مدلسازی اجزاء محدود، نوع المانهای مورد استفاده در هندسه مدل در حالتهای دو بعدی و سه بعدی، نوع المانهای تماس مورد استفاده و ویژگیهای آنها مانند سختی تماسی و میزان نفوذپذیری المانهای درگیر، و یا اصطكاك بین سطوح تماس را می‌توان از عوامل مؤثر بر رفتار اتصالات غیر دائم پیچ و پین برشمرد. البته قابل ذکر است که اغلب محققان از مدلهای دوبعدی خطی اجزاء محدود استفاده نموده‌اند.

در مدلهای دوبعدی برای مدلسازی پین سه روش مورد استفاده محققان قرار گرفته است. روش اول به این صورت است که جابه‌جایی شعاعی گره‌های اطراف سوراخ مقید می‌شود و بار به لبه اتصال اعمال می شود ]9[. در روش دیگر بار به صورت یك تنش شعاعی كسینوسی بر روی لبه سوراخ اعمال می‌گردد و لبه اتصال مقید می‌شود ]10.[ بعضی از محققان نیز برای مدلسازی پین از المانهای صلب یا خرپا استفاده كرده‌اند كه بار به صورت متمركز به مركز پین اعمال می‌شود ]11[. لازم به ذكر است این روشها همیشه جواب دقیقی را نشان نمی‌دهند. بنابراین برای دستیابی به جوابهای بهتر می‌بایست بار اعمالی پین را به صورت واقعی‌تری مدل نمود.

یانگ[13] و یان[14] در سال 2003 [5] روش دقیق عددى برای بررسی رفتار مكانیكی صفحات مركب با اتصالات الاستیسیته را تعیین كردند. آنها اتصالات را ایزوتروپیك فرض كردند و در سطح تماس اتصال و صفحات اصطكاك را لحاظ كردند. صفحات در تحلیل آنها متقارن می باشد.

هایر[15] همکارانش در سال 1987 [12] با روش عددی اثرات الاستیسیته پین، لقی و اصطکاک را بر توزیع تنش شعاعی و محیطی اطراف سوراخ در اتصالات مکانیکی صفحات اورتوتروپیک[16] بررسی کردند. مدل استفاده شده به صورت دو بعدی بوده و از دو لایه گذاری متقارن جهت بررسی پارامترهای فوق استفاده شده است.

چن[17] به همراه همكارانش در سال 1995 [13] تحلیل تنش تماس سه بعدی یك اتصال مكانیكی مواد مرکب لایه‌ای متقارن را با روش عددی انجام دادند. آنها با استفاده از تماس محلی بین پین با سوراخ و در نظر گرفتن اصطكاك و لقی بصورت سه بعدی نتایج خود رابه دست آوردند.

در سال 1999 زیائو[18] [14] و همكارانش ضریب اصطكاك موثر برای یك ماده مرکب لایه‌ای را در تحلیل ورق با اتصال پین مورد مطالعه قرار دادند. آنها نشان دادند كه ضریب اصطكاك در جهات مختلف در یک لایه مقادیر متفاوتی را داراست، سپس برای مدل سازی ، توزیع غیریكنواخت ضریب اصطكاك بصورت تابعی از زاویه را بكار بردند.

آیر[19] در سال 2000 ]15[ با ساختن یک مدل المان محدود توزیع تنش شعاعی و محیطی را در اتصالات پینی بدست آورده و اثرات اصطکاک، هندسه و بار دو محوری را بررسی کرد. البته تحقیق او محدود به صفحات ایزوتروپیک بوده با این تفاوت که اثر جنس پین بر توزیع تنش شعاعی و محیطی مورد بررسی قرار گرفته است.

کدیور و شاهی در سال 2002 ]16[ سطح تماس پین وسوراخ را بوسیله یک مدل سه بعدی المان محدود و به کمک نرم افزار ANSYS در امتداد ضخامت چندلایه محاسبه کرده‌اند، آنها پین را صلب فرض نموده‌اند و با اعمال شرایط مرزی مناسب، اثرات پین بر روی سوراخ را مدل کرده و تاثیر شکل هندسی بر ناحیه تماس و توزیع تنش را بررسی نموده‌اند.

شیاه[20] و چن[21] در سال2006 تنش های بین لایه ای را بین صفحات نازك كامپوزیت تحت بارهای گرمایی تحلیل كردند. آنها از روش المان مرزی استفاده كردند و صفحات را بسیار نازك فرض كردند. در ضمن صفحات به صورت شبه ایزوتروبیك مورد مطالعه قرار گرفتند. و در پایان برای بررسی صحت تحلیل های خود نتایج را با یك نمونه عددی شرح دادند.