طراحي، مدل‌سازي و بررسي روش هاي انتخاب ساختارهاي مشبك سلولي با خواص الاستيك مدنظر در ساخت افزودني

اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان

مكانيك

كارشناسي ارشد

توسعۀ فرآيندهاي ساخت افزودني با قابليت‌هاي متفاوتي كه توليد هندسه¬هاي پيچيده يكي از آن‌هاست، قابليت¬هاي جديدي را براي كاربردهاي صنعتي ارائه داده است. يكي از اين قابليت‌ها، استفاده از ساختارهاي مشبك سلولي به‌عنوان راهي براي كاهش هزينه¬هاي ساخت، كنترل خواص مكانيكي قطعات و دستيابي به ويژگي‌هاي خاص موردنظر يك مهندس طراح براي يك مسئلة خاص در اين حوزه است. جذابيت استفاده از ساختارهاي مشبك سبب شده است كه محققان به بررسي و معرفي ساختارهاي متنوعي بپردازند. ساختارهاي مشبك سلولي شامل ساختارهاي دوبعدي، وُرونوي، TPMS، ميله - گره و سلول واحد سفارشي هستند كه هركدام از آن‌ها تعدادي زيادي زيرمجموعه دارند. ازاين‌رو، انتخاب مناسب‌ترين ساختار از ميان اين مجموعة بزرگ براي دستيابي به ويژگي خاص هر طراحي، چالش مهمي است كه بايد برطرف شود. در پژوهش‌هايي كه تا كنون تلاش كرده‌اند تا به اين مسئله پاسخ دهند، معيارهاي متفاوتي براي بررسي ساختارها مورد ارزيابي قرار گرفته است؛ اما همچنان ويژگي‌هايي وجود دارند كه به طور جامع مورد ارزيابي قرار نگرفته‌اند. علاوه بر اين، در اكثر پژوهش‌هاي انجام شده، تعداد محدودي از انواع ساختارهاي مشبك بررسي شده است. در پژوهش حاضر، تلاش شده است تا با بررسي جامعة نسبتاً بزرگي از ساختارهاي مختلف به روش‌هاي تحليلي و عملي، الگوريتمي براي تعيين مناسب‌ترين ساختار باهدف دستيابي به مدول كشسان مشخص و نسبت استحكام به وزن بالا ارائه شود. به اين منظور، ابتدا انواع روش¬هاي طراحي تمام ساختارهاي مشبك بررسي شده‌اند؛ زيرا طراحي الگوريتمي يك ساختار، امكان ايجاد ساختارهاي ديگر و حتي ساختارهاي جديد را بدون اتلاف زمان و هزينة اضافي فراهم مي‌كند. از اين ديدگاه، پژوهش پيش‌رو اولين پژوهشي است كه مسئلة تسهيل طراحي تمام خانواده¬هاي ساختارهاي مشبك و حتي طراحي ساختارهاي گرادياني، تركيبي يا تركيبي - گرادياني را پاسخ مي¬دهد. علاوه بر اين، پژوهش حاضر با ارائة مسيرهاي طراحي و تحليل الگوريتمي و با الهام از رابطۀ گيبسون - اشبي، به استخراج مدول يانگ مؤثر هجده ساختار متنوع پرداخته است. به اين منظور، روش¬هاي همگن¬سازي و تجربي براي استخراج ضرايب رابطۀ گيبسون - اشبي استفاده شده و سپس براي ارزيابي روش¬هاي استفاده شده، به پيش¬بيني رفتار چند ساختار پرداخته شده است. نتايج نشان مي¬دهد كه اگرچه روش همگن‌سازي يك روش خيلي دقيق تحليلي نيست، ولي دقت مقايسه بسيار بالايي دارد. اين بدان معناست كه اگر روش همگن‌سازي ساختار "الف" را در چگالي ثابت كشش غالب‌تر از ساختار "ب" پيش‌بيني مي‌كند، با انجام آزمون‌هاي تجربي نيز همين نتيجه حاصل خواهد شد. لازم به ذكر است كه رابطة گيبسون - اشبي، يك رابطة تواني بوده و طبيعتاً براي ساختارهايي دقت بهتري دارد كه رفتار مكانيكي آن‌ها نيز تواني باشد. نكتة حائز اهميت ديگر آن است كه با زيادتر شدن چگالي نسبي دو ساختار خمش غالب و كشش غالب، نوع رفتار اين دو ساختار نيز به همديگر نزديك مي‌شود. بايد توجه داشت كه اگرچه نوع فرآيند ساخت، ماده مصرفي و برخي شرايط ديگر مي‌تواند رفتار و خواص مكانيكي يك ساختار را دستخوش تغيير كند، ولي همچنان رابطۀ استخراج شده در اين پژوهش مي¬تواند كشش غالب¬تر بودن يك ساختار را در فرآيندهاي ساخت ديگر نيز پيش‌بيني كند. در نهايت و بر اساس نتايج حاصل شده در اين پژوهش، مناسب‌ترين ساختار از ميان ساختارهاي بررسي شده براي دستيابي به مدول كشسان مشخص و نسبت استحكام به وزن بالا، ساختار لانه‌زنبوري است درصورتي‌كه بارگذاري در جهت عمود بر صفحۀ شش‌ضلعي باشد. لازم به ذكر است كه الگوريتم ارائه شده در اين پژوهش، اين امكان را مي‌دهد تا ساختارهاي جديد ديگر نيز به‌آساني براي اين تابع هدف يا بسياري توابع هدف ديگر مورد ارزيابي و مقايسه قرار گيرند.

212556

ساخت و توليد

مهندسي مكانيك

دانشگاه صنعتي اصفهان

احسان فروزمهر

مهدي كاروان، عباس قائي

محسن بدرسماي، محمود كدخدائي