ایجاد مدل هندسی قطعات در محیط ترسیم
مدل سازی مخزن کامپوزیتی شامل جداره مخزن و درپوش است. جداره این مخزن به عنوان پوسته ای با قابلیت تغییر شکل در نظر گرفته شده و همچنین در دو طرف مخزن، درپوش هایی با قابلیت صلب طراحی شده است.
کار در نرم‌افزار آباکوس در چند ماژول انجام می گیرد که هرکدام از آن‌ها وظایف یک بخش از تحلیل و طراحی را انجام می‌دهند. از ماژول Sketch یا همان محیط ترسیم به عنوان ایجاد مدل هندسی، به صورت طراحی دوبعدی و یا وارد کردن مدل از یک نرم‌افزار دیگر استفاده می‌شود. از این ماژول برای تعریف جداره مخزن به عنوان پوسته استفاده می‌شود. اگر نسبت ضخامت به قطر داخلی مخزن از ۰۵/۰ کمتر باشد امکان استفاده از ویژگی پوسته‌ها، در طراحی دوبعدی فراهم می‌شود.

مدل سازی درپوش‌ها از نوع صلب انتخاب شد چرا که از جهتی برای تعیین شرایط مرزی صحیح و از طرفی هم از مدل سازی و مونتاژ آن بروی مخزن صرف نظر شود. در ادامه شرایط مرزی توضیح داده می‌شود.
مدل سه بعدی مخزن کامپوزیتی
تعریف مشخصات ماده در محیط تعریف خواص ماده
برای تحلیل و آنالیز مخزن کامپوزیتی، تعریف خواص و ویژگی های مواد تشکیل دهنده آن باید مورد توجه قرار بگیرد. مواد کامپوزیتی به چند گونه تعریف می‌شوند که یکی از راه‌های مدل سازی آن‌ها تعریف مدول الاستیسیته (E₁,E₂,E₃)، ضریب پواسون (Nu₁₂,Nu₁₃,Nu₂₃) و همینطور مدول های برشی(G₁₂,G₁₃,G₂₃) می‌باشد. پس از تعریف خصوصیات مکانیکی کامپوزیت نوبت به ایجاد مقطع^[۲۲] می‌رسد. یک مقطع، حاوی اطلاعاتی از خواص ماده است که یه یک مدل یا قسمتی از آن نسبت داده خواهد شد. در این مدلسازی مقطع مخزن، پوسته فرض شده است. تعریف خصوصیات ماده کامپوزیت در یک پوسته کامپوزیتی مطابق شکل (۳-۲) مدل می‌شود. این خصوصیات توسط آزمون خصوصیت مواد در فصل چهارم آورده شده است.
تعریف خصوصیات مکانیکی مواد کامپوزیتی در نرم‌افزار
پس از تعریف خصوصیات ماده یک Section که برای تعریف ماده و همچنین نحوه چیدمان لایه ها، ضخامت و زاویه الیاف ایجاد می‌شود. در شکل (۳-۳) نشان داده شده است که مواد کامپوزیت به صورت تعریف Composite Layup شده است. در این قسمت پس از لایه چینی و جهت گیری مواد برای هر لایه یک مختصات تعریف می‌شود که الیاف نسبت به مختصات تعیین شده قرار می‌گیرند تنظیمات مربوط به لایه چینی و زاویه چینی در شکل (۳-۴) و تنظیمات مربوط به تعریف مختصات و زاویه الیاف در شکل (۳-۵) نشان داده شده است.
تعیین المان در مدل سازی مواد کامپوزیتی در نرم‌افزار
زاویه چینی و تعیین خصوصیات هر لایه در مدل سازی مواد کامپوزیت در نرم‌افزار
تعیین مختصات و قرارگیری زاویه‌ لایه‌های [۵۴±]
مونتاژ قطعات در محیط مونتاژ
در این ماژول قطعات در کنار یکدیگر و در قسمتهای مشخص شده قرار می‌گیرند. مخزن کامپوزیتی شامل یک پوسته استوانه‌ای و دو درپوش می‌باشد. درپوش ها از نوع صلب بوده و هیچ تغییر شکلی متوجه آن‌ها نمی‌شود بنابراین می‌توان از مونتاژ آن‌ها صرف نظر نمود و لبه های مخزن را با شرایط مرزی به گونه ای مقید نمود که همان رفتار مخزن با درپوش را داشته باشد.
تعریف مراحل انجام تحلیل در محیط گام
در این محیط نوع تحلیل انتخاب می‌شود. در ابتدای کار، نرم‌افزار یک گام اولیه^[۲۳] ایجاد می‌کند. این گام برای هر مدل ثابت است و این اجازه را به کاربر می‌دهد تا به تعریف شرایط مرزی، میدآن‌های موجود و برهم کنش ها بپردازد که این عملیات معمولا برای ادامه هر تحلیل لازم می‌باشند. برای تحلیل کمانش در مخزن کامپوزیتی، پس از انتخاب Linear perturbation ، گزینه Buckle انتخاب می‌شود. در این بخش کاربر می‌تواند به ایجاد یک یا چند گام تحلیل^[۲۴] بپردازد.
تعریف برهم کنش‌ها در محیط تماس
همانطور که گفته شد چون یک قطعه مدل شده است نیازی به تعریف و یا تنظیمات خاصی در این محیط دیده نمی‌شود.
تعریف بارگذاری و شرایط مرزی در محیط بارگذاری
یکی از مراحل مهم در تحلیل، تعریف عامل خارجی تاثیر گذار بر روی مدل است که با تغییر و نحوه اعمال این عامل خارجی، نتیجه مسئله تغییر می‌کند. در این محیط به تعریف اعمال بارهای خارجی، شرایط مرزی و تکیه گاه ها پرداخته می‌شود.
برای ایجاد بارگذاری ابتدا باید عوامل خارجی تاثیرگذار بر مدل را شناسایی و مورد ارزیابی قرار داد. در مخزن تحت فشار خارجی، بارگذاری فشاری مدنظر است که از این رو، از دسته بارهای مکانیکی، بارگذاری فشاری انتخاب می‌شود. سپس سطح جانبی خارجی مخزن را به عنوان محل بارگذاری انتخاب می‌شود و مقدار بار وارد شده برحسب پاسکال وارد می‌شود. پس از آن شرایط مرزی را برای مخزن تعیین می‌شود. دو سر مخزن بعلت وجود در پوش های صلب، به عنوان یک تکیه‌گاه فرض می‌شود که تنها در جهت محور اصلی مخزن آزاد است. اما برای تثبیت مخزن در جهت محور اصلی یک نود در راستای محور از تمامی جهات مقید می‌شود. نحوه اعمال بارگذاری وشرایط مرزی در شکل (۳-۶) نشان داده شده است.
تحلیل المان بندی روی مخزن در محیط شبکه بندی
روش اجزای محدود از مهمترین و راهگشا ترین روش های شناخته شده در حل مسائل می‌باشد که دقت نتیجه آن به نوع المانی که برای شروع حل انتخاب می‌شود، بسیار وابسته است. یک المان نامناسب می‌تواند امکان حل مسئله را از بین ببرد، سرعت حل را پایین آورد یا حتی خطای حل را بسیار بالا ببرد. پیچیدگی قطعه کار در محیط ترسیم موجب به پیچیدگی المان بندی در محیط شبکه بندی می‌شود. به همین منظور ترسیم ساده‌تر نتایج بهتری در المان بندی می‌گذارد. المان بندی یک پوسته استوانه‌ای از جمله ترسیم های ساده می‌باشد. تعیین نحوه تولید مش یکی از مهمترین عملیات‌های محیط مش بندی است، معمولا برای مدل‌هایی که از روش اکستروژن ایجاد شده اند از تکنیک Sweep برای مش زدن استفاده می‌شود که نسبت به یک مسیر مشخص المان بندی می‌کند و این امکان وجود دارد که این مسیر توسط کاربر تعیین شود. در این مدل سازی، المآن‌ها در راستای طول مخزن چیده شده‌اند.
اعمال بارگذاری و شرایط مرزی در مدل
۳-۳-۷-۱ همگرایی مش بندی
تبدیل مدل مهندسی به مدل اجزای محدود، نیازمند مش بندی است. اندازه مش در حل معادلات بسیار مهم است. برای اعتبار داشتن یک حل المان محدود، باید همگرایی اتفاق افتاده باشد. با کوچکتر شدن اندازه مش، تعداد مش ها افزایش یافته که در نهایت موجب افزایش زمان محاسبات می‌شود اما حل مسئله دقیق‌تر می‌شود تا جایی که کاهش اندازه مش، در جواب مسئله تاثیرگذار نیست. تضمین این اتفاق که اصل معتبر بودن حل را تعیین می‌کند، اعتبارسنجی^[۲۵] خوانده می‌شود. برای همگرا کردن جواب‌ها در لوله کامپوزیتی، تعداد مش‌های متفاوتی زده شد و مدل مورد تحلیل قرار گرفت. برای هر تعداد از مش‌ها، Eigenvalueهای مختلفی بدست می‌آمد تا جایی که با ریزتر شدن مش‌ها جواب مساله تغییر نمی‌کرد. به بیانی دیگر فشار بحرانی کمانش بدست آمده مستقل از اندازه المان‌ها می‌باشد. شکل (۳-۷) نشان دهنده همگرایی مش در لوله کامپوزیتی با ۷۱۲۰ المان می‌باشد. همگرایی مش در مخزن کامپوزیتی به همین صورت انجام شد که تعداد مش‌های ایجاد شده بر روی مخزن کامپوزیتی برای همگرایی جواب‌ها معادل ۲۴۵۴۴ المان بدست آمد.
Mesh Convergence
همگرایی مش در لوله کامپوزیتی
تحلیل فرایند در محیط تحلیل
در این ماژول تحلیل مدل به پایان می رسد و فقط مشاهد نتایج، که در ماژول Visualization صورت می گیرد، باقی می ماند. در آخر توسط گزینه نتایج وارد محیط مشاهد نتایج شده و نتایج تحلیل مشاهده خواهد شد.
مشاهده نتایج تحلیل در محیط نتایج
پس از پایان شبیه‌سازی، در این مرحله نتایج تحلیل مشاهده می‌شود که شامل توزیع تنش و کرنش در المآن‌های مختلف و محاسبه فشار کمانشی در مخزن می‌باشد. شکل (۳-۸) نشان دهنده نتایج بدست آمده از شبیه‌سازی مخزن کامپوزیتی است.
مراحل آزمایشگاهی
مقدمه
برای بررسی خطای زاویه و درصد حجمی الیاف در دستگاه رشته‌پیچی و اثر آن بر کمانش لوله‌ها و مخازن استوانه‌ای کامپوزیتی، از حل عددی و تجربی کمک گرفته شد. در حل تجربی، از آزمون‌ فشار خارجی هیدرواستاتیک استفاده شد که نیازمند استفاده از ابزارها و تجهیزاتی بود که در این فصل شرح داده می‌شود.
ساخت لوله و مخزن کامپوزیتی
فرایند تولید لوله‌ها و مخازن کامپوزیتی به دو صورت پیوسته^[۲۶] و ناپیوسته^[۲۷] انجام می گیرد. نوع انتخاب فرایند وابسته به قطر آن‌ها می‌باشد. قطرهای کمتر از ۳۰۰ میلیمتر توسط فرایند ناپیوسته و قطرهای بزرگتر از ۳۰۰ میلیمتر، بدون محدودیت در طول توسط فرایند پیوسته تولید می‌شوند. در این پژوهش لوله مورد مطالعه توسط فرایند ناپیوسته و مخزن توسط فرایند پیوسته ساخته شده است. خصوصیات مکانیکی آن‌ها در جدول (۴-۱) آورده شده است. در شکل (۴-۱) نمونه‌های مطالعاتی نشان داده شده است. همچنین برای بستن دو سر لوله از دو در پوش از جنس ارتالون که به عنوان یک پلیمر ترموپلاستیک شناخته می‌شود و برای بستن دو سر مخزن از در پوش‌های فلزی تقویت شده استفاده شد که خصوصیات آن مطابق جدول (۴-۱) ارائه شده است.