با نظر به کاربردگسترده لوله های کاروگیت و کاروگیت اسپیرال در شبکه های انتقال آب و فاضلابها، بهینه سازی آنها و اطمینان از عملکرد آنها بسیار حائذ اهمیت می باشد لذا هدف از انجام این تحقیق به دست آوردن پروفیل بهینه برای ساخت لوله های پلی اتیلنی از جنس PE80 به جهت دستیابی به کمترین میزان وزن ممکن در واحد لوله و در عین حال داشتن میزان مجاز از تغییر قطر (deflection) بر اساس استاندارد ISO 9969 است؛ این استاندارد جهت تعیین مقادیر ارتجاعی یا فنریت این لوله‌ها کاربرد دارد و در عین حال روابطی برای رفتار میزان تغییر قطر لوله‌ها بر اساس نیروی وارده را ارائه می‌کند. در این پروژه با روش FEM (Finite Element Analysis) یا همان تحلیل المان محدود به بررسی رفتار ماده در نرم افزارMechanical Ansys پرداخته خواهد شد. پس با نشاگستر پردیس همراه باشید:
مقدمه
آزمایش ذکر شده در استاندارد ISO 9969 به این نحو است که با قرار دادن لوله در بین دو صفحه و ثابت نگه‌داشتن یکی از صفحه‌ها، صفحه دیگر با سرعت تعیین شده در جدول شماره ۱ بر اساس میزان قطر لوله شروع به حرکت در جهت فشرده‌سازی لوله خواهد نمود و قطر داخلی لوله بر اساس شکل شماره ۱ اندازه‌گیری خواهد شد. بر اساس عدد ذکر شده در استاندارد این میزان جابه‌جایی صفحه تا رسیدن به عدد deflection برابر با ۳ درصد قطر لوله ادامه خواهد داشت.
|
Deflection speed mm/min |
Inside diameter, di, of the test
piece of pipe mm |
|
2 ± 0,1 |
di ≤ 100 |
| 5 ± 0,25 |
100 < di ≤ 200 |
|
10 ± 0,5 |
200 < di ≤ 400 |
| 20 ± 1 |
400 < di ≤ 710 |
| 0,03 × di ± 5 % |
di > 710 |
هندسه و شرایط مرزی
هندسه‌ی مسئله با استفاده از کشیدن یک مستطیل با حاشیه ضخامت معیین و چرخاندن آن حول یک محور تا رسیدن به میزان یک متر و با فرض قطر داخلی برابر با mm 1600 ایجاد شده است. میزان چرخاندن این پروفیل در طول یک متر به صورتی انجام شده است تا فاصله‌ی ناچیزی بین حلقه‌های ایجاد شده ناشی از چرخش به وجود بیاید تا به هندسه‌ی اصلی نزدیکتر باشد. بین حلقه‌های ایجاد شده مختلف ناشی از چرخش پروفیل در انسیس صفحات تماس تعریف شده و نوع تماس از نوع Bonded در نظر گرفته شده است تا اتصال دائم این حلقه‌ها به هم که در واقعیت نیز با جوشکاری انجام می‌شود به خوبی در نظر گرفته شود.
در اشکال ۲ و۳ در ادامه نمونه هندسه و شبکه‌بندی مورد استفاده برای حل این مسئله ارائه شده است؛ سعی شده است تا برای انتقال منظم اطلاعات بر روی شبکه‌بندی از مش ساختار یافته و البته با میزان ابعاد سلول ریز استفاده شود تا جهت‌گیری‌های نیروها به خوبی مورد بررسی قرار گیرد. در شکل ۲ همچنین اعمال تماس بین سطوح در نرم افزار Ansys structural قابل مشاهده است.
برای اعمال شرایط مرزی با توجه به حرکت تنها یکی از صفحات در تست حقیقی تنها نیرو بر روی خط تماس با بالای لوله اعمال شده و یک خط در راستای پایین به نشانه‌ی تماس با صفحه‌ی پایینی در تست واقعی ثابت در نظر گرفته شده است؛ این شرایط مرزی مشابه با مقاله ژانگ و همکاران [۱] برای لوله‌های مدفون از دانشگاه UCLA برای لوله‌های مشابه با کار حاضر است که در شکل 4 تصویری از آنها ارائه شده است.
برای به دست آوردن میزان نیروی مورد نیاز با در نظر گرفتن میزان ارتجاع لوله برابر با 8kPa و با داشتن میزان دفلکشن لوله در هر زمان تا پایان آزمایش و با استفاده از فرمول زیر از استاندارد ISO میزان نیروی مورد نیاز در هر زمان به دست خواهد آمد:
در این فرمول y میزان تغییرات قطر بر حسب mm و L طول لوله بر حسب mm و F نیروی وارده بر حسب kN و d میزان قطر است. برای محاسبه‌ی y با توجه به داشتن قطر لوله برابر با 1600 میلیمتر در نتیجه فرمول تغییرات قطر از فرمول میزان ۳ درصد قطر پیروی خواهد کرد و با این شکل با داشتن y به راحتی می‌توان در هر زمان نیرو را به دست آورد.
در جدول ۲ در ادامه مقادیر دفلکشن حالت استاندارد و نیروی متناظر بر حسب زمان ارائه شده‌اند. در این جدول همچنین با فرض یک تابع کاملا خطی مقادیر نیرو محاسبه شده و با مقدار واقعی نیرو مقایسه شده‌اند که با توجه به تفاوت اندک از مقادیر نیروی خطی سازی شده استفاده شده است. در شکل ۵ در ادامه میزان نیروی تخمین زده شده (predicted) با روش خطی در کنار مقادیر حقیقی رسم شده‌اند و مشخص است که تفاوت بسیار غیر قابل احساس است.
|
t(s) |
y(mm) | F(kN) | F -estimated (kN) |
|
0 |
0 | 0 |
0 |
|
5 |
4 | 1.714668 | 1.6535 |
|
10 |
8 | 3.417891 |
3.307 |
| 15 | 12 | 5.10978 |
4.9605 |
|
20 |
16 | 6.790451 | 6.614 |
| 25 | 20 | 8.460013 |
8.2675 |
|
30 |
24 | 10.11858 | 9.921 |
|
35 |
28 | 11.76625 | 11.5745 |
| 40 | 32 | 13.40314 |
13.228 |
| 45 | 36 | 15.02935 |
14.8815 |
|
50 |
40 | 16.64499 | 16.535 |
| 55 | 44 | 18.25016 |
18.1885 |
| 60 | 48 | 19.84496 |
19.842 |
نتایج
در ادامه به عنوان نمونه نتایجی از میزان تنش، تغییر طول کلی و جهت دار در راستای عمود بر محور لوله و همچنین میزان ضریب اطمینان در طول کل لوله در شکل های ۶ الی 10 ارائه خواهند شد و پس از آن نتایج کلی حاصل از مطالعات پارامتریک انجام شده بر روی پارامترهای موثر بر هندسه لوله به صورت لیستی در جدول شماره ۳ به همراه نتایج آنها از جمله دفلکشن حاصل شده و وزن سازه ارائه خواهند شد. موارد انتخاب شده به عنوان مقادیر بهینه در این جدول با رنگ سبز مشخص شده‌اند که شامل ۵ مورد هستند. در ضمن نتایج ارائه شده در ادامه برای حالت پانزدهم جدول شماره ۳ است. در شکل ۱۰ همچنین نمودار میزان نیرو بر حسب میزان دفلکشن به دست آمده از نرم افزار برای این مورد رسم شده‌اند که رفتار خطی را نشان می‌دهد.
جمع بندی
براساس نتایج حاصل از مدلسازی های مختلف، تیم تحقیق و توسعه شرکت نشاگستر پردیس و شرکت آکو آب کاسپین اقدام به طراحی و تولید لوله های کاروگیت و کاروگیت اسپیرال با ابعاد پروفیل بهینه جهت بهترین کارائی و استحکام نموده است.
مرجع
1-Zhang, W., et al. “A methodology for fragility analysis of buried water pipes considering coupled horizontal and vertical ground motions.” Computers and Geotechnics 126 (2020): 103709.
