2-6- کاربردهای کامپوزیت‏های زمینه پلیمری… 20

2-6-1- کاربرد در صنعت اتومبیل‏سازی… 20

2-6-2- کاربردهای دریایی… 21

2-6-3- کاربردهای هوا-فضا. 22

2-6-4- مواد کامپوزیتی در تکنولوژی انرژی بادی… 23

2-7- خستگی… 25

2-8- خستگی در مواد کامپوزیتی زمینه پلیمری… 27

2-8-1- آسیب خستگی… 28

2-8-2- مدهای مختلف واماندگی خستگی در مواد کامپوزیتی… 31

2-8-3- مقایسه‏ای بین شکست خستگی و استاتیکی… 32

2-8-3-1- واماندگی‏های بین لایه‏ای… 33

2-8-3-1-1- مورفولوژی‏های شکست در مد I بارگذاری سیکلی… 33

2-8-3-1-2- مورفولوژی‏های شکست در مد II بارگذاری سیکلی… 34

2-8-3-1-3- مورفولوژی‏های شکست در مد ترکیبی I/II بارگذاری سیکلی… 35

2-8-3-2- واماندگی داخل لایه‏ای… 37

2-9- فاکتورهای تأثیرگذار بر روی رفتار خستگی کامپوزیت‏های زمینه پلیمری… 38

2-9-1- نوع الیاف… 38

2-9-2- زمینه و محیط… 40

2-9-3- شرایط بارگذاری… 41

2-10- آزمون‏های مکانیکی متداول بر روی کامپوزیت‏های زمینه پلیمری… 43

2-10-1- آزمون کشش…. 43

2-10-2- آزمون فشار. 44

2-10-3- آزمون خستگی… 45

2-11- آنالیز حرارتی کامپوزیت‏های زمینه پلیمری… 46

2-12- مروری بر تحقیقات انجام شده. 48

2-12-1- تحقیقات انجام شده در رابطه با روش‏های مختلف ساخت کامپوزیت‏های زمینه پلیمری… 48

2-12-2- تحقیقات انجام شده در رابطه با آزمون کشش کامپوزیت‏های زمینه پلیمری… 49

2-12-3- تحقیقات انجام شده در رابطه با خواص خستگی کامپوزیت‏های زمینه پلیمری… 50

2-12-4- تحقیقات انجام شده در رابطه با مکانیزم واماندگی خستگی… 51

2-12-5- تحقیقات انجام شده در رابطه با آنالیز حرارتی کامپوزیت‏های زمینه پلیمری… 56

فصل 3- مواد آزمایش و روش تحقیق… 58

3-1- مشخصات رزین… 59

3-2- روش‏های ساخت نمونه.. 60

3-2-1- روش لایه‏گذاری دستی… 60

3-2-2- روش تزریق رزین به کمک خلأ (VIP). 61

3-3- آماده‌سازی نمونه.. 63

3-4- انجام آزمون کشش بر روی نمونه‏های آماده شده. 64

3-5- انجام آزمون خستگی… 65

3-5-1- مشخصات نمونه‏های تست خستگی… 66

3-5-2- آزمون خستگی کشش–کشش…. 67

3-6- آنالیز وزن سنجی حرارتی (TGA). 69

3-7- تصویربرداری SEM… 70

فصل 4- نتایج و بحث… 71

4-1- نتایج آنالیز وزن‏سنجی حرارتی (TGA). 72

4-2- نتایج تست کشش…. 76

4-3- نتایج آزمون خستگی… 78

4-3-1- ترسیم منحنی S-N با استفاده از روابط مختلف خستگی… 84

4-3-2- مقایسه منحنی‏های S-N کامپوزیت‏های تولید شده به وسیله فرایندهای دستی و VIP.. 90

4-3-3- مقایسه منحنی‏های S-N به دست آمده در فرایندهای ساخت VIP و دستی با استاندارد GL.. 92

4-4- نتایج تصویربرداری SEM… 97

4-4-1- نتایج تصویربرداری SEM از سطوح شکست خستگی نمونه‏های دستی… 97

یک مطلب دیگر :

4-4-2- نتایج تصویربرداری SEM از سطوح شکست خستگی نمونه‏های VIP.. 102

4-4-3- مقایسه مکانیزم‏های واماندگی خستگی برای نمونه‏های دستی و VIP.. 107

فصل 5- نتیجه‏گیری و پیشنهادات… 110

5-1- نتیجه‏گیری… 111

5-2- پیشنهادات… 113

6- مراجع.. 114

– مقدمه

1-1- کلیات

افزایش تأثیرات منفی انرژی فسیلی بر روی محیط زیست، مانند گرم شدن جهانی و بحران در دسترس بودن انرژی، بسیاری از کشورها را بر آن داشته است که از انرژی­های جایگزین دیگری مانند انرژی خورشید، باد و خورشید-هیدروژن استفاده کنند. این انرژی­ها تجدیدپذیر و دوست­دار محیط زیست هستند، به گونه‏ای که پاسخ­گوی تقاضای روزافزون بشر برای انرژی می­باشند. انرژی باد، سریع­ترین منبع انرژی رو به رشد در جهان، یک منبع انرژی تجدیدپذیر و تمیز است. اکنون کشورهای بسیاری، به خصوص در اروپا، ایالات متحده آمریکا، چین و ملل دیگر، توجه خاصی به این منبع انرژی دارند ]1[.

بر اساس اطلاعات سازمان انرژی­های نو ایران (سانا)،استفاده از انرژی باد در طول سالیان اخیر بیشترین رشد را در مقایسه با سایر انرژی­های نو تجربه کرده است و توربین­های بادی هر روز بهینه­تر و با ظرفیت توان بیشتر به بازار عرضه می­شوند. تاریخچه انرژی بادی یک سیر تکاملی را به استفاده از قطعات سبک و ساده برای به حرکت درآوردن پره­ها بوسیله نیروی بازدارنده[1] طی کرده است. آسیاب­های بادی که در قدیم مورد استفاده قرار می­گرفتند نخستین نوع توربین­های بادی بودند که به عقیده تمامی کارشناسان نخستین بار توسط ایرانیان به کار گرفته شد ]2[.

با وجود این پیشینه ارزشمند تاریخی و علی‌رغم پتانسیل­های موجود و مناطق مستعد بادخیز کشور، توسعه صنعت باد در ایران با پیشرفت مناسبی روبرو نشده است. در حال حاضر در وزارت نیرو، نصب MW5000 نیروگاه تجدیدپذیر در قانون برنامه پنجم توسعه هدف­گذاری شده است که از این میزان MW4500 آن برای توسعه باد در نظر گرفته شده است و می‌توان گفت در پنج سال آینده قریب به MW4000 بازار برای توسعه بخش خصوصی وجود خواهد داشت. هم اکنون سایت­های بادی بینالود و منجیل، بزرگ­ترین سایت­های بادی کشور محسوب شده که تقریبا MW100 از برق مورد نیاز کشور را تامین می­کنند، این مقدار سهم ناچیزی از مقدار کل انرژی برق تولید شده در کشور را تشکیل می­دهد ]2[.

اما بر خلاف رویه موجود در داخل کشور، سایر کشورهای جهان به طور گسترده در راستای توسعه صنعت بادی خود گام برداشته­اند و میزان انرژی الکتریکی تولید شده بوسیله باد روز به روز سهم بیشتری از کل انرژی تولیدی جهان را تشکیل می­دهد. به عنوان نمونه­ای از سیاست­گذاری­های کلان در این زمینه می­توان به تصمیم اتحادیه اروپا برای تولید 20% از انرژی خود از منابع پاک تا سال 2020 اشاره کرد. شکل 1-1 ظرفیت کلی انرژی بادی تولیدی در جهان را تا سال 2011 را نشان می­دهد ]2[.

شکل 1-1- ظرفیت کلی انرژی بادی تولیدی در جهان تا سال 2011 ]2[.

جدول1-1 نیز میزان ظرفیت نیروگاه­های بادی نصب شده در کشورهای شاخص استفاده کننده از انرژی باد را نشان می­دهد ]2[.

جدول1-1- ظرفیت نیروگاه‌های بادی نصب شده در کشورهای پیشرو ]2[.

اغلب پره­های توربین، چه کوچک و چه بزرگ، قسمت­های اصلی مشابهی دارند: پره­ها، شفت­ها، چرخ­دنده­ها، ژنراتور، و یک کابل (برخی از توربین­ها ممکن است دارای جعبه دنده نباشند). کلیه این قسمت­ها با هم کار می­کنند تا انرژی باد را به الکتریسیته تبدیل نمایند. در این بین، پره یکی از مهمترین اجزای توربین­های بادی است که وظیفه آن تولید نیروی لازم برای چرخاندن محور اصلی توربین است. طراحی پره توربین­های بادی یکی از مهم­ترین و اصلی­ترین بخش­های طراحی توربین به شمار می­شود که با توجه به شرایط بسیار متغیر بهره­برداری و اعمال بارهای شدید بر آن، انتخاب جنس و طراحی سازه­ای آن از اهمیت زیادی برخوردار است. مواد مورد استفاده در ساخت پره­ها به طور قابل ملاحظه­ای بر روی کارایی و خواص آن­ها، مانند وزن پره، مکانیزم آسیب، و عمر خستگی اثرگذار است. پره­های توربین­های بادی از مواد ناهمسان­گرد ساخته می‏شوند که معمولاً از کامپوزیت­های زمینه پلیمری، در ترکیبی از یک تک پوسته و کامپوزیت ساندویچی تهیه شده‏اند. طراحی­های امروزی عمدتاً بر اساس کامپوزیت­های تقویت شده با الیاف شیشه[2] (GFRP) صورت می‏گیرد. به طور کلی مواد مورد استفاده در ساخت پره­های توربین بادی بایستی تحمل بارگذاری­های خستگی شدید را در شرایط کاری داشته باشند ]1[.

ساختار کامپوزیتی به عنوان یک نوع خاص از کامپوزیت­های لایه­ای  تلقی می­شود و مقبولیت گسترده­ای به عنوان یک ساختار عالی برای دست­یابی به اجزایی با وزن کم و ساختارهایی با سفتی خمشی[3] بسیار بالا، استحکام زیاد، و مقاومت کمانشی بسیار زیاد به دست آورده است. این مواد توسط روش قالب­گیری انتقال رزین[4] (RTM)، RTM به کمک خلاء[5]، لایه­گذاری دستی و تزریق رزین به کمک خلاء[6] (VIP) ساخته می‏شوند. تفاوت روش VIP با روش RTM در آن است که در این روش تنها یک سمت از قالب جامد است در صورتی که در روش RTM هر دو سمت جامد هستند. علاوه بر آن، از یک خلأ اعمالی به منظور نیرو محرکه برای انتقال رزین به تقویت­کننده استفاده می­شود ]3[.