ارائه‌کننده: امین داداشی استاد راهنما: دکتر غلامحسین رحیمی استاد ناظر داخلی اول: دکتر امین فرخ‌آبادی استاد ناظر داخلی دوم: دکتر حامد احمدی استاد ناظر خارجی اول: دکتر حمیدرضا اویسی استاد ناظر خارجی دوم: دکتر مجتبی صدیقی تاریخ: ۱۴۰۴/۰۷/۱۲ ساعت: ۱۶:۰۰     مکان: ساختمان فنی و مهندسی، بلوک شمار سه، طبقه سوم، کلاس 351 

چکیده: سازه‌های ساندویچی به‌واسطه‌ی نسبت بالای سفتی به وزن، مقاومت مناسب و ساختار چندلایه، کاربرد گسترده‌ای در صنایع پیشرفته همچون هوافضا و حمل‌ونقل دارند. با این حال، دستیابی هم‌زمان به خواصی نظیر سفتی خمشی و برشی بالا، جذب انرژی مطلوب و کاهش احتمال جدایش بین هسته و رویه، همچنان از چالش‌های اساسی طراحی این سازه‌ها به‌شمار می‌رود. استفاده از مواد مدرج تابعی در هسته سازه‌های ساندویچی برای ارتقای رفتار مکانیکی پیشنهاد شده است، اما به دلیل هزینه بالای ساخت، محدودیت در جرم سازه و محدودیت‌های فرآیند ساخت، کاربرد عملی این مواد به‌ویژه به عنوان هسته‌ سازه‌های ساندویچی بسیار محدود بوده است. این رساله، با هدف بهره‌گیری هم‌زمان از مزایای ایجاد رفتار تابعی ناشی از طراحی هندسی و کاهش وزن سازه از طریق استفاده از ساختارهای مشبک با نسبت بالای استحکام به وزن، رویکردی نوین برای طراحی هندسی تابعی در چندراستا در سازه‌های مشبک 3 ‌بعدی به‌کاررفته به‌عنوان هسته‌ی تیرهای ساندویچی ارائه می‌دهد. طراحی هندسه هسته با بهره‌گیری از سطوح مینیمال دوره‌ای سه‌گانه بر مبنای سلول واحد پریمیتیو و امکان اعمال تغییرات تابعی پیوسته در سه پارامتر اصلی شامل اندازه، زاویه‌ی قرارگیری و تناوب سلول واحد در راستاهای مختلف، شکل می‌گیرد. این سازوکار، بدون نیاز به مواد مدرج، امکان کنترل رفتار مکانیکی وابسته به موقعیت را فراهم می‌کند. در این رساله در ابتدا، روابط تحلیلی جدیدی برای محاسبه‌ی مدول‌های معادل الاستیک و برشی سلول واحد پریمیتیو توسعه داده شد. این روابط با بهره‌گیری از رویکرد مقاومت مصالح پیشرفته و قضیه انرژی، به‌صورت شکل بسته و بر پایه‌ی پارامترهای هندسی m و خواص ماده‌ی تشکیل‌دهنده‌ی سلول واحد برای اولین بار استخراج شدند. سپس، این روابط از طریق انجام تحلیل‌های پارامتریک در کل بازه‌ی تغییرات m اعتبارسنجی شده و با نتایج شبیه‌سازی عددی و آزمون‌های فشاری انجام‌شده بر روی نمونه‌های تجربی سازه‌ی مشبک مکعبی مقایسه گردیدند. در ادامه، پنج نوع هسته با چینش‌های مختلف سلول واحد، شامل هندسه با چینش ساده سلول واحدها، با زاویه قراگیری ۴۵ درجه، تابعی با زاویه قرارگیری متغیر، تابعی در دو راستا افقی و عمودی و تابعی هلالی، در قالب تیرهای ساندویچی تحت بارگذاری خمش 3 ‌نقطه‌ای و 4 ‌نقطه‌ای، به‌صورت تجربی و عددی ارزیابی شدند. در رویکرد تجربی، آزمایش‌های استاندار کشش و فشار پلیمر PLA به ترتیب براساس استاندارهای ASTM D638-14 و ASTM D695-15 و آزمایش استاندار کشش آلومینیوم طبق ASTM E8/E8M-16a برای تعیین خواص مکانیکی مواد انجام شد. رفتار مکانیکی دو نمونه تجربی سازه مشبک مکعبی تحت بارگذاری فشاری ارائه و مورد ارزیابی قرار گرفت. رفتار خمشی و برشی 20 نمونه تجربی تحت بارگذاری خمش 3 ‌نقطه‌ای و 4 ‌نقطه‌ای براساس استاندارد ASTM D7250/D7250M-16 ارائه و مورد بررسی گرفت. تحلیل‌ رفتار خمشی و برشی تیرهای ساندویچی شامل بررسی نمودارهای نیرو-خیز، مقادیر نیروی بیشینه، جذب انرژی (ویژه و کل)، شیب ناحیه خطی، سفتی خمشی، صلبیت برشی و مدول برشی هسته و همچنین میدان‌های تغییر شکل، توزیع تنش ون مایسز و کرنش پلاستیک معادل و مکانیزم‌های واماندگی هستند. نتایج نشان داد که هسته طرح تابعی هلالی با عملکرد برتر در هر دو نوع بارگذاری، بالاترین سطوح باربری، جذب انرژی و صلبیت برشی را نسبت به همه طراحی‌های مورد بررسی داراست. تیر ساندویچی با هسته تابعی هلالی با سفتی خمشی (N) 2942 (افزایش 5% نسبت به هسته ساده) و صلبیت برشی (kN) 969 (افزایش بیش از 110%)، نشان‌دهنده‌ی ارتقای قابل توجه رفتار سازه‌ای است. علاوه‌بر طرح‌های تابعی هندسی هسته، تأثیر زاویه قرارگیری سلول واحد در هسته در بازه تغییرات صفر الی 90 درجه با گام تغییر 15 درجه، نیز مورد بررسی قرار گرفت. با توجه به نتایج بدست آمده تیر ساندویچی با هسته با زاویه قرارگیری ۴۵ درجه‌ای بیشترین سفتی خمشی با مقدار (N) 3251 (افزایش بیش از 16% نسبت به هسته ساده) و صلبیت برشی با مقدار (kN) 653 (افزایش بیش از 41%)، بین سایر مقادیر زوایای قرارگیری مختلف سلول واحد در هسته را بدست آورد. با توجه به نتایج بدست آمده می‌توان نتیجه گرفت که تغییر هندسه هسته تأثیر قابل‌توجهی بر سفتی خمشی تیر ساندویچی ندارد؛ زیرا آنچه در تعیین سفتی خمشی در ساختار ساندویچی سهم قابل توجهی دارد، جنس، ضخامت و فاصله رویه‌ها است و بازه تغییرات ناشی از هندسه هسته در حدود 15% باقی می‌ماند. از سوی دیگر، صلبیت برشی و مدول برشی هسته به طراحی هندسی آن حساس هستند و طراحی مناسب می‌تواند به‌طور قابل‌توجهی ظرفیت باربری، یکپارچگی سازه و جذب انرژی تیر ساندویچی را ارتقاء دهد. تحلیل رفتار خمشی و برشی تیرهای ساندویچی با هسته با زوایای مختلف با رویکرد همگن‌سازی هسته و بکارگیری روابط تحلیلی جهت محاسبه‌ی مدول‌های معادل الاستیک و برشی، با روش مدل‌سازی عددی انجام گرفت. مقایسه نتایج بدست آمده از شبیه‌سازی هندسه سلول واحد پریمیتو و هسته همگن در این بررسی نشان داد که بیشترین درصد اختلاف در تمامی مقادیر محاسبه شده، کمتر از 15% می‌باشد. این اختلاف در ارزیابی خواص معادل به ترتیب برای مدول الاستیک کمتر از  9% و مدول برشی کمتر از  10% می‌باشد. این اعتبارسنجی جامع، صحت و قابلیت اطمینان روابط تحلیلی ارائه شده را اثبات می‌کند. این دستاورد به کاهش چشمگیر زمان و هزینه محاسباتی در مراحل طراحی، کمک شایانی می‌کند.