بدنه کامپوزیتی:

کشتی­ ها به طور دائم، از طرف محیط دریا مورد هجوم بوده‌اند. بدنه اکثر شناورهای بزرگ از فولادهای کربن دار معمولی ساخته می­ شوند که بسیار به خوردگی حساس است. همچنین علائم گرمایی و الکترومغناطیسی آن‌ها، از فواصل دور قابل‌شناسایی خواهد بود. به علاوه قاب­ بندی ساختار شناورهای بزرگ امروزی، تفاوت چندانی با شناورهای چوبی گذشته ندارد. تنها تفاوت آن‌ها بدنه بزرگ‌تر به واسطه فولاد مستحکم تر است. چراکه هر دو نوع سازه­ ی چوبی و آهنیِ کشتی، شبکه­ ای از قاب­ های طولی و عرضی است که به وسیله ورق نازکی پوشانده می­ شود، تا فرم بدنه تشکیل گردد. این استاندارد از طراحی و ساخت کشتی‌های فولادی، از حدود ۱۰۰ سال پیش رایج است و با استفاده از تکنولوژی ساخت بسیار کامل، تکنسین­ های متخصص و کار­آمد و زمان ساخت بسیار کوتاه در حال انجام است.

با این حال در این روش­ ها کمبودهایی اساسی وجود دارد. این روش­ ها شامل روش­ های ساخت بسیار فشرده و شامل جوشکاری هزاران قطعه فولادی است. تمامی جوش­ ها موجب ایجاد مناطق متأثر از حرارت شده که خود عامل تمرکز تنش خواهد بود و همچنین نسبت به خوردگی بسیار آسیب‌پذیر هستند و عمر خستگی پایین تری خواهند داشت. در نهایت پوشش گسترده­ ای از ورق­ ها بایستی کل این سازه را بپوشاند. تمام این عوامل باعث افزایش بسیار زیاد هزینه ساخت و نگهداری کشتی می­ شود.

اما شناورهای نظامی بایستی دارای فناوری اختفاء بدنه و به ویژه آشکارسازی کمتر علائم مغناطیسی، صوتی، هیدرودینامیکی، راداری و گرمایی باشند. یک روش برای تحقق این هدف استفاده از مواد مرکب تقویت‌شده با پلیمر در ساخت بدنه شناور است. کامپوزیت­ ها مزایای بسیاری نسبت به فولاد دارند. از جمله آن ها میتوان به نسبت وزن به استحکام بهتر تجهیزات، هزینه نگهداری کمتر و قابلیت فرم دهی بالا برای ساخت بدنه­ های پیچیده اشاره کرد. همچنین از قابلیت­ های اختفاء بدنه­ های کامپوزیتی می توان به موارد زیر اشاره کرد:

  • این بدنه­ ها غیر مغناطیسی هستند و بدین ترتیب در مقابل مین­ ها و اژدر­ها مقاومت بیشتری خواهند داشت.
  • خاصیت جذب امواج رادار در این مواد بیشتر از انعکاس این امواج است، که باعث کاهش سطح مقطع رادار[۱] می­ شود.
  • این بدنه­ ها ارتعاشات هارمونیک کمتری ایجاد می­ نمایند، بنابراین نویز و صدای کمتری در آب تولید می­ کنند.
  • خواص گرمایی آن‌ها باعث می­ شود تا علائم گرمایی کمتری نمایان سازند.

علاوه بر خواصی که برای کامپوزیت در اختفاء گفته شد، این مصالح ماندگاری بالا و عمر خستگی بیشتری خواهند داشت.

درعین‌حال، نیروهای دریایی، فولاد­های ضد زنگ را نیز به عنوان مواد تشکیل‌دهنده بدنه شناور­های خود، بررسی نموده­ اند. فولاد ضد زنگ علاوه بر مزایای فولاد کربنی، ضد مغناطیسی بوده و دوام خوردگی بالاتری دارد. متأسفانه، فولاد ضد زنگ به طور قابل‌ملاحظه‌ای گران‌تر از فولاد معمولی است. اگرچه در هنگام ساخت بدنه شناورهای تک لایه­ ی یکپارچه، رقابت از لحاظ اقتصادی برای انتخاب فولاد ضد زنگ بسیار دشوار خواهد بود، اما طرح­ های انقلابی نوینی، همانند بدنه­ های دوجداره پیشرفته[۲] وجود دارند که به طور قابل‌توجهی برای ساخت با فولاد ضد زنگ، نیروی کار کمتری نیاز دارند. با توجه به اینکه، برای شناورهای دو جداره، کاهش هزینه­ ی ساخت به وسیله کاهش هزینه­ ی نیروی کار بسیار مهم‌تر از تفاوت قیمت فولاد ضد زنگ و کربنی خواهد بود؛ ساخت با فولاد ضد زنگ از نظر اقتصادی انتخاب جذاب­ تری خواهد داشت. همچنین بدنه دو جداره، موجب افزایش قابلیت بقا، به وسیله‌ی دشوارتر شدن پارگی یا سوراخ شدن بدنه، می­ شود.

در قرن ۲۱ با ورود بدنه­ های ترکیبی، که از ترکیب فولاد ضد زنگ و کامپوزیت ایجاد شده است که علاوه بر قابلیت اختفاء و کاهش وزن کامپوزیت، استحکام و سفتی فولاد را دارد؛ دو مسئله مورد بررسی قرار گرفت. مسئله اول قابلیت استفاده از این ترکیب در شناورهای جنگی و نکته دوم، مسائل پیش روی طراحی و ساخت بدنه­ های ترکیبی است.

[۱] Radar Cross Section

[۲] ADH


مواد مرکب مورد استفاده در بدنه شناورهای کامپوزیتی:

عوامل اصلی استفاده از مواد مرکب در بدنه قابلیت اختفاء، هزینه کلی کمتر و کاهش وزن است. از زمانیکه که با پیشرفت کامپوزیت­ ها، هزینه ساخت آن‌ها بالا رفته است، طراحان به دنبال مزایای ملموس دیگر مواد مرکب برای کاهش هزینه­ های ساخت اولیه و هزینه­ های دوره عمر نسبت به فولاد می‌باشند. همان طور که اشاره شد کامپوزیت از نظر اختفاء قابلیت‌هایی را ارائه می‌دهد که فولاد از آن‌ها بی‌بهره است. از طرفی نیاز به نگهداری کم و عدم خوردگی به نحوی سبب کاهش هزینه­ های شناور می­ شود. همچنین بدین وسیله نیروی انسانی کمتری برای ساخت و نگهداری لازم است.

کاهش وزن به واسطه استفاده از کامپوزیت، باعث تقویت توانایی­ هایی از جمله افزایش ظرفیت باربری، سرعت بیشتر و برد عملیاتی بیشتر به واسطه مصرف سوخت کمتر می­ش ود. ویژگی دیگر کامپوزیت قابلیت طراحی و ساخت فرم بدنه­ های بسیار پیچیده با حداقل افزایش هزینه در ساخت و وزن است که در مورد فولاد صدق نمی­ کند. طراحی هیدرودینامیک بدنه شناور، به خصوص در نواحی سینه و پاشنه که به شکل­ های پیچیده­ای نیاز دارند، به منظور افزایش راندمان یا دیگر مزیت­ های هیدرودینامیکی به وسیله استفاده از مواد مرکب آسان­تر به دست می­ آید.

در مقابل، مراحل ساخت بدنه به وسیله جوشکاری فولاد موجب ایجاد تنش پسماند زیاد و تغییر شکل­ های ناخواسته در ورق­ ها[۱] می­ شود. چنین تغییرشکل­ هایی در طول شناور به تغییرشکل­ های زین اسبی[۲] گفته می­ شود. سطح مقطع رادار بدنه به واسطه سطوح مقعر متعدد و منکسر شدن (پراش) سیگنال­ های رادار افزایش‌ یافته و در نتیجه بزرگ‌نمایی آشکار سازی کلی را به همراه خواهد داشت. از طرفی، باعث کاهش عمر خستگی تحت سیکل­ های باری مکرر، که با نام Panting معروف است، می­ شود. به دلیل اینکه بدنه فولاد ضد زنگ، تنش باقی‌مانده بیشتری نسبت به فولاد عادی متحمل می­ شود؛ بنابراین تغییر شکل دیشینگ در آن بیشتر خواهد بود. تنها راه مقابله با این پدیده در هنگام ساخت، فرونشاندن تنش پسماند به وسیله عملیات پر هزینه گرمایی و یا استفاده از چندین تکنولوژیِ جوشکاری پیشرفته که قادر باشد تنش پسماند را به حداقل برساند، همانند جوشکاری لیزر که در اغلب کارخانه­ ها موجود نمی­ باشد، است. در بعضی مواقع طراحان برای کاهش این تغییر شکل­ های ناخواسته، ضخامت ورق­ ها را افزایش می­ دهند که افزایش وزن را به دنبال خواهد داشت.

کامپوزیت بهترین راه حل برای رفع بسیاری از مشکلات موجود در سازه­ های فولادی است. در ساخت سازه­ های کامپوزیتی تلورانس می‌تواند تا حد بالایی کم شود و بدین ترتیب حداقل تنش پسماند ایجاد شود. بنابراین، کامپوزیت علاوه بر تأمین نیازهای اختفاء، باعث کاهش نگهداری و هزینه کلی می­ شود و از این حیث، یک انتخاب معقول است. اگرچه، کامپوزیت­ ها هم معایب خاصی دارند که بایستی مشخص و مدیریت شوند.

بررسی­ های زیاد نشان داده است که برای شناورهایی با طول بیش از ۲۰۰ فوت، ۶۰ متر، حتی کامپوزیت­ های فیبر کربن هم نمی­ توانند استحکام و سفتی مورد نیاز بدنه را تأمین نمایند. در شکل ۱ مشخص شده است که می‌توان با ساخت قسمت­ هایی از شناور از کامپوزیت و قسمت­ هایی از فولاد، شکاف عملکرد هریک از مصالح توسط دیگری اصلاح شود.

Pic_1شکل ۱: استفاده از روش بدنه مرکب در ساخت شناورهای نظامی

[۱] dishing

[۲] Hungry horse


هزینه ساخت شناورهای بزرگ کامپوزیتی با فیبر کربن و طول بیش از ۴۰۰ فوت، ۱۲۰ متر، بسیار هنگفت خواهد بود. قیمت فعلی (۲۰۰۳) فیبر کربن ۱۸-۱۲ دلار به ازای هر پوند وزنی و در مقابل برای فولاد با استحکام بالا ۴۵/۰ – ۳/۰ دلار به ازای هر پوند وزنی برای فولاد ضد زنگ می‌باشد. از طرف دیگر، مواد کامپوزیتی با کارایی بالا و هزینه کم، همانند پلاستیک تقویت شده با شیشه[۱] که با روش­ های ساخت خاص همانند RTM [2] تولید می­ شوند، می­ توانند با فولاد بر اساس نسبت وزنی مقایسه شوند. کامپوزیت­ های با کارایی بالا[۳] دارای نسبت استحکام به وزن فوق­ العاده­ ای نسبت به فولاد می‌باشند. فرایند­های RTM مختلف به صورت رقابتی برای ساخت بدنه قایق­ های گشت ساحلی، کروت­ ها و مین­روب­ ها استفاده می­ شوند. در حال حاضر، شناور سوئدی Visby بزرگ‌ترین شناور تمام کامپوزیت فیبر کربن ساندویچی است.

کامپوزیت­ ها از نظر سفتی[۴]و استحکام درون صفحه­ ای[۵] برای استفاده در بدنه کشتی‌های جنگی بزرگ‌تر کارایی نخواهند داشت. سازه شناور­های نظامی طولانی، بارهای ناشی از فشارها و کشش­ های محوری متناوب به واسطه هاگینگ[۶]و سگینگ[۷]ناشی از امواج دریا را متحمل می­ شود.

بنابراین برای سازه­ ی کشتی‌های کامپوزیتی طویل، استحکام درون صفحه­ ای به یکی از معیار­های طراحی تبدیل می­ شود. در مقابل برای کشتی‌های کوچک و قایق­ ها (همانند Visby) استحکام خمشی[۸] (و نه استحکام درون صفحه­ ای) معیار طراحی قرار می­ گیرد. تکنولوژی ساختار ساندویچی کامپوزیت، که معمولاً در قایق­ ها و کشتی‌های کوچک استفاده می­ شود، استحکام درون صفحه­ ای لازم برای شناور­های طولانی را، در شرایط بارگذاری دریا، نمی­ تواند تأمین کند.

بنابراین کامپوزیت­ ها قادرند خدماتی از جمله اختفاء، نگهداری و تعمیر آسان‌تر بدنه، را ارائه دهند. اما در مقابل توانایی تحمل بارهای سنگین وارده به سازه­ی بدنه در شناورهای بزرگ را ندارند. از سویی دیگر فولاد ضد زنگ از استحکام مناسبی برخوردار است، خواص مغناطیسی مطلوبی دارد و مقاوم در برابر خوردگی است؛ اما در حجم بالا بسیار گران و از نظر دیگر خواص مانند اختفاء، کارامد نمی‌باشد. این مفاهیم استفاده از بدنه­ های مرکب از کامپوزیت که موجب افزایش اختفاء و بهینه‌سازی شرایط نگهداری می­ شود به همراه قسمت­ هایی از فولاد ضد زنگ در مکان­ هایی که محدودیت سازه­ای وجود دارد، را ممکن می­ سازد.

[۱] GRP

[۲] Resin Transfer Molding

[۳] High Performance Composites

[۴] Stiffness

[۵] In-Plane Strength

[۶] Hogging

[۷] Sagging

[۸] Bending Strength


کلیدواژه ها : ,

این خبر را به اشتراک بگذارید :