11

פרויקט מסכםפרויקט מסכם

05-0405-04מספר פרויקט: מספר פרויקט:

אפיון ההתנהגות המכאנית של ספוגי אפיון ההתנהגות המכאנית של ספוגי אלומיניוםאלומיניום

22

מבואמבוא

פרויקט מחקר זה נבע מהצורך לכייל מודלים פרויקט מחקר זה נבע מהצורך לכייל מודלים נומרייםנומריים

בתוכנות מחשב המבצעות סימולציות של מיגוןבתוכנות מחשב המבצעות סימולציות של מיגון

מבנים בפני גלי הדף מפיצוץ.מבנים בפני גלי הדף מפיצוץ.

33

מטרת הפרויקט :מטרת הפרויקט :

אפיון התכונות המכאניות של ספוגי אלומיניום אפיון התכונות המכאניות של ספוגי אלומיניום

לקבלת גרף עיבור נפחי-לחץ בהשפעת שינוי לקבלת גרף עיבור נפחי-לחץ בהשפעת שינוי קצבי קצבי

עיבור, צפיפויות והעמסה.עיבור, צפיפויות והעמסה.

44

השיטות לפתרוןהשיטות לפתרון

לימוד והכרת סוגי ספוגי מתכת. לימוד והכרת סוגי ספוגי מתכת.

בחירת סוגי ספוגים מתאימים.בחירת סוגי ספוגים מתאימים.

לימוד והכרת שיטות ניסוי לאפיון תכונות לימוד והכרת שיטות ניסוי לאפיון תכונות מכאניות. מכאניות.

ביצוע ניסויים סטאטיים ודינאמיים.ביצוע ניסויים סטאטיים ודינאמיים.

עיבוד המידע לקבלת התכונות המכאניות של עיבוד המידע לקבלת התכונות המכאניות של הספוג.הספוג.

55

הערכה כלכלית

דוגמת אנליזה

אפליקציה למיגון

סיכום תוצאות

דינאמיים

סטטיים

רקע תיאורטי

תכנון ניסויים

סיכום ומסקנות

שלבי הפרויקטשלבי הפרויקט

66

רקע תיאורטי

מבנים מבנים סלולרייםסלולריים

תאים סגוריםתאים סגוריםתאים פתוחיםתאים פתוחיםחלות דבשחלות דבש

טכניקות ייצורטכניקות ייצורהזרמת גזהזרמת גזאקסטרוזיהאקסטרוזיה מטריצה מטריצה

מתכלהמתכלה

תכונותתכונות

אפליקציותאפליקציות

יצרניםיצרנים

77

תכנון ניסוייםבפרויקט זה נבדקו ספוגי אלומיניום עם תאים סגורים בפרויקט זה נבדקו ספוגי אלומיניום עם תאים סגורים

, הקנדית., הקנדית.CYMATCYMATשל חברת של חברת

TYPE ATYPE B

: Type A -עוביmm72 -צפיפות ,gr/cc0.135

: Type B -85עוביmm -צפיפות ,gr/cc0.27

: Type C -35עוביmm -צפיפות ,gr/cc0.135

88

ניסויים סטטיים

מכשיר לחיצה הידראולמכשיר לחיצה הידראוליי

INSTRONINSTRON מכבש מכבש

תוצאותתוצאות

99

מכשיר לחיצה הידראולימכשיר לחיצה הידראוליתיאור המערכתתיאור המערכת

מהלך הניסוימהלך הניסויעומס לחיצה חד-ציריתעומס לחיצה חד-צירית 5%5%צפיפות צפיפותקצב קוואזי סטטיקצב קוואזי סטטי

גרף כיול

מכשיר למדידת מעוותים

מד מעוותבוכנת לחיצה

ברז שחרור לחץ

1010

INSTRONINSTRONמכבש מכבש תיאור המערכתתיאור המערכת

מהלך הניסוימהלך הניסויעומס לחיצה חד-ציריתעומס לחיצה חד-צירית 10%10%,,5%5%צפיפות צפיפות קצב קצבmm/secmm/sec 1 1

1111

תוצאות הניסויים הסטטייםתוצאות הניסויים הסטטיים

P VS Volumetric Strain

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0

Volumetric Strain

Pre

ssu

re [

KP

a]

Instron (5%) 0.001[m/sec]static pressure 5%Instron (10%) 0.001[m/sec]

P VS Volumetric Strain

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

Volumetric Strain

Pre

ss

ure

[K

Pa

]

Instron (5%) 0.001[m/sec]

Instron (10%) 0.001[m/sec]

Pressure vs volumetric strain

0

50

100

150

200

250

300

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6

volumetric strain [mm/mm]

pre

ssu

re [

KP

a]

TYPE A (5%)

מכשיר לחיצה הידראומכשיר לחיצה הידראולילי

INSTRONINSTRON מכבש מכבש

ריכוז תוצאותריכוז תוצאות

1212

תוצאות מכשיר לחיצה הידראוליתוצאות מכשיר לחיצה הידראוליPressure vs volumetric strain

0

50

100

150

200

250

300

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6

volumetric strain [mm/mm]

pre

ssu

re [

KP

a]

TYPE A (5%)

1313

INSTRONINSTRONתוצאות מכבש תוצאות מכבש P VS Volumetric Strain

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

Volumetric Strain

Pre

ss

ure

[K

Pa

]

Instron (5%) 0.001[m/sec]

Instron (10%) 0.001[m/sec]

1414

ריכוז תוצאות סטטיותריכוז תוצאות סטטיותP VS Volumetric Strain

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0

Volumetric Strain

Pre

ss

ure

[K

Pa

]

Instron (5%) 0.001[m/sec]static pressure 5%Instron (10%) 0.001[m/sec]

1515

ניסויים דינאמיים

INSTRONINSTRON מכבש מכבש

מטוטלת אימפקטמטוטלת אימפקט

נקבת הלםנקבת הלם

תוצאותתוצאות

1616

INSTRONINSTRONמכבש מכבש תיאור המערכתתיאור המערכת

מהלך הניסוימהלך הניסויעומס לחיצה חד-ציריתעומס לחיצה חד-צירית 10%10%,,5%5%צפיפות צפיפות קצב קצבm/secm/sec 2 2

1717

מטוטלת אימפקטמטוטלת אימפקט

תיאור המערכתתיאור המערכת

מהלך הניסוימהלך הניסוי עומס לחיצה עומס לחיצה

חד-ציריתחד-צירית 5%5%צפיפות צפיפות קצב קצבm/secm/sec 1-2 1-2

סרטון

1818

סכימת מערכת המטוטלתסכימת מערכת המטוטלת

מטוטלת אימפקט

B2120מגבר

מערכתאיסוףנתונים

לוח בטון

133Eמגבר

ספוג

מדיד תאוצה- מדיד מעוות-

1919

נקבת הלםנקבת הלם

מדדי לחץ

תא הניסוי

DRIVEN

DRIVER תיאור המערכתתיאור המערכת

מהלך הניסוימהלך הניסויעומס לחיצה חד-ציריתעומס לחיצה חד-צירית 5%5%צפיפות צפיפות קצב קצבm/secm/sec 30 30

2020

תוצאות הניסויים הדינאמייםתוצאות הניסויים הדינאמיים

P VS Volumetric Strain

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7

Volumetric Strain

Pre

ssu

re [

KP

a]

Impact Pendelum foam 5%

P vs Volumetric strain

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9

Volumetric Strain

Pre

ss

ure

[K

Pa

]

shockwave 5%

P VS Volumetric Strain

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9

Volumetric Strain

Pre

ssu

re [

KP

a]

Instron Type A (5%) 2[m/sec]

Instron Type B (10%) 2[m/sec]

ריכוז תוצאותריכוז תוצאות

P vs Volumetric strain

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9

Volumetric Strain

Pre

ssu

re [

KP

a]

Instron Type B (10%) 2[m/sec]

Instron Type A (5%) 2[m/sec]

Impact Pendelum foam 5%

shockwave 5%

INSTRONINSTRON מכבש מכבש

מטוטלת אימפקטמטוטלת אימפקט

נקבת הלםנקבת הלם

2121

INSTRONINSTRONתוצאות מכבש תוצאות מכבש P VS Volumetric Strain

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9

Volumetric Strain

Pre

ss

ure

[K

Pa

]

Instron Type A (5%) 2[m/sec]

Instron Type B (10%) 2[m/sec]

2222

תוצאות מטוטלת אימפקטתוצאות מטוטלת אימפקטP VS Volumetric Strain

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7

Volumetric Strain

Pre

ssu

re [

KP

a]

Impact Pendelum foam 5%

2323

תוצאות נקבת הלםתוצאות נקבת הלםP vs Volumetric strain

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9

Volumetric Strain

Pre

ss

ure

[K

Pa

]

shockwave 5%

2424

ריכוז תוצאות דינאמיותריכוז תוצאות דינאמיותP vs Volumetric strain

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9

Volumetric Strain

Pre

ss

ure

[K

Pa

]

Instron Type B (10%) 2[m/sec]

Instron Type A (5%) 2[m/sec]

Impact Pendelum foam 5%

shockwave 5%

2525

סיכום תוצאותסיכום תוצאות

P vs Volumetric strain

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

Volumetric Strain

Pre

ss

ure

[K

Pa

]

Instron (10%)0.001[m/sec]

Instron Type B(10%) 2[m/sec]

Instron Type A(5%) 2[m/sec]

Instron (5%)0.001[m/sec]

ImpactPendelum foam5%

static pressure5%

shockwave 5%

מתחת כשטח מוגדרת "בולע" שהספוג נפח ליחידת האנרגיה Joul/m3כך: לעקומת לחץ מעוות נפחי ומחושבת

0

0

dPE

2626

אפליקציה למיגון

צילום מהיר של ניסוי פיצוץ

2727

תוצאות הפיצוץתוצאות הפיצוץ

מטרה ממוגנת

מטרה חשופה

2828

FEMדוגמת אנליזת באנליזה נבדקו שני מקרים: האחד מיכל עם ספוג והשני באנליזה נבדקו שני מקרים: האחד מיכל עם ספוג והשני

ללא.ללא.

2929

תוצאות האנליזהתוצאות האנליזה

1

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

(x10**1)

VALU

0.5

11.5

22.5

33.5

44.5

5

TIME

(x10**-3)

LS-DYNA user input

JUN 4 200415:26:14

POST26

INTN ENEKINE ENE12

1

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

(x10**1)

VALU

0.2

.4.6

.81

1.21.4

1.61.8

2

TIME

(x10**-2)

LS-DYNA user input

JUN 4 200415:22:13

POST26

INTN ENEKINE ENE12

חלוקת האנרגיה במיכל ללא ספוג חלוקת האנרגיה במיכל ממוגן עם ספוג

3030

הערכה כלכלית

עלות הפרויקט מורכבת משלושה מרכיבים: עלות הפרויקט מורכבת משלושה מרכיבים:

עלות חומרי גלם.עלות חומרי גלם.

עלות עבודת ייצור.עלות עבודת ייצור.

שעות עבודה לביצוע ניסויים.שעות עבודה לביצוע ניסויים.

₪. ₪.8,8008,800סה"כ עלות מחקר הינה: סה"כ עלות מחקר הינה:

3131

סיכום ומסקנות

הצפיפות היחסית של הספוג וקצב המעוות הם שני הצפיפות היחסית של הספוג וקצב המעוות הם שני פרמטרים משמעותיים ביותר עבור התכונות פרמטרים משמעותיים ביותר עבור התכונות

המכאניות של הספוג.המכאניות של הספוג.בקצבים נמוכים בתחום הנבדק, כמות האנרגיה בקצבים נמוכים בתחום הנבדק, כמות האנרגיה

שעוברת לספוג אינה מושפעת מקצב המעוות.שעוברת לספוג אינה מושפעת מקצב המעוות.בקצבי מעוות גדולים יותר (קרובים יותר לקצבים בהם בקצבי מעוות גדולים יותר (קרובים יותר לקצבים בהם

צפוי הספוג להיתקל בפיצוץ), קשיחות הספוג גדלה צפוי הספוג להיתקל בפיצוץ), קשיחות הספוג גדלה וכמות האנרגיה הנספגת בו גדלה.וכמות האנרגיה הנספגת בו גדלה.

הלחץ הדרוש לקריסת הספוג גדל ככל שהצפיפות הלחץ הדרוש לקריסת הספוג גדל ככל שהצפיפות היחסית של הספוג גדלה.היחסית של הספוג גדלה.

בקצב מעוות קבוע, האנרגיה שהספוג סופג גדלה ככל בקצב מעוות קבוע, האנרגיה שהספוג סופג גדלה ככל שהצפיפות היחסית של הספוג גדלה.שהצפיפות היחסית של הספוג גדלה.

עובי הספוג לא משפיע על כמות האנרגיה ליחידת עובי הספוג לא משפיע על כמות האנרגיה ליחידת נפח שהוא יכול לספוג.נפח שהוא יכול לספוג.

3232

המלצות להמשך המחקרהמלצות להמשך המחקר

השפעת הטמפרטורה על ההתנהגות המכאנית.השפעת הטמפרטורה על ההתנהגות המכאנית.

)- החזר של גלים אלסטיים )- החזר של גלים אלסטיים SPALLSPALLתופעת הפצלה (תופעת הפצלה (הגורם לעליה במאמצים ולקריעת הספוג.הגורם לעליה במאמצים ולקריעת הספוג.

השפעת גודל התאים על ההתנהגות המכאנית.השפעת גודל התאים על ההתנהגות המכאנית.

ההיבטים התרמו-דינאמיים.ההיבטים התרמו-דינאמיים.

סוגי ספוגים אחרים (תאים פתוחים,חלות דבש).סוגי ספוגים אחרים (תאים פתוחים,חלות דבש).

3333

חלקים מעבודה זו פורסמו בכנס מדעי שנערך השנה חלקים מעבודה זו פורסמו בכנס מדעי שנערך השנה ביפן:ביפן:

““Dynamic compressive behavior of aluminum Dynamic compressive behavior of aluminum

foams under impact loads and shock waves”foams under impact loads and shock waves”, in , in Design and Analysis of Protective Structures Design and Analysis of Protective Structures against Impact/Impulsive/Shock Loads, Eds. T. against Impact/Impulsive/Shock Loads, Eds. T. Ohno, T. Krauthammer & T.-C. Pan, Daioh Co. Ohno, T. Krauthammer & T.-C. Pan, Daioh Co. Ltd., Kanda, Tokyo, Japan, 71-77, 2003Ltd., Kanda, Tokyo, Japan, 71-77, 2003..

וכמו כן, במאמר המדעי הבא:וכמו כן, במאמר המדעי הבא:

""Experimental Investigation of the Dynamic Experimental Investigation of the Dynamic Properties of Aluminum FoamsProperties of Aluminum Foams"", , Accepted ASCE Accepted ASCE J.J. Structure Engineering (2004)Structure Engineering (2004)..

3434

עיבוד וניתוח תוצאותמתקן לחיצה הידראולימתקן לחיצה הידראולי

INSTRONINSTRON מכבשמכבש

מטוטלת אימפקטמטוטלת אימפקט

נקבת הלםנקבת הלם

3535

חישוב שגיאהחישוב שגיאה

השגיאה במעוותהשגיאה במעוות

3

2

4

2

4

22 1051.110083.0

110

0.083

063.0

m

mm

m

mE