مروری بر کاربرد روش محاسباتی تحلیل اجزای محدود FEM در تحقیقات مربوط به علوم و مهندسی چوب

        تهیه و تنظیم : مهندس احمد نصراصفهانی   احسان محرابی و  سعیده ابراهیمی

سطح مخاطبین این مطلب: کارشناسی و کارشناسی ارشد

چکیده

هدف از ارائه این مقاله معرفی روش تحلیل اجزای محدود و کاربرد های آن در تحقیقات مربوط به علوم چوب میباشد.مباحث مطالعه شده شامل کاربرد این روش در زمینه های چوب خشک کنی،خواص حرارتی چوب،کامپوزیت های چوبی ،فراورده های مهندسی شده چوبی،خرپاها،سقف و پلهای چوبی بوده است .

کلمات کلیدی:روش تحلیل اجزای محدود،چوب خشک کنی،خواص حرارتی چوب،کامپوزیت های چوبی

مقدمه

چوب به عنوان یک ماده طبیعی،سلولزی،پلیمری،ساختمانی و ویسکوالاستیک شناخته شده میباشد.در مورد کاربرد ساختمانی چوب باید عنوان نمود که این ماده قدیمی تر از بتن بوده است.که دارای خصوصیات مکانیکی منحصر به فردی میباشد.از خصوصیات منحصربه فرد این ماده میتوان به نسبت مقاومت به وزن بالا،ویژگیهای حرارتی و الکتریکی خوب و خصوصیات ماشینکاری منایب آن اشاره نمود.چوب میتواند با حداقل انرژی به اشکال و اندازه های مختلف فراوری شده و نسبت به به سایر مصالح مشکلات زیست محیطی کمتری ایجاد میکند.همچنین این ماده تجدید پذیر بوده و نسبت به شرایط محیطی در تخریب و نابودی میگردد.چوب در کنار دارا بودن خصوصیات  مناسب و خوب دارای معایبی نیز میباشد. این ماده دارای معایب طبیعی بوده و از لحاظ آناتومی ناهمگن میباشد.همچنین آتش گیر بوده و اگر به درستی خشک نشود دچار حملات عوامل زیستس میگردد.

 درنزدیک به چهار دهه اخیر ،روش تحلیل اجزای محدود،جهت حل مسایل مربوط به  پدیده های فیزیکی موجود،مکانیک جامدات و سیالات ابداع گردیده است این مقاله کاربرد این روش در زمینه های مختلف علوم چوب رامعرفی نموده است.زمینه های بررسی شده شامل موارد زیر هستند:

خصوصیات مکانیکی چوب

اتصالات به کار رفته در اجزای چوبی

تحلیل شکست در اجزای

مسایل مربوط به چوب خشک کنی و خصوصیات گرمایی چوب

فراورده ها و سازه های چوبی

الوار

گلولم و کامپوزیت های چوبی

خرپا ها و فریم های چوبی

پلها و سقف های چوبی

تحلیل خصوصیات مکانیکی چوب توسط روش تحلیل اجزای محدود

چوب به عنوان یک ماده ارتوتروپیک شناخته شده است که دارای بافت ریز و ناهمگنی بوده و دارای عیوب طبیعی همچون گره میباشد .زمانی که به عنوان یک ماده ساختمانی استفاده میشود،بررسی خصوصیات مکانیکی آن ضروری است.همانطور که گفته شد،چوب دارای اجزای ریز سلولی بوده که در دیواره سلولی آن رشته های سلولز،همی سلولز و لیگنین حضور دارند.آرایش رشته های سلولز نقش مهمی در خصوصیات مکانیکی چوب دارند.خصوصیات مکانیکی چوب بسیار پیچیده میباشد . زیرا تحت شرایط متغیر دما،رطوبت و شدت بارگذاری تغییر میکند.مطالعات چوب از سطح میکرو به ماکرو برای بررسی دقیق تر خصوصیات مکانیکی چوب ضروری میباشد.در سطحی میکروسکوپی،شکل الیاف و ضخامت دیواره سلولی درتحلیل اجزای محدود لحاظ میگردد.در مدلسازی به روش اجزای محدود که به صورت دوبعدی یا سه بعدی میباشد،تاثیر وجود گره،خصوصیات مورفولوژیکی الیاف و خصوصیات مربوط به رشد درخت در مدلسازی وارد میشود.و در نهایت داده های بدست آمده دارای اعتیار علمی بالاتری هستند.

تحلیل اتصالات چوبی

اتصالات در اجزای چوبی بسیار متنوع بوده و در طیف گسترده ایی قرار میگیرند.اتصالات ،ضعیف ترین نقاط در اجزای چوبی میباشند.در نتیجه اطلاع از خصوصیات مکانیکی این اجزا ضروری یه نظر میرسد.روش تحلیل اجزای محدود روش کارآمدی برای تحلیل اتصالات تقویت شده وتقویت نشده میباشد .با این روش میتوان واکنش اتصالات را نسبت به بارگذاری یکنواخت و دوره ایی پیش بینی نمود.خصوصیات اتصالات چوبی همچون میزان مقاومت وجذب انرژی حاصل از زلزله توسط روش تحلیل اجزای محدود تعیین میگردند.

فرایند چوب خشک کنی و بررسی خصوصیات حرارتی چوب

چوب دارای خاصیت جذب رطوبت میباشد.شبیه سازی فرایند خشک شدن چوب تابع بررسی سه پدیده مهم میباشد.این پدیده ها شامل انتقال حرارت،جریان رطوبت در داخل چوب و تغییر شکل ظاهری چوب میباشند.همکشیدگی و واکشیدگی باعث ایجاد تنش داخلی در داخل چوب شده و در نهایت باعث ایجاد اعوجاج در چوب میگردد.فرایند چوب خشک کنی میتواند توسط روش تحلیل اجزای محدود مدلسازی شود و پارامتر های مربوط به این فرایند در تحلیل لحاظ شود تا فرایند چوب خشک کنی با موفقیت انجام شده و اعوجاج در چوب ایجاد نشود.

تحلیل فرایند برش و ماشینکاری چوب

توسط این روش میتوان شکل هندسی تراشه های حاصل از فرایند برش،نیروی لازم برای برش چوب،شکست سلولهای چوبی در طی فرایند برش و کیفیت سطح چوب بعد از فرایند ماشینکاری را پیش بینی نمود.

کاربرد روش تحلیل اجزای محدود در تولید محصولات چوبی

محصولات چوبی شامل الوار چوبی،گلولم،تخته لایه،تخته تراشه جهت دار و غیره میباشند.محصولات چوبی میبایست در مقابل بارگذاری عمودی(قائم)و بارگذاری افقی(زلزله و نیروی باد ) مقاومت کنند.

الوارهای چوبی

الوار های چوبی اغلب به شکل مستطیلی بوده که از گونه های مختلف چوبی حاصل میگردند.مدلسازی فرایند شکست در الوار چوبی،پیچش و صلبیت مقاومت کششی توسط روش تحلیل اجزای محدود انجام میشود.

گلولم

گلولم از اتصال لایه های کوچک چوبی توسط چسب مقاوم حاصل میگردد.توسط این فراورده ما قادر خواهیم بود اجزای چوبی در شکل ها و ابعاد مختلف ایجاد کنیم.مشکل مهم این فراورده اتصالات آن بوده که میبایست دارای اطمینان لازم در مقابل بارگذاری های مختلف باشد.توسط روش اجزای محدود ما قادر خواهیم بود شرایط قابل اطمینانی را برای این فراورده ایجاد نماییم.

خرپاها و فریم های چوبی

تحلیل اجزای محدود با روشهای دوبعدی و سه بعدی  ما را قادر میسازدتا وضعیت خرپا یا فریم چوبی را تحت بارگذاری استاتیکی و دینامیکی مورد بررسی قرار دهیم.

سقف و کفپوش های چوبی

روش تحلیل اجزای محدود جهت پیش بینی واکنش اجزای سقف های چوبی تحت بارگذاری استاتیکی و دینامیکی با استفاده و بدون استفاده از تقویت کننده مورد استفاده قرار میگیرد.در تحلیل اغلب  فاکتورهای متعدد دیگری همچون اتصالات،وضعیت هندسی شان مورد بررسی قرار میگیرد.

پلهای چوبی

پیشرفت و توسعه استفاده از پلهای چوبی مستلزم بررسی وضعیت استاتیکی و دینامیکی آن سازه میباشد.فاکتور موثر در تعیین خصوصیات دینامیکی پل شامل وضعیت ترافیک و نیروی باد وارد بر بدنه پل میباشند.در این مورد میبایست خصوصیات میرایی پل مورد توجه قرار گیرد. روش تحلیل اجزای محدود برای انجام محاسبات مربوط به پلهای چوبی مورد استفاده قرار میگیرد. 

نتیجه گیری:

همانطور که ملاحظه شد استفاده از روش تحلیل اجزای محدود ما را قادر میسازد که بتوانیم به شکل مهندسی تر و دقیق تر به مطالعه در زمینه های  مختلف علوم چوب که شامل چوب خش پرداخته  و منجر به توسعه هر چه بیشتر محصولات چوبی در ایران گردیم.اطلاعات ارائه شده در این مقاله برای آشنانی کلی  دانشجویان علوم  و صنایع چوب میتواند مفید واقع گردد.

فهرست منابع و ماخذ

1-Aicher S et al (2001) Effect of polar anisotropy of wood loaded perpendicular to grain. J Mater Civil Eng 13(1):2–9 

2-Erdodi B I (2004) Experimental and numerical analysis of timber joints. In: High Perform Struct Mater II, WIT Press, Southampton, pp 201–210

3- Carlsson P, Esping B (1997) Optimization of the wood drying process. Struct Optim 14(4):232–241

4-Gupta R et al (2002) Finite element analysis of the stress distribution in a Torsion test of full-size, structural lumber. J Test Eval 30(4):291–302 

5-Andreasson S et al (2002) Sensitivity study of the finite element model for Wood-framed shear walls. J Wood Sci 48(3):171–178