بارگذاری ضربه‌ای

بارگذاری ضربه‌ای (به انگلیسی: Impact loading) به نوعی از بارگذاری دینامیکی گفته می‌شود که در آن نیرو یا تنش در بازهٔ زمانی بسیار کوتاه و با سرعت بالا بر سازه یا نمونه ماده اعمال می‌گردد. این پدیده موجب ایجاد تنش‌های گذرا، تغییر شکل سریع و گاهی شکست در ماده می‌شود. بررسی رفتار مواد تحت بارگذاری ضربه‌ای در مهندسی مکانیک و مهندسی مواد برای طراحی سازه‌های مقاوم، زره، خودرو و قطعات هوافضا اهمیت زیادی دارد.
thumb|بند انگشتی|چپ|نمونه بارگذاری ضربه‌ای

 تعریف و توصیف پدیده 
در بارگذاری ضربه‌ای، انرژی جنبشی جسمی که با سرعت به سازه برخورد می‌کند، به صورت ناگهانی به انرژی کرنش در ماده تبدیل می‌شود. فرض کنید میله‌ای با سطح مقطع یکنواخت داشته باشیم که جسمی با جرم و سرعت اولیه به انتهای آن برخورد کند. در لحظهٔ ضربه، موج تنش در طول میله منتشر می‌شود و باعث تغییر شکل موقت در آن می‌گردد. پس از چند نوسان گذرا، سازه به حالت سکون بازمی‌گردد و تنش‌های دینامیکی از بین می‌روند.

 روش‌های تحلیل بارگذاری ضربه‌ای 
تحلیل رفتار مواد تحت بارگذاری ضربه‌ای می‌تواند به دو دستهٔ عمده تقسیم شود:

 روش‌های تحلیلی (Analytical) 
در این روش‌ها با استفاده از معادلات حرکت و معادلات موج، رفتار تنش و کرنش در نقاط مختلف ماده مدل‌سازی می‌شود. برای مثال، فرض می‌شود که موج‌های تنش با سرعت موج الاستیک در طول میله حرکت کرده و بازتاب می‌شوند.

 روش‌های عددی (Numerical) 
برای سازه‌های پیچیده و مواد غیرخطی، از روش اجزای محدود (FEA) در حوزهٔ زمان استفاده می‌شود. مدل‌های عددی صریح (Explicit) مانند شبیه‌سازی‌های دینامیک گذرا امکان بررسی انتشار موج، شکست و تغییر شکل پلاستیک را فراهم می‌کنند.

 محاسبهٔ تنش و کرنش ماکزیمم 
با فرض انتقال کامل انرژی جنبشی جسم به سازه:

اگر انرژی کرنشی ناشی از تغییر شکل برابر با انرژی جنبشی باشد، داریم:

و برای مادهٔ یکنواخت کشسان:

که در آن:
 : تنش ماکزیمم
 : حجم میله
 : مدول یانگ

بنابراین:

در عمل بخشی از انرژی تلف می‌شود (مثلاً بر اثر اصطکاک، ارتعاش یا بازگشت جزئی جسم)، بنابراین طراحی سازه معمولاً محافظه‌کارانه انجام می‌شود.

 روش‌های تعیین مقاومت ضربه‌ای 
 آزمون چارپی (Charpy Impact Test) 
آزمون چارپی یکی از رایج‌ترین روش‌ها برای اندازه‌گیری مقاومت ضربه‌ای مواد است. در این آزمون، یک نمونه به شکل مستطیلی تحت یک ضربه یک‌طرفه از یک وزنه متحرک قرار می‌گیرد. میزان انرژی جذب‌شده توسط ماده، که به صورت کاهش انرژی وزنه اندازه‌گیری می‌شود، به عنوان مقاومت ضربه‌ای آن ماده محاسبه می‌شود.

 آزمون ایزود (Izod Impact Test) 
آزمون ایزود مشابه آزمون چارپی است، با این تفاوت که نمونه به شکل عمودی و در یک گیره ثابت نگه‌داشته می‌شود. در این آزمون نیز انرژی جذب‌شده توسط ماده پس از برخورد با وزنه محاسبه می‌شود. این آزمون بیشتر برای مواد سخت و شکننده مناسب است.

 آزمون تاندن (Tandem Impact Test) 
در این روش، از ترکیبی از ضربه‌های مختلف استفاده می‌شود تا رفتار ماده در برابر بارگذاری‌های ضربه‌ای متوالی بررسی گردد. این روش معمولاً در صنایع خاصی که بارهای ضربه‌ای مکرر به مواد وارد می‌شود، کاربرد دارد.

 تست ضربه با دستگاه شبیه‌ساز سقوط (Drop Test) 
در این روش، یک جسم با وزن مشخص از ارتفاع معین به سطح نمونه سقوط داده می‌شود. این آزمایش برای ارزیابی عملکرد مواد در برابر ضربه‌هایی که ناشی از سقوط اجسام هستند، به کار می‌رود. معمولاً در بررسی مقاومت قطعات خودرو یا بسته‌بندی‌های ایمنی استفاده می‌شود.

 تست ضربه حرارتی (Thermal Impact Test) 
این تست ترکیبی از بارگذاری ضربه‌ای و تغییرات دماست. در این آزمون، نمونه ابتدا به دمای پایین یا بالا رسانده شده و سپس تحت بارگذاری ضربه‌ای قرار می‌گیرد. هدف از این تست بررسی تغییرات رفتار مواد در شرایط دمایی خاص است.

 تحلیل دینامیکی عددی (Numerical Dynamic Analysis) 
در این روش، از شبیه‌سازی‌های عددی و نرم‌افزارهای تحلیل اجزای محدود (FEA) برای بررسی مقاومت ضربه‌ای استفاده می‌شود. این شبیه‌سازی‌ها می‌توانند رفتار ماده تحت بارگذاری ضربه‌ای را به صورت دقیق مدل‌سازی کنند و برای طراحی‌های پیچیده‌تر کاربرد دارند.

 آزمون ضربه خمشی (Flexural Impact Test) 
در این آزمون، یک نمونه خمشی تحت بارگذاری ضربه‌ای قرار می‌گیرد. این تست بیشتر برای مواد و قطعاتی به کار می‌رود که تحت بارهای خمشی یا متمایل قرار می‌گیرند، مانند تیرها و پل‌ها.

 آزمون SHPB (Split Hopkinson Pressure Bar) 
آزمون SHPB یکی از روش‌های پیشرفته برای ارزیابی رفتار مواد تحت بارگذاری ضربه‌ای با سرعت بالا است. در این آزمون، نمونه‌ای از ماده بین دو میله فلزی قرار می‌گیرد که یکی از آنها تحت تأثیر ضربه قرار می‌گیرد. این ضربه به صورت موج فشاری به نمونه منتقل می‌شود و پاسخ دینامیکی ماده اندازه‌گیری می‌شود. این روش به ویژه برای مواد با خاصیت الاستیک، پلاستیک و حتی مواد کامپوزیتی در شرایط دینامیکی مختلف بسیار مفید است.

 عوامل مؤثر بر رفتار مواد در بارگذاری ضربه‌ای 
رفتار مواد در شرایط بارگذاری ضربه‌ای به مجموعه‌ای از عوامل ماده‌ای، ساختاری، هندسی و محیطی وابسته است که به‌طور مستقیم بر پاسخ مکانیکی و نحوهٔ شکست تأثیر می‌گذارند. مهم‌ترین این عوامل عبارت‌اند از:

 نرخ کرنش (Strain Rate) 
نرخ کرنش از اساسی‌ترین پارامترها در بارگذاری ضربه‌ای است. با افزایش نرخ کرنش، بسیاری از مواد (خصوصاً فلزات و پلیمرها) افزایش استحکام تسلیم و مقاومت نهایی را تجربه می‌کنند، در حالی که کرنش شکست ممکن است کاهش یابد. این پدیده ناشی از محدودیت حرکت نابجایی‌ها و تأخیر در فرآیندهای میکروسکوپی تغییر شکل است. رابطهٔ این اثر معمولاً با مدل‌هایی نظیر Johnson–Cook یا Cowper–Symonds بیان می‌شود.

 دما و اثرات آدیاباتیک 
در بارگذاری سریع، بخش بزرگی از انرژی تغییر شکل به گرما تبدیل می‌شود و به‌دلیل زمان کوتاه تبادل حرارتی، فرایند تقریباً آدیاباتیک است. افزایش دما موجب نرم‌شوندگی حرارتی ماده می‌شود و در کنار اثر سخت‌شوندگی ناشی از نرخ کرنش، رفتار کلی ماده را تعیین می‌کند. تعادل بین این دو اثر نقش کلیدی در شکل‌گیری نوارهای برشی آدیاباتیک و شکست دینامیکی دارد.

 ساختار میکروسکوپی و ترکیب فازی 
اندازهٔ دانه، نوع فازها، چگالی نابجایی‌ها، حضور فازهای ثانویه و توزیع آن‌ها در زمینه، تأثیر زیادی بر رفتار ضربه‌ای دارد. مواد با دانه‌های ریز معمولاً مقاومت بالاتری در نرخ‌های بالا نشان می‌دهند. همچنین، وجود فازهای شکننده یا ناپایدار می‌تواند باعث تسریع شکست در اثر موج‌های تنشی شود.

 عیوب داخلی و تخلخل 
وجود ترک‌های ریز، حفره‌ها یا ناخالصی‌ها موجب تمرکز تنش و کاهش انرژی جذب‌شده در برخورد می‌شود. در نرخ‌های بالا، زمان برای بازتوزیع تنش وجود ندارد، بنابراین عیوب نقش بحرانی‌تری نسبت به شرایط شبه‌ساکن دارند.

 اثرات اینرسی و انتشار موج 
در بارگذاری‌های پرسرعت، تنش به‌صورت یکنواخت در کل جسم پخش نمی‌شود، بلکه به شکل موج‌های فشاری و کششی از محل تماس انتشار می‌یابد. اثرات اینرسی می‌تواند مانع از شکل‌گیری کامل نواحی پلاستیک یا باعث تأخیر در تسلیم گردد. انعکاس موج‌ها در مرزها نیز سبب تمرکز تنش و شکست موضعی می‌شود.

 هندسه و شرایط مرزی نمونه 
ابعاد نمونه، ضخامت، شکل هندسی و نوع قیدگذاری از عوامل تعیین‌کنندهٔ توزیع تنش و کرنش هستند. نمونه‌های نازک یا با لبه‌های تیز معمولاً مستعد شکست سریع‌ترند. همچنین شرایط تماس (نرم یا صلب بودن سطح برخورد) و نحوهٔ انتقال بار تأثیر زیادی بر پاسخ دینامیکی دارند.

 سرعت و انرژی برخورد 
سرعت اولیهٔ جرم ضربه‌زن و انرژی جنبشی ناشی از آن میزان تنش و کرنش اعمالی را تعیین می‌کند. در برخوردهای کم‌انرژی، ماده معمولاً تغییر شکل پلاستیک نشان می‌دهد؛ اما در برخوردهای پرانرژی، شکست ترد و پدیدهٔ فرگمنتاسیون (خرد شدن) رخ می‌دهد.

 نرخ کرنش بحرانی و تشکیل نوار برشی 
در نرخ‌های بسیار بالا، ناپایداری حرارتی منجر به تمرکز کرنش در نوارهای باریک موسوم به نوار برشی آدیاباتیک می‌شود. این نواحی محل آغاز ترک و شکست هستند و نقش اصلی در زوال ماده تحت بارگذاری ضربه‌ای دارند.

 نوع ماده و مکانیزم تغییر شکل 
رفتار مواد مختلف در برابر ضربه متفاوت است:
 فلزات: حساس به نرخ کرنش و دما؛ معمولاً افزایش استحکام با نرخ بالا.
 پلیمرها: رفتار ویسکوالاستیک با تغییر از نرم به شکننده در نرخ‌های زیاد.
 سرامیک‌ها: مقاومت بالا ولی تافنس پایین؛ شکست ناگهانی.
 کامپوزیت‌ها: وابسته به چسبندگی بین فازها و آرایش الیاف.

 کاربردهای مهندسی 
 طراحی سازه‌های مقاوم در برابر زلزله 
در زمان وقوع زلزله، ساختمان‌ها تحت بارگذاری ضربه‌ای قرار می‌گیرند؛ بنابراین، مهندسان سازه برای طراحی ساختمان‌ها باید اثرات بارگذاری ضربه‌ای ناشی از لرزش‌های زمین را در نظر بگیرند تا سازه‌ها مقاوم و ایمن باشند.

 طراحی تجهیزات دفاعی و نظامی 
در صنایع دفاعی، بارگذاری ضربه‌ای در طراحی موشک‌ها، گلوله‌ها، و سایر تجهیزات نظامی استفاده می‌شود. این بارگذاری‌ها برای بررسی عملکرد و آسیب‌پذیری اجزای مختلف در برابر ضربه‌های ناشی از انفجارها و برخوردها اهمیت دارد.

 آزمایش و ارزیابی مقاومت مواد 
بارگذاری ضربه‌ای به عنوان یکی از روش‌های آزمایشی برای ارزیابی ویژگی‌های مکانیکی مواد مانند سختی، مقاومت به ضربه و کشش به کار می‌رود.

 مهندسی خودرو و ایمنی تصادف 
در صنعت خودروسازی، برای بررسی عملکرد خودروها در تصادفات و برخوردهای شدید، بارگذاری ضربه‌ای به کار می‌رود. این آزمایش‌ها برای طراحی سیستم‌های ایمنی مانند کیسه‌های هوا (Airbags) و سیستم‌های محافظتی در برابر ضربه‌ها انجام می‌شوند.

 طراحی تجهیزات هوافضا 
در طراحی هواپیماها، ماهواره‌ها و فضاپیماها، بارگذاری ضربه‌ای می‌تواند ناشی از برخوردهای هواپیما با ذرات معلق در هوا، برخورد قطعات یا حتی ضربات ناشی از فرود و برخاستن باشد. این بارگذاری‌ها باید در طراحی اجزا و سیستم‌ها در نظر گرفته شوند تا اطمینان حاصل شود که تجهیزات در برابر ضربات مقاوم هستند.

 طراحی ماشین‌آلات صنعتی 
در برخی از ماشین‌آلات صنعتی، اجزا ممکن است در معرض بارهای ضربه‌ای قرار گیرند. به عنوان مثال، در صنایع معدن‌کاری، در فرآیندهایی نظیر خرد کردن مواد معدنی، بارگذاری ضربه‌ای ممکن است رخ دهد که نیازمند طراحی مناسب برای مقاومت به این نوع بارها است.

 نحوه عملکرد تجهیزات ورزشی 
برخی از تجهیزات ورزشی مانند توپ‌های فوتبال، اسکی، و دوچرخه‌ها باید در برابر ضربه‌هایی که در حین استفاده به آنها وارد می‌شود، مقاوم باشند. در این زمینه، تحلیل بارگذاری ضربه‌ای برای طراحی این تجهیزات بسیار حائز اهمیت است.

 بررسی آسیب‌پذیری در برابر بلایای طبیعی 
در اثر وقوع بلایای طبیعی مانند طوفان‌ها، سیلاب‌ها و برخورد اجسام به سازه‌ها، بارگذاری ضربه‌ای در تحلیل آسیب‌پذیری سازه‌ها و زیرساخت‌ها بررسی می‌شود. در این حالت، هدف ارزیابی و تقویت مقاومت سازه‌ها در برابر بارهای ضربه‌ای است.

 شبیه‌سازی و تحلیل‌های عددی 
بارگذاری ضربه‌ای در شبیه‌سازی‌های کامپیوتری و تحلیل‌های عددی مانند تحلیل اجزای محدود (FEA) به کار می‌رود. در این شبیه‌سازی‌ها، اثرات بارهای ضربه‌ای بر روی سازه‌ها و مواد مختلف بررسی می‌شود.

 جستارهای وابسته 
 بارگذاری دینامیکی
 چقرمگی
 تنش (مکانیک)
 مکانیک جامدات

 منابع 

 
 
 

رده:الکترومغناطیس