Buckling optimization of variable stiffness cylindrical helicoidal composite laminates
यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि जहाँ अनबैलेंस्ड वेरिएबल-स्टिफनेस हेलिकोइडल कंपोजिट लैमिनेट्स संपीड़न-शियर कपलिंग के कारण कम बकलिंग लोड से ग्रस्त होते हैं, वहीं एक प्रस्तावित बैलेंस्ड आर्किटेक्चर जो मिरर फाइबर पाथ्स का उपयोग करता है, कॉन्स्टेंट-स्टिफनेस समकक्षों की तुलना में बकलिंग प्रदर्शन में 2.6–7.8% का सुधार प्राप्त करता है, जिसमें सबसे अधिक लाभ छोटे-रेडियस वाले बेलनाकार पैनलों में देखा गया है।
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एक ऐसी सामग्री की कल्पना करें जो इतनी मजबूत हो कि एक जेट का फ्यूजलेज (fuselage) थाम सके, फिर भी इतनी हल्की हो कि विमान के वजन में बहुत कम वृद्धि करे। यह उन्नत कंपोजिट लैमिनेट्स का वादा है, जो कार्बन फाइबर की परतें हैं जिन्हें एक एकल, कठोर शीट बनाने के लिए आपस में जोड़ा जाता है। दशकों से, इंजीनियर इन शीटों को रेशों को सीधी, समानांतर रेखाओं में रखकर बनाते रहे हैं, जैसे कपड़े का एक टुकड़ा। लेकिन एक नया विचार उभरा है: क्या होगा यदि वे रेशे मुड़ सकें? रेशों को घुमावदार रास्तों पर निर्देशित करके, डिजाइनर तनाव को अधिक बुद्धिमानी से पुनर्वितरित कर सकते हैं, जिससे संभावित रूप से ऐसी संरचनाएं बन सकती हैं जो हल्की और अधिक मजबूत हों। 'वैरिएबल स्टिफनेस' (variable stiffness) के रूप में ज्ञात इस अवधारणा ने सपाट पैनलों में बड़ी संभावना दिखाई है। हालांकि, वास्तविक दुनिया शायद ही कभी सपाट होती है। हवाई जहाजों और रॉकेटों के शरीर बेलनाकार होते हैं, और यह स्पष्ट नहीं था कि क्या ये मुड़ने वाले फाइबर पथ एक ट्यूब के चारों ओर लिपटे जाने पर भी काम करेंगे।
शंघाई जियाओ टोंग विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं ने यह पता लगाने के लिए कि ये मुड़ने वाले रेशे भारी संपीड़न (compression) के तहत बेलनाकार पैनलों पर कैसे व्यवहार करते हैं, इस पहेली को सुलझाने का बीड़ा उठाया। उन्होंने एक विशिष्ट, प्रकृति से प्रेरित डिजाइन पर ध्यान केंद्रित किया जिसे 'हेलिकॉइडल लैमिनेट' (helicoidal laminate) कहा जाता है, जहाँ प्रत्येक नई परत के साथ फाइबर कोण थोड़ा घूमते हैं, जो कुछ क्रस्टेशियंस (crustaceans) के खोल में पाई जाने वाली सर्पिल संरचना की नकल करता है। टीम ने 500 से 3000 मिलीमीटर तक की त्रिज्या (radius) वाले पैनलों को मॉडल करने के लिए शक्तिशाली कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग किया, जो वास्तविक विमान निकायों के घुमाव का प्रतिनिधित्व करते हैं। उनका लक्ष्य यह देखना था कि क्या वे इन मुड़ने वाले रेशों को पारंपरिक, सीधे-रेशे वाले डिजाइनों की तुलना में दबाव के तहत पैनलों को बकलिंग (buckling), या ढहने से रोकने के लिए व्यवस्थित कर सकते हैं।
उनके जांच के पहले चरण ने एक आश्चर्यजनक गतिरोध का खुलासा किया। जब उन्होंने बिना किसी अन्य परिवर्तन के हेलिकॉइडल डिजाइन में इन मुड़ने वाले फाइबर पथों को लागू किया, तो परिणाम निराशाजनक थे। इन नए, मुड़ने वाले रेशों वाले पैनल वास्तव में मानक, सीधे-रेशे वाले संस्करणों की तुलना में कम भार पर बकल हो गए। कंप्यूटर मॉडल ने दिखाया कि मुड़ने वाले पथों की विषमता ने सामग्री के भीतर एक मरोड़ने वाला बल (twisting force) पैदा कर दिया। जैसे ही पैनल को दबाया गया, वह केवल संकुचित नहीं हुआ; वह एक ही समय में मुड़ने और शीयर (shear) होने की कोशिश करने लगा, एक ऐसा संयोजन जिसने संरचना को कमजोर कर दिया और इसे उम्मीद से पहले विफल कर दिया। इस निष्कर्ष ने इस सरल विचार को खारिज कर दिया कि केवल एक हेलिकॉइडल स्टैक में मुड़ने वाले रेशों को जोड़ने से प्रदर्शन अपने आप बेहतर हो जाएगा।
शोधकर्ताओं ने हार नहीं मानी और महसूस किया कि समस्या परतों के संतुलन में निहित थी। इस मरोड़ को ठीक करने के लिए, उन्होंने एक नया आर्किटेक्चर प्रस्तावित किया जो हेलिकॉइडल अवधारणा को बनाए रखता है लेकिन डिजाइन में एक दर्पण छवि (mirror image) जोड़ता है। सभी परतों के लिए एक ही सेट के घुमावदार पथों का उपयोग करने के बजाय, उन्होंने परतों को दो परिवारों में विभाजित किया। एक परिवार मूल घुमावदार पथ का अनुसरण करता था, जबकि दूसरे परिवार ने पहले के पूर्ण दर्पण प्रतिबिंब (mirror reflection) वाले पथ का अनुसरण किया। इसने एक संतुलित संरचना बनाई जहाँ परतों के एक सेट के मरोड़ने वाले बलों को दूसरे सेट के विपरीत बलों द्वारा रद्द कर दिया गया।
जब उन्होंने इस नए, संतुलित डिजाइन का परीक्षण किया, तो परिणाम पूरी तरह से बदल गए। दर्पण प्रतिबिंब वाले, मुड़ने वाले रेशों वाले पैनल अपने सीधे-रेशे वाले समकक्षों की तुलना में काफी बेहतर प्रदर्शन करते हैं। सिमुलेशन में, इन अनुकूलित पैनलों ने बकल होने से पहले बीच 2.6% और 7.8% अधिक भार सहन किया। सुधार सबसे छोटे पैनलों पर सबसे नाटकीय था, जहाँ वक्रता (curvature) सबसे अधिक थी, और जैसे-जैसे पैनल बड़े और सपाट होते गए, यह धीरे-धीरे कम होता गया। अध्ययन ने निष्कर्ष निकाला कि हालांकि रेशों को केवल मोड़ना पर्याप्त नहीं है, बल्कि आंतरिक मरोड़ को समाप्त करने के लिए उन घुमावों को सावधानीपूर्वक संतुलित करना इन उन्नत सामग्रियों की पूरी क्षमता को अनलॉक करने की कुंजी है। यह दृष्टिकोण एयरोस्पेस अनुप्रयोगों के लिए मजबूत, हल्के बेलनाकार संरचनाओं को डिजाइन करने के लिए एक स्पष्ट मार्ग प्रदान करता है, जो यह सिद्ध करता है कि मजबूती का रहस्य न केवल रेशों की दिशा में है, बल्कि इस बात में है कि उन्हें एक साथ कैसे जोड़ा जाता है।
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