17372

17372

اندازه گيري تنش پسماند در كامپوزيت هاي پايه پليمري به روش حرارت دهي موضعي

كارشناسي ارشد

مكانيك

دي 1395

دكتر شكريه

مكانيك

در اين پژوهش يك روش جديد غير مخرب و غير تماسي تحت عنوان حرارت‌‌دهي موضعي جهت اندازه‌گيري تنش‌‌هاي پسماند در كامپوزيت‌ها و پليمرها معرفي شده است. در روش حرارت‌دهي موضعي يك ناحيه كوچك (دايره‌اي به قطر 2 تا 4) ميليمتر از نمونه، تا دماي بالاتر از دماي انتقال شيشه‌اي پليمر سازنده آن حرارت‌دهي مي‌شود. اين عمل به وسيله اشعه ليزر انجام مي‌گردد. دماي ناحيه تحت تابش توسط دماسنج مادون قرمز كنترل مي‌شود. پس از افت قابل ملاحظه مدول الاستيسيته ماده، رهايي تنش صورت مي‌گيرد. كرنش‌هاي ناشي از اين رهايي تنش به كمك روش تطابق تصويري عددي DIC ساده‌سازي شده، اندازه‌گيري مي‌شوند. سپس كرنش‌هاي اندازه‌گيري شده توسط دو روش تحليلي و حل اجزاء محدود به تنش‌هاي پسماند مرتبط مي‌شوند. در اين تحقيق ابتدا يك قطعه پليمري تحت بارگذاري مشخص قرارگرفت و با كمك روش حرارت‌دهي موضعي و روش تطابق تصويري عددي، كرنش اعمال شده در اثر بارگذاري روي قطعه اندازه گيري شد. سپس با استفاده از دو روش تحليلي و حل اجزاء محدود، از كرنش اندازه‌گيري شده مقدار تنش ‌‌القاء شده محاسبه گرديد. در روش تحليلي با توجه به ساده‌سازي‌هاي صورت گرفته نيازي به اطلاع از ضريب انبساط حرارتي پليمر نيست و لذا اين روش دقت كمتري دارد. با مقايسه نتايج بدست آمده از روش تحليلي با نتايج آزمايشي، دقت روش تحليلي با خطايي معادل 5/16 درصد ارزيابي شد. در روش حل اجزاء محدود به خواص حرارتي پليمر نياز مي‌باشد، لذا روش از دقت بيشتري برخوردار است. دقت روش اجزاء محدود با خطايي كمتر از دو درصد ارزيابي شد. در ادامه امكان استفاده از روش ارائه شده در اين تحقيق جهت اندازه‌گيري تنش‌هاي پسماند در كامپوزيت‌هاي پايه پليمري تك جهته مورد بررسي قرار گرفت. در اين قسمت با استفاده از شبيه‌سازي عددي ثابت شد در صورت وجود امكانات از جمله دوربين با وضوح تصوير كافي، مي‌توان با استفاده از روش حرارت‌دهي موضعي، تنش‌هاي پسماند موجود در نمونه‌هاي كامپوزيتي را نيز اندازه‌گيري نمود. به عنوان نمونه در اين بخش، منحني ارتباط بين تنش‌هاي پسماند موجود در نمونه كامپوزيتي و كرنش‌هاي اندازه‌گيري شده پس از حرارت‌دهي ارائه شد. در نهايت پيشنهاد‌هايي جهت بهبود و توسعه روش ارائه شده است.

1396/03/02

1/1/1900 12:00:00 AM

In composite materials, microscopic residual stresses are induced by mismatch of mechanical and physical properties of fiber and matrix. These stresses may affect the sample shape and performance. These stresses also increase the probability of crack initiation. That is why residual stress measurement is vital for composites and polymeric parts. In this research, a new non-destructive and non-contact method called zone heating method is introduced for residual stress measurement in composites and polymeric parts. In zone heating method, a small spot (2 to 4 mm diameter) of sample is heated above its glass transition temperature. A laser beam was applied for this task. The temperature of heated spot is controlled using an infrared thermometer. After this step, a dramatic stiffness reduction occurs in the spot. This stiffness reduction results in a stress relief. Strains due to this relief are measured using a simplified digital image correlation (DIC) method. Finally these strains are related to residual stresses by means of a close form solution and a numerical simulation. In this research at the first step, a known load was applied to a polymeric sample. Moreover, the zone heating and the DIC methods were used to measure the stress induced in the sample. Then measured strains were used to compute the residual stress by both analytical and numerical techniques. In analytical method, thermal properties of polymer are neglected, so it has less accuracy (16.5% in this case). Numerical method involves thermal properties of polymer so; it is amore accurate method (2% in this case). In the next step, the possibility of using this technique on polymeric composites is discussed. Numerical simulation of applying this method to composites proves that if the temperature is controlled carefully and the camera has enough resolution, then this technique is capable of measurement of residual stresses. As a sample in this section, a diagram was obtained which relates the microscopic residual stress to measured strain from the zone heating technique.