19905

۱۹۹۰۵

تورق در كامپوزيت‌هاي لايه‌اي تحت بارگذاري مود تركيبي I/II با در نظر گرفتن اثرات ناحيه فرآيند شكست

دكتري

مهندسي مكانيك جامدات - طراحي كاربردي

1392

۱۳۹۷/۰۸/۲۳

دكتر محمود مهرداد شكريه

دكتر مهدي فكور

مكانيك

هدف كلي اين تحقيق، مطالعه تئوري و تجربي رفتار مود تركيبي I/II تورق در كامپوزيت‌هاي لايه‌اي تك‌جهته است. بدين منظور، ابتدا يك تئوري مبتني بر فيزيك رشد تورق جهت پيش‌بيني شروع رشد ميكروسكوپي ترك و زاويه آن در تورق مود تركيبي I/II كامپوزيت‌هاي لايه‌اي توسعه داده شده است. اين تئوري بر مبناي رويكرد چگالي انرژي كرنشي بحراني است كه مزيت آن نسبت به رويكرد فعلي در مشخصه‌سازي رفتار تورق مواد كامپوزيتي كه مبتني بر انجام آزمايش‌هاي شكست بين لايه‌اي مي‌باشد، اين است كه رفتار شكست ماده را در هر نسبت تركيب مود دلخواه تنها با داشتن نرخ انرژي كرنشي بحراني مود I و خواص مادي آن و بدون نياز به انجام آزمايش‌ به طور كامل مشخص مي‌كند. صحت و دقت تئوري ارائه شده ابتدا از طريق مقايسه با نتايج تجربي موجود براي هر دو ماده ايزوتروپيك و اورتوتروپيك ارزيابي شده است. هم‌چنين، با بكارگيري نتايج بدست آمده از رويكردهاي تجربي مختلف صورت گرفته در اين تحقيق از جمله آزمايش‌هاي شكست بين لايه‌اي و هم‌چنين روش انتشار آكوستيك به ارزيابي تئوري در پيش‌بيني رفتار تورق كامپوزيت‌هاي لايه‌اي پرداخته شده است. از آنجا كه ناحيه فرآيند شكست تأثير قابل ملاحظه‌اي بر رفتار تورق كامپوزيت‌هاي لايه‌اي دارد، در ادامه اين تحقيق يك مدل جديد تحت عنوان مدل پل‌زني مايكرومكانيكي مود تركيبي I/II براي محاسبه سهمي از انرژي كه در ناحيه فرآيند شكست توسط پل‌زني الياف تلف مي‌شود، ارائه شده است. جهت پياده‌سازي اين مدل، تنها به يك سري پارامترهاي فيزيكي و مكانيكي مانند خواص الياف، ماتريس و ناحيه بين وجهي در نمونه كامپوزيتي نياز است كه به راحتي از منابع موجود قابل استخراج هستند. به منظور ارزيابي مدل پل‌زني، نتايج آن به صورت سهم انرژي ناحيه پل‌زني الياف با نتايج آزمايشگاهي موجود مقايسه شده است. محاسبه انرژي ناحيه فرآيند شكست از اين جهت بسيار حائز اهميت است كه در ادامه براي اولين بار با در نظر گرفتن سهم آن، يك معيار واماندگي تورق مود تركيبي I/II جديد ارائه شده است. در اين معيار اثرات نرم‌شوندگي ماده به دليل وجود مكانيزم‌هاي چقرمگي در ناحيه فرآيند شكست نوك ترك به صورت يك ضريب آسيب ديده شده است. چقرمگي شكست مود I خالص، خواص مادي و انرژي جذب شده ناحيه فرآيند شكست، به عنوان تنها پارامترهاي لازم براي بكارگيري اين معيار، نقطه قوت ديگر آن است. براي بررسي صحت نتايج حاصل از اين معيار و ميزان كارآيي آن، منحني‌هاي حد شكست مربوطه با نتايج آزمايشگاهي موجود مقايسه شده است. مقايسه نتايج، توافق و سازگاري بالاي اين معيار را با ماهيت شكست ماده كامپوزيتي نشان مي‌دهد.

1397/10/18

Delamination of Laminated Composites under Mixed Mode I/II Loading Considering the Fracture Process Zone Effects

1/8/2019 12:00:00 AM

In this research, a physics-based theory based on the critical strain energy density approach has been developed to predict the strain energy release rate at which the crack growth onset microscopically occurs under mixed mode I/II loading together with the initial crack growth angle. This approach, unlike the current procedures based on performing delamination tests, can fully characterize the fracture behavior of the material under any mixed mode I/II loading by having only mode I critical strain energy release rate and the material properties, without any needs for manufacturing mixed mode bending specimens and performing time-consuming and costly experiments. To evaluate the theory, the results have been compared with the available experimental data for both isotropic and orthotropic materials. Also, a series of experimental investigations, including quasi-static delamination experiments and the acoustic emission technique have been performed to evaluate the theory in predicting the delamination behavior of laminated composites. Since the fracture process zone has a significant effect on the behavior of the mixed mode I/II delamination in laminated composites, a novel micromechanical model called “mixed mode I/II micromechanical bridging model” has been proposed based on the calculation of the delamination crack bridging zone energy absorption. To implement the proposed model, only some physical and mechanical parameters such as fiber, matrix and interface properties that can easily be extracted from the literature are needed. To demonstrate the effectiveness of this model, the results as the energy absorption of fiber bridging zone have been compared with the available experimental data. By considering the absorbed energy in the fracture process zone, a new mixed mode I/II failure criterion has been proposed. By defining a suitable damage factor and using the mixed mode I/II micromechanical bridging model, the absorbed energy in the fracture process zone has been considered. It causes the new criterion to be more compatible with the nature of the failure phenomena in orthotropic materials, unlike the available conservative ones. The implementation of the proposed criterion for prediction of the mixed mode I/II crack growth is straightforwardly possible by considering the mode I fracture toughness, elastic properties of the material and the energy absorbed by the fracture process zone. The validity of the present criterion has been assessed by comparing the fracture limit curves obtained for both laminated composites and wood species with the available experimental data.