21311

21311

توسعه شيوه نوين توليد آنتروپي در ارزيابي رفتار خرابي تك لايه و چندلايه هاي متعامد كامپوزيتي زمينه پليمري تحت بارهاي خستگي تك محور

دكتري

مكانيك

1398/04/31

دكتر بيژن محمدي

مكانيك

تحقيقات اخير نشان مي¬دهد كه اندازه¬گيري ميزان آنتروپي توليد شده تا لحظه¬ي شكست مي¬تواند به عنوان معياري براي تخمين عمر خستگي به كار رود. در اين رساله مدلي بر مبناي توليد آنتروپي براي پيش¬بيني رفتار خستگي كامپوزيت¬هاي با لايه¬چيني تك¬جهته و متعامد ارائه شده است. در مدل ارائه شده دو پارامتر بحراني براي راستاي الياف و عمود بر الياف معرفي مي¬شوند. اين پارامترها به ترتيب آنتروپي شكست خستگي الياف و ماتريس (FFE-F و FFE-M) ناميده مي¬شوند كه مجموع آنتروپي حاصل از انرژي¬هاي آزاد شده به واسطه خرابي و تغيير شكل¬هاي برگشت¬ناپذير تا لحظه¬ي شكست مي¬باشند. آزمايش¬هاي استاتيكي و خستگي متعددي بر روي نمونه¬هاي كامپوزيتي كربن/اپوكسي انجام شده است. نتايج آزمايش¬هاي انجام شده به منظور مشخصه¬سازي و همچنين نتايج شبيه¬سازي¬هاي صورت گرفته در كنار نتايج آزمايش¬هاي اعتبارسنجي ارائه شده است. مقادير به دست آمده FFE-F و FFE-M براي كامپوزيت¬هاي كربن/اپوكسي T300/EPL1012 به ترتيب 6300 J.m-3.K-1 و 400 J.m-3.K-1 مي¬باشند. يك مدل خرابي بر مبناي قوانين مكانيك محيط¬هاي پيوسته با در نظر گرفتن خرابي¬هاي استاتيكي و خستگي در نظر گرفته شده است كه مي¬تواند علاوه بر رشد آسيب خستگي، رشد آسيب استاتيكي را در چرخه ابتدايي و در طول فرآيند خستگي لحاظ كند. نتايج مدل و آزمايش¬هاي تجربي نشان مي¬¬دهد كه آسيب استاتيكي با يك جهش در چرخه¬ي ابتدايي همراه است. همچنين در طول بارگذاري خستگي به واسطه كاهش خواص در اثر رشد آسيب خستگي، آسيب استاتيكي نيز رشد مي¬كند. با افزايش سطح تنش سهم آسيب استاتيكي نسبت به آسيب كل افزايش مي¬يابد. نتايج پيش¬بيني عمر مدل خرابي توسعه¬يافته نشان مي¬دهد كه در نظر نگرفتن آسيب استاتيكي باعث خطاي نتايج نسبت به نتايج تجربي مي¬شود و اين خطا با افزايش سطح تنش بيشتر مي¬شود به طوري كه در سطح تنش %80 حدود %20 اختلاف بين نتايج پيش¬بيني عمر، با لحاظ كردن آسيب استاتيكي و بدون در نظر گرفتن آن وجود دارد. روشي بر مبناي قانون اول ترموديناميك با در نظر گرفتن انرژي¬هاي آزاد شده در سيستم به واسطه خرابي، تغيير شكل¬هاي برگشت¬ناپذير و خواص ويسكوالاستيك به منظور پيش¬بيني انرژي هيسترزيس توليد شده در ماده ارائه شده است. نتايج نشان مي¬دهد سهم غالب در انرژي هيسترزيس مربوط به خواص ويسكوالاستيك رزين مي¬باشد. در نمونه¬هاي 90 درجه تحت تنش خستگي با سطح بار بالاتر از %75 علاوه بر خواص ويسكوالاستيك مقادير انرژي آزاد شده ناشي از تغيير شكل¬هاي برگشت¬ناپذير نيز قابل توجه است. همچنين انرژي آزاد شده ناشي از خرابي در لحظه¬ي شكست مقدار بسيار قابل توجهي است كه باعث افزايش ناگهاني دماي قطعات تحت آزمايش خستگي در لحظه شكست مي¬شود. دماي نمونه¬ها در حين فرآيند خستگي با استفاده از قانون اول ترموديناميك و اختلاف بين انرژي هيسترزيس و انرژي اتلافي به محيط اطراف محاسبه مي¬شود. همچيني در طي فرآيند آزمايش¬هاي خستگي، دماي نمونه¬ها با يك دوربين ترموگرافي اندازه¬گيري شده است كه نتايج آن براي اعتبارسنجي مدل ارائه شده است. نتايج نشان ¬مي¬دهد در نمونه¬هاي 90 درجه، دما از لحظه¬ي شروع فرآيند تا لحظه¬ي شكست به صورت تقريباً خطي افزايش مي¬يابد. در نمونه¬هاي صفر درجه و متعامد، دما در %20 ابتدايي عمر به سرعت افزايش مي¬يابد و پس از آن تا لحظات قبل از شكست افزايش دما شيب بسيار كمي دارد و دماي نمونه¬ها تقريباً ثابت مي¬ماند و در لحظات نزديك به شكست دما با شيب زياد افزايش مي¬يابد. با استفاده از مدل آنتروپي خرابي و با به دست آوردن مقادير FFE-F و FFE-M مي¬توان عمر نمونه¬هاي تحت بارگذاري خستگي را در سطوح تنش دلخواه با انجام تعداد محدودي چرخه بارگذاري و اندازه¬گيري مقدار آنتروپي خرابي توليد شده به دست آورد. مقايسه نتايج تجربي با نتايج پيش¬بيني عمر مدل آنتروپي-خرابي توسعه يافته براي لايه¬چيني¬هاي [02,902]s و [902,02]s مؤيد اين موضوع است كه مدل آنتروپي خرابي قابليت¬ تخمين عمر لايه¬چيني¬هاي متعامد با در نظر گرفتن اثر ترتيب لايه¬چيني را دارد. در لايه¬چيني¬هاي با لايه 90 درجه بيروني افزايش دماي قطعات در حين فرآيند خستگي بيشتر است و مدل آنتروپي-خرابي به واسطه تفاوت در دماي نمونه¬ها مقادير عمر كمتري براي اين نوع لايه¬چيني پيش¬بيني مي¬كند. همچنين مدل آنتروپي-خرابي توسعه يافته قابليت در نظر گرفتن تأثيرات فركانس بر روي دماي نمونه¬ها را دارد.

1398/08/13

Developing the new method of entropy generation to evaluate the failure behavior of single-layer and orthogonal multi-layer polymer matrix composites under uniaxial fatigue loading

7/22/2019 12:00:00 AM

Entropy production during cyclic loading can serve as a measurement of degradation for composite materials. A theoretical approach based on the first and second laws of thermodynamics is presented which takes into account the damage energy, the work of irreversible deformations and the dissipated heat due to the viscoelastic nature of the polymeric matrix. A cumulative damage model is developed based on damage evolution due to static and fatigue during cyclic loading. The fatigue fracture entropy values of fiber and matrix, so-called FFE-F and FFE-M in this study, are considered as final failure criteria for 0° and 90° plies, respectively. The results of a series of experiments on 0° plies, 90° plies and cross-ply laminates of carbon/epoxy are presented to characterize the fatigue behavior in terms of temperature evolution, hysteresis energy and the entropy associated with the damage and irreversible deformations. An infrared thermography camera has been set up to monitor the temperature of the external surface of the specimen undergoing cyclic loading. The experimental and analytical results show that the concept of tallying up entropy owing to damage and irreversible deformations until final failure is useful to predict the fatigue life of composite laminates. The results of entropy accumulation indicate that interpretation of fatigue behavior of laminated composites requires to consider both the entropy associated with damage and irreversible deformations.