23797

ارائه مدلي پيشرونده بر مبناي مكانيك خرابي محيط هاي پيوسته جهت تعيين عمر خستگي پره كامپوزيتي

كارشناسي ارشد

مهندسي هوافضا-سازه هاي هوايي

1396

1399/08/28

بيژن محمدي سنگجوئي

مكانيك

نسبت استحكام به وزن بالا، مقاومت خستگي عالي، مقاومت در برابر خوردگي، جهت¬دار بودن خواص مكانيكي و قابليت شكل¬پذيري، از جمله ويژگي¬هايي است كه كامپوزيت¬ها را نسبت به فلزات برتري داده است. پره توربين باد، پره فن موتور توربوفن و ملخ موتورهاي ملخي، از جمله سازه¬هايي هستند كه كامپوزيت¬ها در ساخت آن¬ها مورد توجه قرار گرفته¬اند. بارگذاري نوساني (عمدتاً ناشي از اينرسي و گرانش)، متغير و گاهاً ناگهاني (مثل برخورد پرندگان و يا تندبادها)، آن¬ها را در معرض خرابي خستگي قرار مي¬دهد. بنابراين، پيش¬بيني دقيق عمر آن¬ها از اهميت بالايي برخوردار است. در پژوهش حاضر، مدلي پيش¬رونده و چندمقياسه بر مبناي مكانيك خرابي محيط¬هاي پيوسته براي پيش-بيني عمر خستگي كامپوزيت¬ها ارائه شد. در اين مدل، رشد متغير خرابي تحت بارگذاري خستگي به ماتريس و الياف نسبت داده مي¬شود. با توجه به اينكه نتايج تجربي، تاثيرگذاري بارگذاري استاتيكي اوليه را در عمر خستگي نمونه تاييد مي¬كنند، قسمتي براي ارزيابي اثرات بارگذاري استاتيكي به مدل اضافه شد. براي اين قسمت از مدل خرابي باربرو استفاده گرديد. مدل خرابي باربرو در مقياس مزو و مدل خرابي خستگي در مقياس مايكرو ارائه شده است. از اين¬رو براي تركيب اين دو مدل، سفتي افت¬يافته در مدل خرابي باربرو قبل از شروع چرخه¬هاي خستگي، به عنوان سفتي اوليه در مدل خرابي خستگي در نظر گرفته شد. با اجراي اين روش براي نمونه شبه-همسانگرد، نتايج شبيه¬سازي به ميزان قابل توجهي بهبود يافت و عمر پيش¬بيني شده به ميانگين مقادير تجربي نزديك گشت. اين در حالي است كه مدل خستگي بدون تاثير خرابي استاتيكي عمر نمونه را دست بالا پيش¬بيني مي¬كرد. اين نتايج نشان داد كه نمي¬توان از اثرات بارگذاري اوليه قبل از شروع چرخه¬هاي خستگي صرف¬نظر كرد. مدل خرابي باربرو داراي ايراداهايي بود كه نتايج مدل را از نتايج آزمايشگاهي دور مي¬كرد. اين ايرادها به سه دسته تقسيم مي¬شوند: ايرادهاي نگارشي، ايرادهاي بنيادي (منظور ايراد در فرض¬ها، تعاريف و يا توابع) و ايراد در مشخصه¬يابي. براي برطرف كردن اين ايرادها، راهكارهايي ارائه گرديد. بعد از اعمال اصلاحيه¬ها، نتايج مدل با نتايج تجربي در لايه¬چيني¬هاي مختلف مقايسه شد. نتايج مدل در لايه¬چيني S[±45] و S[0/±45/90] از دقت بالايي برخوردار است. در لايه¬چيني S[±10] و S[±22.5]، با اينكه داده¬هاي تجربي به منحني نتايج مدل نزديك است، اما مدل خرابي حاضر، در پيش¬بيني نقطه شكست اين لايه¬چيني¬ها با نتايج تجربي اختلاف دارد. علت اين اختلاف ناشي از غالب بودن مكانيزم خرابي جدايش بين¬لايه¬اي در اين لايه¬چيني¬ها است.

1399/12/16

Providing a Progressive Model Based on Continuum Damage Mechanics to Determine the Fatigue Life of Composite Blade

11/19/2021 12:00:00 AM

High strength-to-weight ratio, excellent fatigue strength, corrosion resistance and directional mechanical properties are some of the features that make composites superior to metals. Wind turbine blades, turbofan engines fan blades and propeller are some of the structures in which composites have been considered in making them. Oscillating (mainly due to inertia and gravity), variable and sometimes suddenly (such as birds’ impact or gusts) loads, expose them to fatigue damage. Therefore, accurate prediction of their life is very important. In the present study, a progressive and multi-scale model based on the continuum damage was presented to predict the fatigue life of composites. In this model, the growth of the damage variable under fatigue loading is attributed to the matrix and fibers. As the experimental results confirm the effect of the initial static load on the fatigue life of the sample, a part was added to the model to evaluate the effects of static loading. For this part, the Barbero damage model was used. The Barbero damage model and fatigue damage model is presented on the Meso-scale and Micro-scale, respectively. Therefore, to combine these two models, the reduced stiffness in the Barbero damage model before the start of fatigue cycles was considered as the initial stiffness in the fatigue damage model. By applying this method to the quasi-isotropic sample, the simulation results were significantly improved and the predicted life was close to the average of the experimental values. However, the fatigue model overestimated the sample life without the effect of static failure. These results showed that the effects of initial loading could not be ignored. The Barbero damage model had drawbacks that kept the medal results away from the experimental results. These drawbacks are divided into three categories: writing drawbacks, fundamental drawbacks (drawbacks in assumptions, definitions or functions) and drawbacks in characterization. To resolve these drawbacks, solutions were presented. After applying the corrections, the model results were compared with the experimental results in different laminates. The model results are highly accurate in [±45]s and [0/±45/90]s laminates. Although the experimental data in [±10]s and [±22.5]s laminates are close to the model result curve, but the present damage model in predicting the failure point of this laminates differs from the experimental results. This difference is due to the predominance of the delamination damage mechanism in these laminates.

عمر خستگي , پره كامپوزيتي , آسيب پيشرونده , مكانيك خرابي

fatigue life , composite blade , progressive damage , damage mechanic