27007

بررسي تجربي و عددي گسيختگي در اتصالات چسبي با چسبنده‌هاي فلز-كامپوزيت تحت رطوبت تناوبي

دكتري تخصصي (PhD)

مهندسي مكانيك- طراحي كاربردي ـ طراحي و جامدات

1396

1401/6/8

مجيدرضا ايت اللهي

مهندسي مكانيك

امروزه اتصالات چسبي به دليل مزيت¬هايي مانند توزيع تنش يكنواخت‌تر و امكان اتصال قطعات غيرهمسان مانند كامپوزيت‌ها، پليمرها و فلزات نسبت به اتصالات سنتي مانند پيچ و مهره و جوش بيشتر مورد توجه صنايع مختلف قرار گرفته است. با توجه به استفاده گسترده از سازه¬هاي كامپوزيتي در كنار سازه¬هاي فلزي، در سال‌هاي اخير اتصالات چسبي با چسبنده¬هاي غيرهمسان فلز-كامپوزيت مورد توجه پژوهشگران قرار گرفته است. اين‌‌گونه اتصالات در برخي از كاربردهاي صنعتي شرايط محيطي خاص مانند رطوبت تناوبي را تجربه مي‌كنند. رطوبت تناوبي خواص مكانيكي و شيميايي چسب و چسبنده¬هاي كامپوزيتي را تغيير داده و عملكرد اتصال چسبي را تحت تأثير قرار مي¬دهد. به منظور طراحي اتصالات چسبي و تخمين عمر اين سازه¬ها ، بررسي دقيق عملكرد اتصالات چسبي در شرايط رطوبت تناوبي حائز اهميت مي¬باشد. هدف از انجام اين پژوهش، مطالعه و بررسي اثرات رطوبت تناوبي بر روي عملكرد مكانيكي اتصالات چسبي با چسبنده¬هاي ناهمسان كامپوزيت-فلز تحت بارگذاري مود اول مي¬باشد. اين پژوهش در دو بخش آزمايشگاهي و شبيه‌سازي عددي انجام شده است. در بخش تجربي نمونه‌هاي آزمايشگاهي مناسب ساخته شده و سپس در معرض رطوبت تناوبي قرار گرفته¬اند. اين نمونه¬ها در زمان¬هاي مختلف نفوذ رطوبت، مورد آزمايش قرار گرفته¬اند. در اين بخش ابتدا با استفاده از آزمايشات وزني، پارامترهاي مربوط به نفوذ رطوبت در چسب در سيكل¬هاي مختلف رطوبتي اندازه¬گيري شده است. سپس با استفاده از نمونه¬هاي دمبلي شكل و اتصالات چسبي تير دولبه يك¬سر گيردار (DCB) تغييرات مدول الاستيك، استحكام كششي و انرژي شكست مود اول چسب در شرايط مختلف نفوذ رطوبت محاسبه شده است. همچنين در اين بخش تغييرات خواص كششي و خمشي چسبنده¬هاي كامپوزيتي با الياف كربن و شيشه به صورت تابعي از سيكل¬هاي رطوبتي اندازه¬گيري شده است. علاوه بر خواص مكانيكي چسب و چسبنده كامپوزيتي، تغييرات خواص شيميايي چسب مانند دماي شيشه¬اي شدن و پيوندهاي شيميايي در شرايط مختلف رطوبتي در بخش آزمايشگاهي بررسي شده است. در بخش شبيه‌سازي عددي ابتدا توزيع رطوبت در چسب در نمونه‌هاي دمبلي شكل و اتصالات چسبي شبيه¬سازي شده و بر اساس نتايج بخش آزمايشگاهي و توزيع رطوبت شبيه‌سازي شده، تغييرات خواص مكانيكي چسب به صورت تابعي از ميزان رطوبت و سيكل رطوبتي محاسبه شده است. سپس بر اساس نتايج بدست آمده و با استفاده از مدل ناحيه چسبناك (CZM)، رفتار مكانيكي اتصالات چسبي DCB با چسبنده¬هاي كامپوزيت-فلز تحت اثر رطوبت ‌تناوبي شبيه¬سازي شده است. در بخش شبيه‌سازي عددي اثرات نفوذ رطوبت بر چسبنده كامپوزيتي و لايه چسب به صورت جداگانه در نظر گرفته شده است. در نهايت نتايج بدست آمده در بخش آزمايشگاهي و شبيه‌سازي عددي با يكديگر مقايسه شده‌اند. نتايج حاصل از اين پژوهش نشان مي¬دهد مدل CZM ارائه شده در اين پژوهش بر مبناي خواص تغيير يافته ناشي از جذب رطوبت توانايي پيش¬بيني رفتار اتصالات چسبي DCB را با دقت قابل‌قبولي دارد.

1401/06/29

Experimental and numerical investigation of fracture in dissimilar metal/composite DCB adhesive joints under cyclic aging conditions

8/30/2023 12:00:00 AM

The adhesive joining technology is extensively used in different industries due to its advantages in comparison with traditional joints such as more uniform stress distribution and the possibility of bonding dissimilar materials such as composites, polymers, and metals. In some applications adhesive joints may experience cyclic aging conditions in service. Cyclic aging can change the mechanical properties of the adhesive and the substrates. For the joints designed based on the safe life philosophy, it would be critical to have a precise estimation of the total service life. The aim of this project is to study the effect of cyclic aging on the mechanical response of dissimilar adhesive joints subjected to mode I loading conditions. The analysis was performed in two different sections including the experimental part and numerical simulations. In experimental section different specimens were manufactured, exposed to cyclic aging and tested. In this section firstly, using gravimetrical tests, the moisture diffusion constants were measured in different aging cycles. Afterwards, using the dog-bone and ODCB specimens the variation of elastic modulus, tensile strength and mode I fracture energy in different aging conditions were calculated. In addition, the variation of tensile and flexural properties of CFRP and GFRP substrates were calculated as a function of number of aging cycles. In the numerical section, a numerical model for dissimilar DCB adhesive joints was developed, based on the CZM approach and it was implemented in Abaqus as a user material routine. In this section, the effects of moisture absorption on the composite substrate and adhesive layer were considered separately. In the composite substrate the variations of mentioned mechanical properties as a function of the number of moisture cycles obtained in experimental section were simulated. Finally, the load-displacement curves obtained from experimental and numerical simulations were successfully compared.

اتصالات چسبي , رطوبت تناوبي , جذب و دفع رطوبت

Adhesive joints , Cyclic aging , Moisture absorption and desorption

Mostafa Moazami

Dr. Majid Reza Ayatollahi