16601

16601

مدل‏‏‌سازي رشد تورق در مود تركيبي I/II كامپوزيت‏‌هاي لايه‌اي پليمري با وجود نانوذرات

كارشناسي ارشد

طراحي كاربردي شاخه مكانيك جامدات

آذر ماه 1395

دكتر محمود مهرداد شكريه

مكانيك

در تحقيق حاضر به بررسي تجربي و عددي شروع و رشد تورق در كامپوزيت‌هاي لايه‌اي ساخته‌شده از الياف شيشه و رزين اپوكسي تحت بارگذاري در مود تركيبي I/II پرداخته شد. نمونه‌هاي تير دولبه‌ي يكسرگيردار نامتقارن (ADCB) با نسبت مودي 14/735 % به روش لايه‌چيني دستي ساخته شدند. نمونه‌هاي مذكور داراي چيدمان [07 / 0 // تتا / 015] بوده و جهت لايه‌ي شانزدهم، 0، 30، 45، 60 و 90 درجه در نظر گرفته شد. تغيير جهت الياف در لايه‌ي زيرين ترك اوليه به منظور حذف اثرات چيدمان لايه‌هاي دور از فصل مشترك تورق انجام شد. در نمونه‌هاي تك‌جهته‌ي حاوي نانوذره، چهار ناحيه‌ي بين‌لايه‌اي در اطراف فصل مشترك تورق به وسيله‌ي نانوالياف كربن تقويت شد. با انجام آزمايش تورق، نمودار بار - جابه‌جايي نمونه‌هاي ADCB استخراج شد. جهت استخراج كامل نتايج آزمايش، مقادير دو كميت طول ترك و جابه‌جايي محلي نوك ترك اوليه با استفاده از روش پردازش تصاوير استخراج گرديد. مقادير نرخ رهايي انرژي كرنشي نمونه‌هاي ADCB به روش تئوري تير اصلاح‌شده محاسبه شد و منحني مقاومت نمونه‌ها استخراج گرديد. نتايج حاصل از آزمايش نشان داد كه استفاده از نانوالياف كربن در ناحيه‌ي اطراف ترك، تأثير چنداني بر نمودار بار - جابه‌جايي و منحني مقاومت نمونه‌ي تك‌جهته نداشته است. علاوه بر اين، براساس نتايج حاصل از آزمايش، مقادير چقرمگي شكست شروع و رشد براي چندلايه‌هاي داراي جهت الياف غيرصفر در لايه‌ي زيرين ترك بيشتر از چندلايه‌هاي تك‌جهته است. اين روند براي پارامتر طول ناحيه‌ي پل‌زني به صورت معكوس است. اين امر به علت غلبه‌ي مكانيزم جدايش الياف از سطح بر مكانيزم طول ناحيه‌ي پل‌زني در چندلايه‌هاي داراي جهت الياف غيرصفر در لايه‌ي زيرين ترك به وقوع مي‌پيوندد. قانون كشش - جدايش آزمايشگاهي نمونه‌هاي ADCB براساس روش انتگرال J استخراج شد. بنابر روابط و محدوده‌هاي ارائه‌شده در مراجع و نتايج مدل‌سازي‌هاي عددي، محدوده‌ي تغييرات پارامترهاي قانون كشش - جدايش چهارخطي مشخص شد. علاوه بر اين، تأثير تغيير مقدار پارامترها در محدوده‌ي تعيين‌شده بر رفتار نمودار بار - جابه‌جايي نمونه‌هاي ADCB به صورت كيفي و كمي بررسي شد. در ادامه، فرآيند بهينه‌سازي به روش الگوريتم ژنتيك اجرا شده و پارامترهاي مجهول قانون كشش - جدايش چهارخطي استخراج گرديد. با توجه به مشكلات موجود در فرآيند بهينه‌سازي ژنتيك، يك روش پيشنهادي جامع، داراي دقت مناسب و ساده‌تر از الگوريتم بهينه‌سازي ژنتيك ارائه شد. در ادامه، پارامترهاي مجهول قوانين سه‌خطي و چهارخطي با استفاده از روش پيشنهادي استخراج گرديد. مدل‌سازي عددي نمونه‌هاي ADCB با استفاده از كدنويسي يومت قوانين كشش - جدايش مختلف انجام شد و نمودارهاي بار - جابه‌جايي حاصل از روش‌هاي آزمايشگاهي، بهينه‌سازي ژنتيك و پيشنهادي استخراج گرديدند. در ادامه، نتايج حاصل از روش آزمايشگاهي به عنوان مبنا در نظر گرفته شده و به بررسي نمودارهاي كشش - جدايش و بار - جابه‌جايي حاصل از سه روش مذكور پرداخته شد. نتايج حاصل از بررسي نشان داد كه قانون چهارخطي روش پيشنهادي نسبت به قانون سه‌خطي اين روش، تخمين دقيق‌تري را از شكل كلي نمودارهاي كشش - جدايش و بار - جابه‌جايي ارائه مي‌كند. علاوه بر اين، نمودارهاي كشش - جدايش و بار - جابه‌جايي حاصل از قوانين چهارخطي روش‌هاي پيشنهادي و بهينه‌سازي ژنتيك نزديك به هم بودند. لذا با توجه به مزاياي پرشمار قانون چهارخطي روش پيشنهادي از جمله سهولت استفاده و صرفه‌جويي در زمان، مي‌توان نتيجه گرفت كه روش مذكور در پيش‌بيني شكل كلي نمودارهاي كشش - جدايش و بار - جابه‌جايي آزمايشگاهي، بهينه‌تر از ساير روش‌ها عمل مي‌كند.

1395/11/20

1/1/1900 12:00:00 AM

In the present research, initiation an​d propagation of delamination in laminated composites made of E-glass fibers an​d epoxy resin under mixed mode I/II loading were investigated. Asymmetric double cantilever beam (ADCB) specimens with mode mixity ratio of 14.735 % were manufactured by hand lay-up method. Mentioned specimens had the stacking sequence of [015 / θ // 0 / 07] an​d sixteenth ply direction was considered as 0˚, 30˚, 45˚, 60˚, an​d 90˚. The interface fiber orientation was changed in order to eliminate the effects of remote ply orientations. In unidirectional specimens containing nanoparticles, four interlayer zones around the delamination interface were reinforced by carbon nanofibers. By performing the delamination test, load - displacement curves of ADCB specimens were extracted. In order to full extraction of test results, values of two quantities of crack length an​d local displacement of initial crack tip were extracted using image processing method. The values of strain energy release rate for ADCB specimens were calculated by modified beam theory method an​d resistance curves of specimens were extracted. Experimental test results showed that the use of carbon nanofibers at delamination interface, has not had a significant influence on load - displacement curve an​d resistance curve of unidirectional specimen. Furthermore, based on the test results, initiation an​d propagation values of fracture toughness for laminates with non-zero fiber orientation in underlay of crack are greater than ones of unidirectional laminates. This trend is reverse for bridging zone length parameter. This occurs due to overcoming fibers separation mechanism from the surface to bridging zone length mechanism in laminates with non-zero fiber orientation in underlay of crack. Experimental traction - separation law of ADCB specimens was extracted based on the J-integral method. According to the equations an​d ranges presented in literatures an​d results of numerical modelings, the scope of changes of quadlinear traction - separation law parameters was determined. Furthermore, the effect of parameters value changing in specified scope on load - displacement curve behavior of ADCB specimens was investigated qualitatively an​d quantitatively. Then, optimization process was implemented by genetic algorithm method an​d unknown parameters of quadlinear traction - separation law were extracted. Due to existing problems in genetic optimization process, a comprehensive proposed method, having suitable accuracy an​d simpler than genetic optimization algorithm was presented. Then, unknown parameters of trilinear an​d quadlinear laws were extracted using the proposed method. Numerical modeling of ADCB specimens was implemented using user material (UMAT) coding of different traction - separation laws an​d load - displacement curves obtained of experimental, genetic algorithm an​d proposed methods were extracted. Then, results of experimental method were considered as the basis an​d traction - separation an​d load - displacement curves obtained of three mentioned methods were investigated. The results of study showed that compared with trilinear law of proposed method, quadlinear law of this method presents more accurate estimation of overall form of traction - separation an​d load - displacement curves. Furthermore, traction - separation an​d load - displacement curves obtained from quadlinear laws of proposed an​d genetic algorithm methods were close to each other. Therefore, due to numerous benefits of quadlinear law of proposed method such as ease of use an​d saving time, it can be concluded that mentioned method works more efficient than other methods in predicting the overall form of experimental traction - separation an​d load - displacement curves.