17090

17090

تخمين بار شكست در اتصال نانو چسبي تك لبه‌اي تحت بارگذاري استاتيك به روشي مبتني بر مفاهيم فاصله بحراني

دكتري

طراحي كاربردي - جامدات

اسفند1395

دكتر مجيدرضا آيت اللهي

دكتر لوكاس فيليپ مارتين داسيلوا

مكانيك

چكيده: در تحقيق حاضر با هدف پيش‌بيني بار شكست استاتيكي اتصالات چسبي تك لبه‌اي حاوي نانولوله‌هاي كربني، روشي مبتني بر مفاهيم تئوري فاصله بحراني گسترش يافت. در اين پژوهش علاوه بر نانولوله‌هاي كربني، چسب‌هاي حاوي ميكروذرات كرك و همچنين مجموعه‌اي از چسب‌هاي ترد، نرم و معمولي نيز مورد توجه قرار گرفتند. در روش پيشنهادي از كرنش طولي در لايه مياني چسب كه براي اولين بار به‌عنوان معيار شكست معرفي مي‌شود استفاده شده است. بر اساس معيار پيشنهادي، شكست در يك اتصال چسبي تك لبه‌اي زماني رخ مي‌دهد كه كرنش طولي در لايه مياني چسب در فاصله‌اي مشخص از لبه اتصال به مقدار بحراني معيني برسد. بر اين اساس، فاصله و مقدار كرنش به ترتيب تحت عنوان فاصله بحراني و كرنش طولي بحراني در قالب ثوابت معيار معرفي گرديد كه مقدار آنها از طريق آزمايش حاصل مي‌شوند. با انجام مجموعه آزمايش‌هاي جامع بر روي تنوعي از اتصالات چسبي و نانوچسبي و استفاده از نتايج متعدد حاصل از پژوهش ديگر محققان، اثر پارامترهاي هندسي و مادي بر ثوابت مدل و تخمين‌هاي ارائه شده از سوي معيار پيشنهادي مورد بررسي قرار گرفت. در اين بخش بيش از 200 حالت مختلف از اتصالات تك لبه‌اي مورد بررسي قرار گرفتند كه از اين بين بيش از هفتاد تركيب مختلف از اتصالات تك لبه اي با تنوعي از چسب، چسبنده و هندسه، طراحي، ساخته و آزمايش شدند و بقيه موارد مربوط به اطلاعات آزمايشگاهي بود كه در مقالات توسط ديگر محققان منتشر شده بود. بر اساس نتايج بدست آمده مشخص گرديد كه طول نرمال شده بحراني با تغيير در ابعاد هندسي اتصال ثابت باقي مي‌ماند. كرنش طولي بحراني نيز تنها متأثر از ضخامت چسبنده دچار تغيير مي‌شود كه اين تغييرات ارتباط معكوسي با ضخامت چسبنده دارد. با اعمال روش پيشنهادي بر اتصالات با ضخامت متغير چسب نيز مشخص شد كه برخلاف بسياري از روش‌هاي ارائه شده كه قادر به بررسي اثر ضخامت چسب در استحكام اتصال چسبي تك لبه‌اي نيستند، روش پيشنهادي به خوبي قادر به در نظر گرفتن اثرات منفي افزايش ضخامت چسب بر استحكام اتصال است. روش پيشنهادي بر اتصالات داراي چسب‌هاي حاوي نانولوله‌هاي كربني و ميكروذرات كرك نيز اعمال گرديد. در اين بخش، چسب هاي حاوي درصدهاي مختلف وزني نانولوله هاي كربني (%1/0، %4/0 و %8/0) مورد توجه قرار گرفتند. به منظور توزيع نانوذرات از روش پراب اولتراسونيك استفاده شد. انرژي بهينه براي دستيابي به توزيع يكنواخت نانولوله هاي نيز بر اساس روش بيشينه گرانروي محاسبه گرديد. با انجام آزمايش بر روي اتصالات حاوي نانولوله هاي كربني مشاهده شد كه افزودن %1/0 وزني نانولوله كربني به چسب مورد مطالعه، استحكام اتصال مذكور تا 33 % افزايش مي يابد. با بررسي ثوابت معيار پيشنهادي در اتصالات حاوي چسب‌هاي معمولي (چسب‌هايي كه حداكثر كرنش شكست آن‌ها كمتر از 10% و مدول الاستيسيته آن‌ها كمتر از GPa4 باشد) نيز رابطه‌اي بين كرنش طولي بحراني و خواص اتصال پيشنهاد شد كه بر اساس آن تعداد ثوابت آزمايشگاهي مورد نياز در مدل پيشنهادي به يك ثابت كاهش يافت. مهمترين مزاياي روش پيشنهادي عبارتند از : ارائه پيش‌بيني‌هاي مناسب از بار شكست در مقايسه با نتايج آزمايشگاهي، نياز به انجام تنها يك تحليل ساده الاستيك خطي دوبعدي، عدم حساسيت به ابعاد مش در تحليل المان محدود، قابليت اعمال بر اتصالات با تنوعي از چسب‌هاي ترد، معمولي و نرم و چسب‌هاي حاوي نانولوله‌هاي كربني يا ميكروذرات، استفاده از ثوابت يكسان معيار براي اتصالات با ابعاد هندسي متفاوت و ارائه مدلي براي تخمين مقدار بحراني كرنش طولي براي اتصالات حاوي چسب معمولي كه البته درصد بالايي از چسب هاي موجود را تشكيل مي دهند. واژه‌هاي كليدي: اتصالات چسبي تك لبه اي، فاصله بحراني، كرنش طولي، پيش‌بيني بار شكست، نانولوله كربني.

1396/01/03

1/1/1900 12:00:00 AM

Abstract: In the current research, a method based on the concepts of the theory of critical distances has been developed to predict the failure loads of adhesively bonded single lap joints (SLJs). The proposed method could predict the static failure load of single lap adhesive joints containing nano-particles. However, a variety of adhesives including the very stiff, ductile an​d moderate adhesives without any additive an​d the adhesives including micro-particles were also considered in this study. According to the proposed model, failure is expected when the longitudinal strain along the adhesive mid-plane reaches a critical value at a specified critical distance. The critical distance an​d the critical value of the longitudinal strain are both determined experimentally. The model was verified an​d the effect of material an​d geometry on the model constants were also analyzed by performing a series of experiments on single lap adhesive joints with different geometries. It was also validated by considering the experimental results reported by other researchers. Totally, more than 200 different configurations of single lap adhesive joints were studied in this work. According to the results, it was found that the critical distance is not affected by the joint geometry. However, the critical longitudinal strain is only affected by the adherent thickness. Although, the effect of adhesive thickness on the joint strength is a challenge, however, the proposed method was also able to consider the effect of bondline thickness on the joint strength. The proposed method was also applied on the joint containing micro cork particles an​d carbon nano tubes. Good correlations between the predictions an​d the experimental results were seen. The analysis of the SLJs with moderate adhesives (adhesive with elongation less than 10% an​d the Young’s modulus less than 4GPa) also showed that the there is a relation between the joint properties an​d the critical longitudinal strain. Accordingly, only one experiment is needed to obtain the constants of the proposed method. The most important advantages of the proposed criterion are as follows: Very good failure load predictions, only a simple 2D linear elastic analysis, no sensitivity to mesh size, applicability on the joint with variety of adhesives including ductile, brittle an​d moderate adhesives, applicability on SLJs with adhesives containing nano- an​d micro-particles, the same critical constants for the joints with different geometries, obtaining the critical longitudinal strain by the material properties an​d the geometrical dimension of the joint without performing any experiment. Keywords: Single lap adhesive joints, Critical distance, Longitudinal strain, Failure load prediction, Carbon nano tubes.