17104

17104

تعيين استحكام پنل هاي ساندويچي كامپوزيتي تحت بار عرضي با لحاظ رفتار غيرخطي مادي پوسته ها

كارشناسي ارشد

طراحي كاربردي

دي 1395

دكتر فتح اله طاهري بهروز

مكانيك

يكي از موضوعات مهم در طراحي سازه هاي مختلف، داشتن استحكام بالا در مقابل پايين بودن وزن سازه مي باشد. از پنل هاي ساندويچي به‌عنوان يكي از اين نوع سازه ها مي توان نام برد. بالا بودن خواص مكانيكي پنل هاي ساندويچي به‌خصوص سفتي خمشي بالا در مقابل وزن پايين آن‌ها سبب شده است اين سازه ها به‌طور گسترده در صنايع مختلف هوايي و دريايي مورد استفاده قرار بگيرد. بنابراين آشنايي با رفتار، مكانيزم تخريب و استحكام نهايي پنل هاي ساندويچي كمك قابل توجهي در طراحي آن‌ها خواهد كرد. بررسي ها نشان داده است كه نوع بارگذاري، جنس مواد تشكيل دهنده و ابعاد پنل هاي ساندويچي سه عامل اصلي تأثيرگذار بر روي استحكام اين سازه ها است. از طرف ديگر مشكلاتي كه در هنگام ساخت و يا آسيب هايي مانند ضربه ناگهاني ايجاد مي شود، ممكن است باعث كاهش شديد در استحكام اين سازه ها شود. ازاين‌رو در اين تحقيق به بررسي رفتار، مكانيزم تخريب و استحكام تيرهاي ساندويچي كامپوزيتي بدون نقص و داراي نقص اوليه به‌صورت جدايش هسته-پوسته پرداخته شد. تيرهاي ساندويچي بدون جدايش اوليه با سه طول مختلف و دو نوع لايه چيني مورد آزمايش خمش چهار نقطه قرارگرفته است. از طرف ديگر با قرارگيري جدايش بين هسته و پوسته در نواحي مختلف از تير ساندويچي اثر جدايش بر روي استحكام و مكانيزم تخريب در تيرهاي ساندويچي كامپوزيتي بررسي شد. همچنين با استفاده از شبيه سازي عددي رفتار مواد تشكيل دهنده تير ساندويچي و مكانيزم هاي مختلف واماندگي مشاهده شده در آزمون خمش، سعي شد رفتار تيرهاي ساندويچي و حداكثر بار قابل‌حمل به‌وسيله‌ي اين سازه ها پيش بيني شود. از نتايج آزمون براي نمونه هاي بدون جدايش مشخص شد كه نوع لايه چيني بر روي حداكثر بار تأثيرگذار نيست كه علت آن را مي توان تسليم شدن هسته فومي و مكانيزم فرورفتگي پيش از هر تخريب ديگر عنوان كرد. همچنين براي اين نمونه ها مشاهده شد كه با كاهش طول تير تأثير نوع لايه چيني بر روي رفتار خمشي كاهش پيداكرده است. از طرف ديگر براي تيرهاي ساندويچي داراي جدايش اوليه بين هسته-پوسته مشاهده شد، وجود اين جدايش در قسمت فشاري بين دو غلتك بارگذاري به علت گسترش ناگهاني ترك بين هسته-پوسته، سبب افت ناگهاني استحكام تير ساندويچي شده و حالت بحراني تري نسبت به نمونه هاي داراي جدايش اوليه در قسمت برشي تير ايجاد مي كند. در شبيه سازي عددي به‌طور توأمان مكانيزم هاي تخريب براي پوسته ي كامپوزيتي با استفاده از معيار هشين اصلاح شده، لهيدگي در هسته فوم با استفاده از مدل لهيدگي فوم، رشد ترك در هسته و جدايش بين هسته و پوسته به ترتيب با در نظر گرفتن مدل المان محدود توسعه‌يافته و مدل ناحيه چسبناك پيش بيني شد. همچنين رفتار غيرخطي مواد تشكيل دهنده با استفاده از تعريف پارامتر آسيب به‌عنوان شيب مماسي رابطه تنش-كرنش برشي مواد تشكيل دهنده تير ساندويچي در زيرروال USDFLD به همراه معيار تخريب هشين پياده سازي شد. درنهايت نشان داده شد نتايج پيش بيني عددي تطابق خوبي با نتايج آزمون هاي خمش چهار نقطه دارند.

1396/01/23

1/1/1900 12:00:00 AM

One of the most important issues in the design of structures is high strength versus low weight. The sandwich panels can be mentioned as one of these kind of structures. The high mechanical properties of sandwich panels, particularly high flexural stiffness against their low weight cause wide application of these structures in various industries. Therefore understanding of the mechanical behavior, failure mechanisms an​d ultimate strength of sandwich panels is important to have efficient design. Based on the studies performed by a lots of researchers, the type of loading, constituent materials an​d geometrical dimensions have the most effects on the strength of these structures. Moreover manufacturing processes an​d damage caused by unintentional impacts severely decrease ultimate strength of sandwich structures. According to above mentioned points, the main objective of this study is investigating the mechanical behavior, strength an​d failure mechanisms of composite sandwich beams containing initial defects as core-skin separation an​d sound specimens under four-point bending load. Experiments were conducted for cross ply an​d angle ply configurations for intact specimens, while for the specimens with defect only angle ply face sheets were tested. The effects of defect position on the failure mechanisms were inspected by locating the core-skin defect in various positions. Maximum external load an​d observed failure mechanisms from the experiments were predicted using finite element simulation of constituent material properties. The results of the intact specimens revealed that the layup configuration does not affect maximum failure load, because core indentation is the dominant failure mechanism. Also, layup configuration has less influence on the flexural behavior by decreasing the beam length. By observing the results of the specimens with defects it could be concluded, specimens with defect positioned in compression area of the beam are more critical than those positioned in shear span because of suddenly delamination of core-skin interface. In the numerical simulations failure mechanisms are predicted simultaneously for composite skin using modified Hashin criteria an​d indentation of foam core by considering crushable foam model. Moreover, extended finite element an​d cohesive zone model were employed to simulate crack propagation in the foam core an​d in the interface of core an​d skin respectively. Nonlinear behavior of the constituent materials were modeled explicitly by defining the slope of stress-strain relation in each increment. Material nonlinearities an​d modified Hashin criteria for face sheets were conducted via USDFLD subroutine in ABAQUS commercial software. Numerical predictions have good correlation with the experiments an​d model is capable to predict the load-displacement curve an​d the failure mechanisms accurately.