17724

17724

رشد تورق در مود اول چندلايه هاي كامپوزيتي با و بدون نانو ذرات

دكتري

طراحي كاربردي - جامدات

تير 1396

دكتر محمود مهرداد شكريه

دكتر محمد حيدري راراني

مكانيك

در رساله حاضر، رشد تورق در مود I چندلايه‌‌هاي كامپوزيتي با و بدون نانو ذرات از منظر تحليلي، عددي و آزمايشگاهي مورد بررسي قرار گرفته است. در ابتدا، با استفاده از روندي تحليلي بر پايه مدل تير اويلر – برنولي بر بستر الاستيك كه در آن بستر الاستيك از معادله ساختاري مدل ناحيه چسبناك دوخطي پيروي مي‌‌نمايد، رفتار تورقي نمونه DCB تك‌‌جهته و چندجهته مدل‌‌سازي شده است. نتايج عددي نشان مي‌‌دهند كه مدل حاضر بر پايه معادل‌‌سازي مدول خمشي چندلايه، توانسته است منحني بار – جابه‌‌جايي آزمايشگاهي نمونه‌‌هاي چندجهته را به‌‌خوبي پيش‌‌بيني نمايد. در ادامه، تأثير زواياي فصل مشترك تورق بر R-curve نمونه DCB مورد بررسي قرار گرفته است. بدين منظور، نمونه DCB با لايه‌‌چيني [011/θ//012] كه در آن θ زواياي صفر، 30، 45 و 90 درجه اختيار مي‌‌نمايد، با استفاده از لايه‌‌چيني دستي ساخته شده و آزمايش‌‌هاي تورق مطابق با استاندارد ASTM بر روي نمونه‌‌ها انجام شده است. همچنين اين نوع از چيدمان لايه‌‌ها به منظور حذف اثرات لايه‌‌چيني دوردست فصل مشترك تورق، بر رفتار تورقي نمونه‌‌هاي DCB انتخاب شده است. نتايج آزمايشگاهي نشان مي‌‌دهند كه با افزايش زاويه الياف فصل مشترك تورق، چقرمگي شكست بين‌‌لايه‌‌اي شروع، افزايش و طول ناحيه پل‌‌زني كاهش داشته است. همچنين به منظور توجيه فرآيند رشد تورق در اين نوع از نمونه‌‌ها، شكست‌‌نگاري از سطوح فصل مشترك تورق انجام گرفته است. در ادامه، قانون پل‌‌زني الياف به منظور مدل‌‌سازي المان محدود بر پايه مدل ناحيه چسبناك، براي نمونه‌‌هاي ياد شده با استفاده از روش انتگرال J استخراج شده‌‌اند. نتايج آزمايشگاهي نشان مي‌‌دهند كه با افزايش زاويه الياف فصل مشترك تورق، بيشينه تنش پل‌‌زني در اين نمونه‌‌ها افزايش يافته است. علاوه بر اين، روندي نيمه تحليلي به منظور استخراج قانون پل‌‌زني الياف براي زواياي دلخواه فصل مشترك تورق 0//θ ارائه شده و با قانون كشش – جدايش متناظر آزمايشگاهي براي هر يك از فصول مشترك تورق، مقايسه شده است. همچنين با استفاده از تحليل المان محدود و مدل آسيب هشين، تأثير آسيب درون‌‌لايه‌‌اي در لايه غيرصفر بر منحني بار – جابه‌‌جايي نمونه DCB مورد بررسي قرار گرفته است. در پايان، تأثير نانو الياف كربني و نانوسيليكا بر R-curve و همچنين مدل ناحيه چسبناك نمونه DCB تك‌‌جهته مورد بررسي قرار گرفته است. نانو الياف كربني در فاز زمينه نمونه DCB و نانو سيليكا در بخش آهار الياف شيشه مورد استفاده قرار گرفته است. نتايج نشان مي‌‌دهند كه استفاده از نانو ذرات ياد شده، توانسته است به ميزان قابل توجهي مقدار چقرمگي شكست شروع و رشد و همچنين طول ناحيه پل‌‌زني در نمونه DCB را افزايش دهد. واژه‌هاي كليدي: تورق، تير دولبه يكسر گيردار، مدل ناحيه چسبناك، قانون پل‌‌زني الياف، نانو ذرات

1396/05/25

1/1/1900 12:00:00 AM

In this thesis, delamination growth in Mode I loading of laminated composites is investigated based on analytical, numerical and experimental approaches. Firstly, delamination behavior of unidirectional (UD) and multidirectional (MD) DCB specimens is studied using a beam resting on elastic foundation. The elastic foundation has a constitutive equation of bilinear cohesive zone model. Numerical results show that the present model based on equivalent flexural modulus can predict the experimental load-displacement curves of UD and MD DCB specimens well. Afterwards, the effect of the delamination interface fiber angles on the R-curve behavior of DCB specimens is investigated experimentally. To this end, DCB specimens with stacking sequence of [011/θ//012] and θ=0, 30, 45, 90 are manufactured by hand lay-up method and the fracture tests are conducted on these specimens according to ASTM standard. These stacking sequences are chosen to eliminate the effect of remote ply orientation on the R-curve behavior of DCB specimens during the delamination propagation. Experimental results show that by increasing the delamination interface fiber angle the initiation of interlaminar fracture toughness increases and the fiber bridging zone length decreases. In addition, order to present a profound insight on the interface fiber angle effect on the R-curve behavior, the sideward and crack front view as well as fracture surfaces images of DCB specimens during the delamination propagation are presented. Moreover, in order to simulate the delamination growth of DCB specimens busing interface element based on cohesive zone model, the bridging laws for mentioned specimens are characterized using J-integral approach. Experimental results show that by increasing the interface fiber angle the maximum bridging traction increases. In addition, a semi-analytical procedure is proposed in order to obtain the bridging law of DCB specimens with arbitrary 0//θ interface. In addition, the effect of intra-laminar damage on the load-displacement of DCB specimens is investigated using the finite element analysis based on the Hashin’s damage criteria. Finally, the effects of carbon nano fiber (CNF) and nano silica (SiO2) on the R-curve and cohesive zone model of UD DCB specimens are studied. The CNF and SiO2 are used in matrix and sizing of glass fiber of the manufactured specimens respectively. Results show that the nano particles significantly improve the initiation and propagation of fracture toughness as well as bridging zone length. Keywords: Delamination, double cantilever beam, cohesive zone model, fiber bridging law, nano particles.