17983

17983

تحليل ميكرومكانيك انتقال تنش در كامپوزيت زمينه پليمري تقويت شده با سيم آلياژ حافظه دار

كارشناسي ارشد

طراحي كاربردي

مهر 1396

دكتر فتح الله طاهري

مكانيك

آلياژهاي حافظه‌دار از قبيل نيكل تيتانيم به شكل سيم يا الياف كوتاه را مي‌توان جهت توليد سازه¬هاي كامپوزيتي هوشمند در ماده زمينه جاسازي نمود. به دليل استحكام ضعيف فاز مياني بين سيم SMA و زمينه، تأثير فاز مياني بر خواص مكانيكي و توزيع تنش در كامپوزيت بسيار حائز اهميت مي‌باشد. در اين پايان‌نامه، فاز مياني با خواص مكانيكي ناهمگن لحاظ شد. سپس يك مدل متقارن محوري سه استوانه‌اي جهت بررسي انتقال تنش و رفتار بين لايه‌اي ميان سيم حافظه‌دار، فاز مياني و زمينه با استفاده از آزمايش بيرون كشي ارائه‌شده است. فاز زمينه براي دو ماده مختلف شامل رزين خالص و كامپوزيتي شامل الياف و رزين اپوكسي در نظر گرفته شد. در مدل‌سازي رفتار ترموديناميكي سيم هوشمند، مدل يك‌بعدي بريسنون به‌كاررفته است. با استفاده از روش تابع تنش و اصل حداقل انرژي مكمل، توزيع تنش‌هاي داخلي در سه فاز به دست آمد. در حالت زمينه كامپوزيتي با استفاده از ماتريس نرمي خارج از صفحه‌اي معادل، مؤلفه‌هاي تنش و كرنش متوسط تعيين و سپس از روش تابع تنش استفاده شد. در حالت زمينه با رزين خالص سه تحليل براي سه مدل بارگذاري حرارتي، فاز مياني سالم و كاملاً متصل و فاز مياني تا حدي جداشده انجام شد ولي در حالت زمينه كامپوزيتي تنها مدل فاز مياني سالم و كاملاً متصل در نظر گرفته شد. تحليل المان محدود (FE) نيز جهت شبيه‌سازي انتقال تنش از سيم هوشمند به زمينه از طريق فاز مياني انجام شد. به‌منظور صحت سنجي مدل در حالت ماتريس تقويت‌شده با سيم هوشمند از نتايج عددي و نتايج كامپوزيت دوفازي و در حالت چندلايه كامپوزيتي تقويت‌شده با سيم هوشمند از نتايج عددي و نتايج حالت رزين خالص استفاده شد. با مقايسه تنش حداكثر در دو مدل فاز مياني سالم و فاز مياني تا حدي جداشده مشخص مي‌شود كه تنش محوري ميانه سيم در مدل فاز مياني سالم در دو دماي كاري و به ترتيب تقريباً 30% و 17% بيشتر از مدل فاز مياني تا حدي جداشده است. همچنين حداكثر تنش برشي مدل فاز مياني جداشده در دو دماي كاري و به ترتيب تقريباً 21% و 40% بيشتر از مدل فاز مياني سالم است. در چندلايه كامپوزيتي تأثير نوع الياف، كسر حجمي الياف و زاويه الياف بر توزيع تنش‌ها به دست آمدند. جهت بررسي تأثير نوع الياف، نتايج كامپوزيت كربن/ اپوكسي و شيشه/ اپوكسي با نتايج رزين خالص مقايسه شدند. نتايج توزيع تنش در كامپوزيت كربن/ اپوكسي از 7% براي حداكثر تنش برشي تا 80% براي تنش محوري در ميانه زمينه اختلاف داشتند. كسر حجمي الياف و زاويه الياف به ترتيب در محدوده 10% تا 70% و 10 تا 90 درجه انتخاب شدند. افزايش كسر حجمي الياف، مقدار تمامي مؤلفه‌هاي تنش را افزايش مي‌دهد، اما مقدار مؤلفه‌هاي تنش بسته به زاويه الياف مي‌توانند كاهش يا افزايش يابند.

1396/08/08

10/22/2017 12:00:00 AM

Shape memory alloy (SMA) in the form of wires or short fibers can be embedded into host materials to form SMA composites. Due to the weak interface in shape memory alloy (SMA) wire-reinforced composites, the influence of interphase on the mechanical properties and stress distribution of composite, is of considerable importance. In this thesis, inhomogeneous interphase is considered, then a three-cylinder axisymmetric model, using a pull out test is developed to predict stress transfer and interfacial behaviour between a SMA wire, an interphase, and a matrix. Matrix phase is considered for two materials including pure resin and composite. For termomechnical behaviuor of the SMA wire, one dimensional Brinson model is used. Based on the stress function method and principle of minimum complementary energy, the stress distribution is derived for three phases. In the SMA wire reinforced composite case by using equal off-axis stiffness matrix, average stress and strain components are derived and then the stress function method is applied. In the SMA wire reinforced resin matrix case, three model including thermal loading model, intact model and partially debonded model are analyzed, but in the SMA wire reinforced composite only intact model is considered. Finite element analysis also performed to simulate stress transfer from the wire to the matrix through the interphase. To eva​luate the accuracy of the presented model, the results of the SMA wire reinforced resin matrix case are compared with the results of two-phase composite and finite element results and in the SMA wire reinforced laminated composite case, results of the SMA wire reinforced resin matrix and finite element results are used. By comparing the maximum stress in two models of intact interphase and partially debonded interphase determined that the axial stresses of the middle wire in the intact interphase model at two working temperatures and is approximately 30% and 17% more than from the partially debonded interphase model, respectively. Also, maximum shear stress in the partially debonded interphase model and is approximately 21% and 40% more than from the intact interphase model. In laminated composite, the effect of fiber type, volume fraction of fiber and fiber angle on stress distribution was obtained. The results of carbon / epoxy composite and glass / epoxy composite were compared with pure resin results to investigate the effect of fiber type. The stress distribution results in carbon/ epoxy composites were 7% for maximum shear stress up to 80% for axial stress in the middle of matrix. The volume fraction of the fiber and the fiber angle were selected in the range of 10% to 70% and 10 to 90 degrees. Increasing the volume fraction of the fiber increases the amount of all stress components, but the amount of stress components can decrease or increase with the angle of the fiber.