18618

۱۸۶۱۸

پيش‌بيني رشد آسيب در كامپوزيتهاي لايه‌اي با لايه‌چيني [0/θ]s و [θ/0]s تحت بارگذاري استاتيكي-خستگي كششي تك‌محوره

دكتراي تخصصي

طراحي كاربردي

بهمن ماه ۱۳۹۶

دكتر بيژن محمدي

مكانيك

در رساله حاضر وضعيت آسيب كامپوزيتهاي لايه‌اي با لايه‌چيني [0/θ]_s و [θ/0]_s تحت بارگذاري استاتيكي و خستگي مورد مطالعه و بررسي قرار گرفته است. دو مود آسيب ترك ماتريسي و جدايي بين لايه‌اي ناشي از تركهاي ماتريسي به عنوان متداول‌ترين مودهاي آسيب در كامپوزيتهاي لايه‌اي در نظر گرفته شده و دستورالعملي جهت پيش‌بيني وضعيت آسيب و افت خواص مكانيكي ناشي از آن ارائه شده است. آزمايشات تجربي استاتيكي و خستگي متعددي بر روي نمونه‌هاي كربن-اپوكسي ترتيب داده شده و نتايج تحليلي روش پيشنهادي رساله حاضر در قياس با مشاهدات تجربي اعتبارسنجي شده است. مطالعات تحليلي رساله حاضر در سه بخش كلي تحليل ميكرومكانيكي ميدان تنش، پيش‌بيني وضعيت آسيب تحت بارگذاري استاتيكي و پيش‌بيني وضعيت آسيب تحت بارگذاري خستگي صورت گرفته است. ميدان تنش سلول واحد كامپوزيت حاوي آسيب با استفاده از روش ميكرومكانيكي و بر اساس روش حساب تغييرات استخراج شده است. براي استخراج ميدان تنش، لايه‌چيني [θ_m^((o) )/θ_n^((i) ) ]_s با فرض بروز تركهاي ماتريسي مياني يا متقارن بيروني يا زيگزاگي بيروني، حاوي يا فاقد جدايي بين لايه‌اي تحت بارگذاري دلخواه داخل صفحه در نظر گرفته شده است. سپس با معرفي سلول واحد براي هر يك از انواع وضعيت آسيب محتمل، ميدان تنش و متناظر با آن؛ افت خواص مكانيكي استخراج شده است. در بخش دوم معياري جهت پيش‌بيني الگوي توزيع، شروع و رشد تركهاي ماتريسي با استفاده از يك معيار انرژي‌پايه بر اساس نرخ رهاسازي انرژي توسعه داده شده است. الگوي توزيع و رشد تركهاي ماتريسي براي لايه‌چيني‌هاي مختلف پيش‌بيني شده و با نتايج تجربي مورد مقايسه و ارزيابي قرار گرفته است. همچنين، از نرخ رهاسازي انرژي به عنوان معياري جهت پيش‌بيني اشباع تركهاي ماتريسي و شروع و رشد جدايي بين لايه‌اي ناشي از تركهاي ماتريسي نيز استفاده شده است. پيش‌بيني رشد آسيب در كامپوزيتهاي لايه‌اي تحت بارگذاري خستگي كششي تك‌محوره نيز از طريق يك رابطه تواني ميان نرخ رشد آسيب و نرخ رهاسازي انرژي براي رشد تركهاي ماتريسي و جدايي بين لايه‌اي ناشي از آن در كامپوزيتهاي لايه‌اي استخراج شده است. اثرات لايه‌چيني، بيشينه تنش اعمالي و همچنين نسبت تنش اعمالي نيز بر وضعيت آسيب و افت خواص مكانيكي ناشي از آن تحت بارگذاري خستگي مورد بررسي قرار گرفته و با مشاهدات تجربي اعتبارسنجي شده است. نتايج تحليلي و تجربي مؤيد اثر نوع لايه‌چيني و ضخامت لايه‌ها بر الگوي توزيع، شروع، رشد و اشباع تركهاي ماتريسي هستند. مشاهدات نشان داد نسبت تنش و بيشينه تنش اعمالي گرچه بر شروع و نرخ رشد آسيب اثرگذارند، وليكن وضعيت اشباع آسيب مستقل از بارگذاري است.

1396/12/21

3/12/2018 12:00:00 AM

The present thesis deals with damage state in laminated composites with [0/θ]_s and [θ/0]_s layup subject to static and fatigue loading. Matrix cracking and induced delamination have been considered as the most common damage mode in laminates and a procedure is developed to predict the damage state and consequent mechanical degradation of laminates. Micromechanical stress analysis is implemented accompanied by macro damage initiation and evolution laws based on finite fracture mechanics to predict the damage state. Extensive experimental study is performed on carbon-epoxy test specimens and analytical predictions are verified in accordance with experimental observations. Analytical investigation of the present thesis is performed in three steps including micromechanical stress analysis, damage state prediction during static loading, and damage state prediction under fatigue loading. Stress state of the unit cell of damaged laminate is derived based on variational principles. In order to derive the stress state, mid- or symmetric or staggered outer-ply matrix cracks are considered to form in [θ_m^((o) )/θ_n^((i) ) ]_s laminates subject to arbitrary membrane loads. Degradation of mechanical properties are then derived over the unit cell according to the stress state. An energy-based criterion is proposed to predict damage distribution pattern and initiation, propagation and saturation of damage based upon energy release rate. Matrix crack distribution patterns in different layups are analytically predicted and compared to experimental observations. Damage evolution during uniaxial tensile fatigue loading is also predicted proposing a power law between the rate of damage evolution and energy release rate for both matrix cracking and induced delamination. Effects of laminate layup, maximum applied stress and stress ratio on damage state and consequent degradation of mechanical properties are investigated during fatigue loading and verified in accordance with experimental observations. Analytical investigation and experimental observations confirm effects of layup configuration and layer thickness on matrix crack distribution pattern and initiation, propagation and saturation of matrix cracks. Experimental observations show that maximum applied stress and stress ratio affects initiation and propagation of matrix cracks, however crack density at saturation is independent from loading conditions.