19172

۱۹۱۷۲

بررسي گسيختگي قطعات لاستيكي در حضور ترك و شيار با يا بدون تقويت توسط نانوذرات

دكتري تخصصي

مكانيك جامدات - طراحي كاربردي

۹۶-۹۷

۱۳۹۷/۰۳/۰۲

دكتر مجيدرضا آيت اللهي

پروفسور فيليپو برتو

مكانيك

هدف اصلي رساله دكتري حاضر، بررسي پارگي قطعات لاستيكي در حضور ترك و شيار است. براي نيل به اين هدف، بررسي پارگي قطعات لاستيكي در دو زمينه دنبال شده است. در گام اول و در فاز تجربي، با توجه به عدم وجود نتايج تجربي كافي براي قطعات هايپرالاستيك داراي عامل تمركز تنش در پژوهش¬هاي پيشين (خصوصاً قطعات لاستيكي داراي شيار)، آزمون¬هايي تجربي در اين حوزه صورت پذيرفته است. از طرف ديگر، با توجه به توسعه فناوري نانو و پيشرفت روش¬هاي ساخت نانوكامپوزيت¬ها در طي ساليان اخير، استفاده از نانوذرات به‌عنوان تقويت¬كننده درون لاستيك¬ها نيز طي دهه اخير مورد توجه قرارگرفته است. از همين رو، آزمايش¬هايي بر روي قطعات لاستيكي حاوي نانوكلي در حضور ترك و شيار نيز در اين پژوهش صورت گرفته است. در گام دوم، معيارهايي براي پيش¬بيني بار پارگي مواد هايپرالاستيك در حضور ترك و شيار، با يا بدون تقويت توسط نانوذرات ارائه و درنهايت مقايسه ميان دقت اين معيارها صورت پذيرفته است. در همين راستا، سه معيار مختلف در پژوهش حاضر ارائه و بسط داده‌شده‌اند: ارائه معيار كشيدگي مؤثر بر پايه فيزيك لاستيك و ميكرومكانيك زنجيره¬ها، ارائه معيار حداكثر كرنش لگاريتمي مماسي و بسط معيار حداكثر چگالي انرژي كرنشي متوسط براي استفاده در مواد هايپرالاستيك. نكته حائز اهميت در ارائه و يا بسط اين دسته از معيارها، وجود حالت تقريباً تك¬محوره تنش در اطراف محل تمركز تنش بوده است كه اين نكته با استفاده از مدل‌سازي المان محدود صورت گرفته در اين پژوهش به اثبات رسيده است. نتايج آزمون¬هاي تجربي نشان مي¬دهد كه مستقل از نوع عامل تمركز تنش و مود بارگذاري، پارگي لاستيك‌ها تقريباً در مسيري افقي و عمود بر راستاي بارگذاري اتفاق افتاده است. همچنين، مشاهده‌شده است كه تأثير نانوكلي بر روي جابجايي بحراني قطعات شياردار مشهودتر از قطعات داراي ترك بوده است كه علت اين امر با استفاده از حالت تنش در اطراف نوك ترك و شيار و ميزان مشابهت آن با وضعيت تنش در آزمون كشش ساده توجيه شده است. از صحت¬سنجي معيارهاي ارائه‌شده با نتايج متعدد تجربي صورت پذيرفته مي¬توان دريافت كه حداكثر ميانگين درصد خطاي موجود براي هر معيار كمتر از هفت درصد بوده است كه اين مطلب گواه دقت بالاي هر سه معيار ارائه‌شده است. ضمن آنكه، مقادير پيش¬بيني¬شده توسط معيارهاي سه¬گانه براي لاستيك¬هاي حاوي نانوكلي تطابق بسيار مناسبي با مقادير متناظر تجربي داشته است كه نشان از كارايي اين معيارها در پيش¬بيني پارگي قطعات لاستيكي حاوي نانوذرات دارد. بااين‌حال، معيار كشيدگي مؤثر كه معياري بر پايه فيزيك لاستيك بوده است، بهترين دقت را در پيش¬بيني بار پارگي در ميان سه معيار داشته است. درنهايت و با بررسي معيارهاي سه¬گانه ارائه‌شده از جوانب مختلف، مي¬توان معيار حداكثر كرنش مماسي لگاريتمي را به دليل پيش¬بيني دقيق و توأمان بار و زاويه شروع پارگي براي لاستيك¬هاي متفاوت و در حالات مختلف تمركز تنش و مود بارگذاري، به‌عنوان بهترين معيار معرفي نمود.

1397/04/19

Rupture assessment of rubber-like materials weakened by cracks and notches with or without nanoparticle reinforcement

7/22/2018 12:00:00 AM

Rupture assessment of rubbers weakened by crack and notch is the main aim of the present thesis. In this regard, the aim is pursued in two fields. First and in the experimental phase, because of the lack of sufficient experimental data for rubbers weakened by stress concentrator (especially those containing a notch) in the open literature, some experiments are performed. On the other hand, because of great attention to nano-technology during the recent decades, addition of nano-particles into the rubber to improve its properties has been an active field of science during the recent years. Therefore, some fracture tests on nanoclay-reinforced rubber weakened by crack and notch are also conducted in this study. After the experiments and in the second phase of thesis, three fracture criteria for load prediction of cracked and notched rubbers with or without nanoclay are presented. These criteria are: (1) Effective stretch (ES) criterion which is based on the physics of rubber and micromechanics of chains, (2) Maximum tangential logarithmic strain (MTLSt) criterion, and (3) Averaged strain energy density (ASED) criterion extended to be used in hyperelastic materials. The key point in the presentation and extension of the criteria, which is proved via finite element modeling (FEM), is the nearly uniaxial nature of stress fields in the proximity of the crack/notch tip. The experimental results of this study reveal that independent of type of stress concentrator (crack or notch) and mode of loading (mode I or mixed mode I/II), the rubber nearly ruptures in a horizontal path and perpendicular to the loading direction. Moreover, it is seen that the addition of nanoclay to rubber affects the tearing (i.e, rupture) displacement of notched samples more than that of cracked ones. This result is justified by comparing of the stress state near the notch and crack tip with the state of stress in a uniaxial tensile test. Furthermore, the validation of the triple presented criteria with the results of various experiments shows that the maximum average percentage difference for a typical criterion is less that 7 %, which confirms very good efficiency of the criteria. Additionally, good agreement between the estimations of triple criteria and the experimental results of nanoclay reinforced rubber is obtained, which also approves the accuracy of the criteria in the case of nanocomposite rubbers. However, the ES criterion, which is based on the physics of rubber, has the best performance in load assessment of cracked and notched rubbers. After a thorough analysis of triple presented criteria from different aspects (i.e., for different types of rubbers, mode of loading, and type of stress concentrator), finally, the MTLSt criterion which provides very good predictions for both load carrying capacity and rupture initiation angle is selected as the most appropriate criterion.