19302

۱۹۳۰۲

تاثير نرخ بارگذاري بر چقرمگي شكست مود يك چندلايه هاي كامپوزيتي پليمري

كارشناسي ‌ارشد

مكانيك جامدات - طراحي كاربردي

1394-1396

۱۳۹۶/۱۰/۲۰

دكتر محمود مهرداد شكريه

مكانيك

در اين پژوهش، تأثير نرخ بارگذاري در محدوده نرخ استاتيكي و شبه‌استاتيكي بر چقرمگي شكست مود I چندلايه‌هاي كامپوزيتي پليمري مورد مطالعه قرارگرفته است. ابتدا مروري از پژوهش‌هاي محققين در زمينه بررسي اثر نرخ بارگذاري در مود يك بر روي رفتار تير دوتايي يك‌سردرگير (Double Cantilever Beam) كامپوزيتي ارايه شد. نتايج آزمايشگاهي محققين نشان مي‌دهد كه عوامل مختلفي همچون روش آزمايش، نوع نمونه، نرخ بارگذاري، زواياي لايه‌چيني و نوع الياف و ماتريس بر روي چقرمگي آغاز شكست و رشد ترك تأثيرگذار مي‌باشد. برخي از محققين به افزايش چقرمگي شكست با افزايش نرخ بارگذاري، تعدادي به كاهش و تعدادي نيز بي‌اثر بودن آن اشاره كرده‌اند. در تحقيق حاضر، از مدل ناحيه چسبناك و قوانين كشش-جدايش جهت بررسي تورق در مود يك استفاده شد. جهت تعيين پارامترهاي ناحيه چسبناك، در 5 گروه نرخ بارگذاري آزمايش‌هاي مختلفي صورت گرفت و چقرمگي شكست هر نمونه استخراج گرديد. براي تعيين نقطه آغاز رشد ترك، طول ناحيه پل‌زني و انرژي شكست رشد ترك در بارگذاري با نرخ‌هاي بالا از تجهيزات مناسب ثبت داده و تصاوير استفاده شد. تصاوير ثبت شده توسط نرم‌افزار تا 1000 فريم بر ثانيه آهسته گرديد و موقعيت مكاني نوك ترك در هر لحظه دقيقاً ثبت شد. جهت تعيين دقيق نوك ترك با استفاده از كد دستوري پردازش تصوير و يك رابط كاربر گرافيكي (Graphical User Interface) ر نرم‌افزار متلب، روشي نوين ابداع گرديد كه داراي دقت قابل قبولي مي‌باشد. سپس قانون پل‌زني الياف و همچنين منحني كشش–جدايش براي هر نرخ بارگذاري با استفاده از چهار پارامتر نيرو، طول ترك، بازشدگي دهانه ترك و بازشدگي محلي نوك ترك، استخراج گرديد. نتايج بدست آمده در تحقيق حاضر نشان مي‌دهد كه با افزايش نرخ بارگذاري تا محدوده 100 ميلي‌متر بر دقيقه چقرمگي شكست بين‌لايه‌اي نسبت به بارگذاري استاتيكي تغييرات محسوسي ندارد. ليكن در نرخ‌هاي بالاتر چقرمگي شكست شروع به كاهش پيدا مي‌كند كه دليل آن كاهش طول پل‌زني و رفتار ترد ماتريس مي‌باشد. با استفاده از نتايج آزمايشگاهي و مدل كشش–جدايش، رشد ترك در تير دوتايي يك‌سردرگير كامپوزيتي شبيه‌سازي شد. نتايج شبيه‌سازي نشان مي‌دهد كه ناديده گرفتن اثر ناحيه پل‌زني در مدل ناحيه چسبناك سبب خطا در پيش‌بيني رفتار قطعه مي‌گردد.

1397/06/17

Loading Rate Effects on Fracture Toughness of Mode I in Laminated Composites

1/10/2018 12:00:00 AM

In this study, the effect of loading rates on the interlaminar fracture toughness of unidirectional laminated composites was investigated. An overview of different factors causes delamination and a categorization of the loading rates were presented. Then, the theoretical methods for calculating the strain energy release rate and a review of other researches about the effect of loading rate and behavior of double cantilever beam composite specimens were presented. The experimental results show that various factors such as test method, sample type, loading rate, interface angle, type of fiber and matrix affect the initiation and propagation fracture toughness. A number of researchers predicted increased fracture toughness with increasing loading rates, a number of decreases, and some predicted the ineffectiveness of increasing loading rates on fracture toughness. The use of the cohesive zone model (CZM) using the traction- separation law is studied. In order to determine the parameters of the CZM, 5 groups of loading rate was performed and the fracture toughness of each rate was extracted. Determining the initiaton of crack growth, the length of bridging and the fracure energy at high rates requires appropriate recording equipment and images. To determine the initiaton of crack growth, the non-linear point of the load-displacement curve was considered. The images recorded by the software slowed down to 1000 frames per second to determine location of the crack accurately. To determine precisely the tipping point, a novel method was written using the image processing and GUI in MATLAB software, which has an acceptable accuracy for determining the length of the cracks. Four parameters, applied load, length of crack, crack opening and crack tip opening displacement to is used to determine CZM for every loading rate. The results show that, with increasing loading rates up to 100 mm/min, the interlaminar fracture toughness is not significantly different from static rate, but at higher rates the fracture toughness begins to decrease which is due to the reduction of the bridging length and a brittle behavior of matrix. Using the experimental results and the CZM model, an exponential model has been used in ABAQUS. The simulation results show that ignoring the effect of bridging stress causes an error in the prediction of the fracture behavior, which can be achieved using the exponential model.