20195

۲۰۱۹۵

استفاده از مدل سازي چندمقياسه جهت پيش بيني اثر پهناي دسته الياف بر خواص الاستيك لوله هاي كامپوزيتي

كارشناسي ارشد

طراحي كاربردي

۱۳۹۷

۱۳۹۷/۱۲/۱۹

دكتر فتح اله طاهري بهروز

مكانيك

ميكرومكانيك يك تكنيك تحليل مواد كامپوزيتي و يا ناهمگن مي¬باشد كه تمركز روي اجزاي سازنده¬ سازه موردنظر دارد. در اين پژوهش با اعمال شرايط مرزي متناوب بر يك المان حجمي نماينده¬ي ناهمسانگرد و ناهمگن سه‌بعدي، خواص مكانيكي و گرمايي آن توسط تئوري همگن¬سازي تقريبي و با بهره¬گيري از انرژي كرنشي به دست آورده شد. جهت استفاده از تئوري همگن¬سازي و اعمال شرايط مرزي متناوب از رابط كاربري اسكريپتي آباكوس به زبان برنامه‌نويسي پايتون استفاده شده است. نتايج حاصل از اين پژوهش با نتايج حاصل از شرايط مرزي همگن كه سبب تخمين بيشتر خواص مكانيكي مؤثر مي¬شود، مقايسه گرديد. در كامپوزيت‌هاي زمينه پليمري، الياف رفتاري خطي و ترد دارند درحالي‌كه رزين رفتاري غيرخطي از خود نشان مي¬دهد. به همين دليل با كمك زيرروال تعريف¬شده توسط كاربر به زبان فرترن (USDFLD)، تأثير رفتار غيرخطي رزين بر روي خواص مكانيكي برشي ماده¬ي كامپوزيتي در كسر حجمي الياف متفاوت مورد توجه قرار گرفت. نتايج به دست آمده نشان مي¬دهند كه در كسر حجمي الياف كم به دليل غالب¬ بودن رزين، رفتار غيرخطي برشي بيشتري در چندلايه¬هاي تك¬جهته كامپوزيتي ديده مي¬شود. در همين راستا منحني تنش-كرنش برشي غيرخطي براي كامپوزيت¬هاي تك¬جهته به دست آمده است. در فرايند ساخت لوله¬هاي كامپوزيتي رشته پيچ شده، دسته¬هاي الياف¬ در مسير رفت و برگشت بر روي‌هم قرار مي¬گيرند و اين نواحي تقاطع دسته¬هاي الياف¬ به دليل حركت موجي شكلشان محل¬هاي تمركز تنش محسوب مي¬شوند. به همين منظور يك RUC به صورت سه‌بعدي با لايه¬چيني براي بررسي تأثير پهناي دسته الياف بر روي خواص مكانيكي و گرمايي لوله¬هاي كامپوزيتي مدل شده است. در روند اين پژوهش سه مدل تئوري ورق¬هاي كلاسيك، مدل موزاييك و تموج الياف استفاده و باهم مقايسه گرديد. RUC مدل شده، تحت شرايط مرزي متناوب قرار دارد و از روش تئوري همگن¬سازي تقريبي رفتار مكانيكي و گرمايي آن مورد توجه قرار مي¬گيرد. نتايج نشان مي¬دهند كه تئوري ورق¬هاي كلاسيك و مدل موزاييك سبب تخمين بدتر خواص مكانيكي و گرمايي سازه مي¬شوند و حساسيت زيادي به طرح¬هاي مختلف پيچش ندارند. در حالي كه مدل تموج الياف سبب تغيير 8/3 تا 6/13 درصدي خواص مكانيكي و گرمايي شده است. واژه‌هاي كليدي: شرايط مرزي متناوب، تئوري همگن¬سازي تقريبي، المان حجمي نماينده سه‌بعدي، خواص مكانيكي و گرمايي، اسكريپت¬نويسي پايتون، زيرروال USDFLD، مدل موزاييك، مدل تموج الياف

1397/12/20

Multi-scale analysis on elastic properties of composite pipes with different width of fiber bundle

3/9/2020 12:00:00 AM

Micromechanics is a technique for the analysis of composites or heterogeneous materials which focuses on the components of the intended structure. Each one of the components can exhibit isotropic behavior, but the microstructure characteristics of the heterogeneous material results in the anisotropic behavior of the structure. In this research, the general mechanical properties of a 3D anisotropic and heterogeneous Representative Volume Element (RVE) have been determined by applying periodic boundary conditions (PBCs), using the Asymptotic Homogenization Theory (AHT) and strain energy. In order to use the homogenization theory and apply the periodic boundary conditions, the ABAQUS scripting interface (ASI) has been used along with the Python programming language. The results have been compared with the results of the Homogeneous Boundary Conditions method, which leads to an overestimation of the effective mechanical properties. In polymer-based composites, the fibers have a linear and brittle behavior, while the resin exhibits a non-linear behavior. Therefore, the effect of resin nonlinearity on the mechanical properties of the composite material is studied using a user-defined subroutine in Fortran (USDFLD). The non-linear shear stress-strain behavior of unidirectional composite laminates has been obtained. The results of this study are in good agreement with the analytical and experimental results available in the literature In the process of making filament-wound composite pipes, the fiber bundles interweave in each circuit and these intersection areas of the fiber bundles are considered as stress concentration sites due to their wave motion. For this purpose, a three-dimensional RUC is modeled to examine the effect of the fiber bundle width on the mechanical and thermal properties of the composite pipes. In the process of this research, three models of classical lamination theory, mosaic model and fiber undulation model were compared. The RUC is under periodic boundary conditions and asymptotic homogenization theory is used to predict its mechanical and thermal behavior. The results show that the theory of classical lamination theory and mosaic model can lead to a worse estimation of the mechanical and thermal properties of the structure, and they are not sensitive to the various winding patterns. While the fiber undulation model has changed from 3.8 to 13.6 percent in mechanical and thermal properties. Keywords: Periodic boundary condition, Asymptotic homogenization theory, Three-dimensional representative volume element, Mechanical and thermal properties, Python scripting, USDFLD subroutine, Mosaic model, Fiber undulation model