20717

۲۰۷۱۷

مدل‌سازي خزش در كامپوزيت‌هاي زمينه پليمري با لايه‌چيني زاويه‌دار

كارشناسي ارشد

طراحي كاربردي (جامدات)

۱۳۹۵-۱۳۹۷

۱۳۹۷/۱۲/۲۱

دكتر فتح اله طاهري بهروز

مكانيك

استفاده از مواد كامپوزيتي در طراحي سازه‌هاي هدفمند در صنايع متعدد در حال گسترش است. مواد كامپوزيتي كه از زمينه‌هاي پليمري به‌عنوان فاز نگه‌دارنده استفاده مي‌كنند، به دليل رفتار ويسكوالاستيك مواد زمينه دچار پديده‌هاي خزش و آزادسازي تنش حتي در دماهاي پايين مي‌شوند. به همين دليل لحاظ كردن پديده‌هاي فوق در طراحي سازه‌هاي كامپوزيتي از اهميت ويژه‌اي برخوردار است. در اين پژوهش رفتار خزشي مواد با استفاده از مدل مادي سه‌بعدي غيرخطي شاپري به‌صورت عددي و بر اساس المان محدود، مورد بررسي قرار گرفته است. مدل ساختاري موردنظر به‌صورت يك الگوريتم بازگشتي تكرارشونده در قالب زيرروال يومت نوشته شده و در فرآيند تحليل توسط نرم‌افزار آباكوس اعمال شده است. روند فوق ابتدا براي مواد پليمري همسانگرد دنبال شد و پاسخ خزشي مربوط به آن استخراج شد. پس‌ازآن با رويكرد ميكرومكانيك و استفاده از مفهوم المان حجمي نماينده، رفتار خزشي كامپوزيت‌هاي تك‌جهته با فرض الياف الاستيك و ماتريس ويسكوالاستيك مورد ارزيابي قرار گرفت. در پايان، بر اساس ديدگاه ماكرومكانيك استفاده شده توسط ساوانت، به بررسي پاسخ خزشي كامپوزيت‌هاي تك‌جهته و چندجهته در سطوح تنش و دماهاي مختلف پرداخته شده است. مقايسه نتايج به‌دست‌آمده براي ماده پليمري با نتايج آزمون‌هاي تجربي موجود نشان مي‌دهد كه روش استفاده‌شده براي مواد همسانگرد از دقت خوبي برخوردار است به‌طوري‌كه حداكثر خطاي حاصل‌شده برابر 3 درصد مي‌باشد. همچنين نتايج استخراج‌شده در تحليل ميكرومكانيك نيز نشان‌دهنده تطابق بسيار خوب بر داده‌هاي تجربي است. در پايان، مشخص شد پيش‌بيني رفتار خزشي كامپوزيت‌ها با رويكرد ماكرومكانيك نيز با تقريب خوبي بر داده‌هاي تجربي منطبق است. با توجه به اينكه سري پروني و پارامترهاي غيرخطي در محدوده مشخصي از سطح تنش و دما به دست آمده‌اند، قابل‌استفاده در بازه دمايي و سطح تنش معيني هستند و در خارج از اين محدوده خطاي بيشتري را شامل خواهند شد. به‌طوركلي نتايج نشان مي‌دهند كه هرچه سطح تنش و همچنين دماي محيط افزايش يابد، نرخ كرنش خزشي و به دنبال آن تأثير پارامترهاي غيرخطي افزايش يافته و در برخي موارد موجب افزايش خطا تا حدود 6 درصد مي‌شود.

1398/04/22

Creep Behavior Modeling of Angle-ply Polymer Matrix Composites

3/12/2019 12:00:00 AM

The use of composite materials in the design of structures is expanding. Due to the viscoelastic behavior of the matrix, creep and stress relaxation phenomena are commonly observed in polymeric composite materials even at low temperatures. Therefore, considering the creep phenomenon in the design of composite structures is of great importance. In this study, the creep behavior of polymeric and composite materials was investigated using non-linear 3D material model within a finite element environment. The proposed constitutive model is implemented as a recursive-iterative code using material subroutine (UMAT) of the ABAQUS. Initially, an isotropic polymer material and the corresponding creep response was Investigated. Subsequently, employing a micromechanical approach and based on the concept of RVE, the creep behavior of unidirectional composites, consisting elastic fibers and viscoelastic matrix, was evaluated. At the end, utilizing the macromechanical model of Sawant, the creep response of unidirectional and multidirectional composites has been predicted at various stress and temperature levels. The accuracy of the developed constitutive model to simulate the creep response of polymeric materials was validated by existing empirical test results, showing a maximum error of 3%. In addition, the results obtained from the micromechanical analysis indicate good agreement with the experimental data. It was shown that the macromechanical approach is capable of predicting the creep behavior of composites, yielding acceptable results. As the Prony series and non-linear parameters are defined within a special range of stresses and temperatures, using these data beyond this range would result in considerable errors. In conclusion, the results show that at higher stress levels as well as elevated temperatures, the creep strain rate and the influence of nonlinear parameters on the predicted creep response increase, leading to errors as high as 6%.