20770

۲۰۷۷۰

شبيه‌سازي مكانيزم‌هاي اتلاف انرژي در استخراج نرخ رهايي انرژي كرنشي بحراني بين‌لايه‌اي در فصل مشترك متعامد چندلايه‌هاي كامپوزيتي

كارشناسي ارشد

مهندسي مكانيك

۱۳۹۸/۰۱/۲۸

دكتر بيزن محمدي

مكانيك

تورق يا جدايي بين‌لايه‌اي به علت عدم وجود تقويت‌كننده در راستاي ضخامت، به عنوان مهمترين مكانيزم خرابي در كامپوزيت‌هاي لايه‌اي معرفي شده است. دانش نسبتا محدود موجود در زمينه‌ي پديده‌ي رشد ترك بين لايه‌اي منجر به طراحي‌هاي محافظه‌كارانه شده‌است كه سبب از دست رفتن برخي مزاياي كامپوزيت‌ها مي‌شود. به منظور بهره برداري كامل از ويژگي‌هاي مفيد كامپوزيت‌ها نياز است پديده‌ي تورق به طور موشكافانه توسط محققين اين حوزه بررسي شود. در پژوهش حاضر هدف كمي‌سازي اثرات مكانيزم‌هاي اتلاف انرژي در پديده‌ي رشد ترك بين‌لايه‌اي در كامپوزيت‌هاي لايه‌اي است كه باعث افزايش ظاهري مقدار چقرمگي شكست اين كامپوزيت‌ها مي‌شوند. به منظور بررسي اين پديده‌ي نسبتا پيچيده، لايه‌چيني‌هاي [0]12، [0/90]6 و [05/90/06] ساخته شده با الياف كربن و زمينه‌ي اپوكسي با دو رهيافت آزمايشگاهي و تحليلي مورد بررسي قرار خواهند گرفت. همچنين با استفاده از تصوير برداري SEM تحليل سطوح شكست در دستور كار قرار گرفت. در قسمت تجربي، نتايج بيانگر افزايش مقدار چقرمگي شكست بين‌لايه‌اي لايه‌‌چينيهاي متعامد نسبت به لايه‌چيني تك‌جهته است. با توجه به مشاهدات انجام شده مي‌توان گفت علت اين افزايش تفاوت لايه‌چيني‌ها در نحوه و شكل وقوع مكانيزم‌هاي جذب و اتلاف انرژي (اصطلاحا مكانيزم‌هاي سخت‌شوندگي) از جمله رشد زيگزاگي ترك و پل‌زني الياف است. در لايه‌چيني تك‌جهته مكانيزم رشد زيگزاكي ترك مشاهده نمي‌شود و نسبت به لايه‌‌چينيهاي متعامد تعداد الياف پل‌زده به مراتب كمتر است. در بخش تحليلي با استفاده از مطالعات گذشته يك توزيع نيرو براي ناحيه‌ي پل‌زده در نظر گرفته مي‌شود. سپس با استفاده از تحليل تير ساده رابطه‌اي بين پارامترهاي مختلف دخيل در رشد ترك ارائه مي‌شود و در نهايت با استفاده از روش انتگرال J مقدار انرژي اتلاف شده توسط مكانيزم پل‌زني الياف محاسبه مي‌شود. در قسمت آخر از اين بخش روشي براي كمي سازي اثر مكانيزم رشد زيگزاگي ترك ارائه مي‌شود كه اين تاثير در حدود 10 درصد در افزايش مقدار چقرمگي شكست محاسبه شده‌است. با حذف اثرات مكانيزم هاي اتلاف انرژي از نمودار-R استخراج‌شده از آزمايش مشاهده مي‌شود كه رفتار سخت شوندگي نمودار تا حد قابل قبولي از بين مي‌رود كه مي‌تواند تاييدكننده‌ي فرضيه‌ي مادي بودن پارامتر چقرمگي شسكت در كامپوزيت‌هاي لايه‌اي باشد.

1398/04/09

Simulation of energy dissipation mechanisms in extraction of critical interlaminar strain energy release rate of cross-ply laminated composites

4/17/2019 12:00:00 AM

Delamination has been introduced as the most crucial failure mechanism in laminated composites due to the absence of reinforcement through the thickness. The limited knowledge available on the phenomenon of interlaminar crack growth has led to a conservative design that results in the loss of some of the benefits of composites. In order to fully exploit the useful properties of composites, we need to scrutinize this phenomenon by researchers in this field. The main contribution of this study is to characterize the toughening mechanisms which increase the fracture toughness of laminated composites. In order to investigate this relatively complex phenomenon, [0]12, [0/90]6 and [05/90/06] carbon/epoxy laminates will be examined with two analytical and experimental approaches. Using the SEM imaging, fractography analysis of the failure surfaces was done. In the experimental part, the results indicate an increase in the fracture toughness of the cross-ply laminates comparison with unidirectional ones. According to the observations, it can be said that the reason for this increase is the difference in the form and manner of occurrence of energy absorption and dissipation mechanisms (the so-called toughening mechanisms), including the zig-zag crack propagation and fiber bridging, between different stacking sequences. There are no observed zigzag cracks in the unidirectional laminate, and the number of bridged fibers is much lower than cross-ply ones. In the analytical section, using the previous studies, the distribution of force is considered for the bridging zone. Then, using simple beam analysis, a relationship between the various parameters involved in crack growth is presented, and finally, the amount of energy dissipated by the fiber bridge mechanism is calculated using the integral J method. In the last part of this section, a method is proposed to quantify the effect of the zigzag crack growth mechanism, which is estimated to be about a 10% increase in the amount of fracture toughness. By removing the effects of energy dissipation mechanisms from the R-curve extracted from the test, it is observed that the hardening behavior of the graph is dropped to an acceptable level, which can confirm the materiality hypothesis of fracture toughness parameter in the laminated composite.