22589

بررسي رفتار مكانيكي وابسته به نرخ كرنش اتصالات مكانيكي كامپوزيتي تقويت شده با نانوذرات

دكتري

طراحي كاربردي - ديناميك جامدات

94-99

1399/07/20

دكتر محمود مهرداد شكريه

مكانيك

تحقيق حاضر به بررسي تاثير نرخ كرنش روي رفتار مكانيكي اتصالات مكانيكي كامپوزيتي به روش تئوري و آزمايشي پرداخته است. ابتدا روش تئوري جديدي براي بررسي سفتي لهيدگي و شروع آسيب اتصالات مكانيكي تك‌لبه كامپوزيتي تحت نرخ كرنش متفاوت ارائه شده است. بدين منظور ابتدا با استفاده از خواص الاستيك و استحكامي وابسته به نرخ كرنش و ضريب پواسون رزين و الياف و با استفاده از روابط مايكرومكانيك، رفتار مكانيكي الاستيك تك‌لايه كامپوزيتي در نرخ كرنش دلخواه مشخصه‌سازي شده است. سپس با استفاده از اين خواص، لايه‌چيني و پارامترهاي هندسي اتصال مكانيكي تك‌لبه و با استفاده از مدل جرم-فنر اصلاح‌شده، سفتي اتصال در نرخ كرنش دلخواه محاسبه ‌شده است. همچنين با تعريف ضريب بزرگنمايي تنش و با استفاده از مفهوم معيار حداكثر تنش در مواد كامپوزيتي، بار شروع آسيب اتصال مكانيكي تك‌لبه كامپوزيتي در نرخ كرنش دلخواه محاسبه ‌شده است. از نوآوري‌هاي مدل تئوري ارائه‌شده مي‌توان به درنظر گرفتن تغييرات نرخ كرنش، كسرحجمي الياف، لايه چيني دلخواه، پارامترهاي هندسي اتصال، خمش ثانويه، و رفتار غيرخطي تنش-كرنش برشي براي محاسبه رفتار مكانيكي اتصال مكانيكي تك‌لبه كامپوزيتي اشاره كرد. سپس برنامه آزمايشي جامعي اجرا شد تا تاثير اعمال نرخ كرنش و افزودن نانوالياف كربن روي رفتار مكانيكي اتصالات مكانيكي تك‌لبه كامپوزيتي شامل تنش لهيدگي شروع آسيب، استحكام آفست 2%، استحكام لهيدگي نهايي، سفتي لهيدگي، كرنش لهيدگي نهايي و انرژي جذب‌شده اتصال بررسي كند. براي اين منظور، چندلايه‌هاي كامپوزيتي با لايه‌چيني [-45/0/45/90]s و [90/-452/45]s با نانوالياف كربن و بدون آن، ساخته شد. در ساخت اتصال از پيچ با سر تخت با لقي نزديك به صفر استفاده شده است. هندسه نمونه‌ها به نحوي انتخاب شده است كه مطابق با استاندارد ASTM D5961 مود خرابي لهيدگي در آن اتفاق بيفتد. هم‌چنين با استفاده از طراحي آزمايش عمومي، فاكتورهاي اثرگذار روي خواص مكانيكي اتصال پيچي تك‌لبه كامپوزيتي با درصد تاثير هريك مشخص شد. از نتايج بدست آمده از مدل حاضر مي‌توان به تاثير قابل ملاحظه‌ افزايش نرخ كرنش و افزودن نانوالياف كربن روي رفتار مكانيكي اتصال مكانيكي تك‌لبه كامپوزيتي اشاره كرد. براي ارزيابي مدل تئوري حاضر از نتايج آزمايشي انجام شده در اين تحقيق و مدل المان محدود استفاده ‌شده است. نتايج مدل تئوري، همخواني خوبي با نتايج آزمايشي انجام‌شده در اين تحقيق و نتايج مدل المان محدود نشان مي‌دهد.

1399/08/19

An investigation on the strain-rate dependent mechanical behavior of composite mechanical joints reinforced with nanoparticles

10/11/2020 12:00:00 AM

In the present research, the strain rate dependent mechanical behavior of composite bolted joints was investigated by the theoretical model and the experiment. First, using micromechanical equations, a new theoretical model was presented to predict the bearing stiffness and damage initiation of composite bolted joints under different strain rates. For this purpose, the strain rate dependent elastic mechanical properties of unidirectional composite ply were characterized by using the strain rate dependent elastic properties and strength of the resin and fiber together with their Poisson’s ratio. Then, using these mechanical properties, layups, the geometrical parameters of the joint, and the modified spring-mass model, the bearing stiffness of the joint at any arbitrary strain rate was calculated. By defining the stress intensity factor and by using maximum on-axis stress failure criteria in composite materials, the damage initiation load of the single-lap joint at any arbitrary strain rates was calculated. The innovations of the present theoretical model are the consideration of the change in strain rate, fiber volume fraction, arbitraray layups, geometrical parameters, secondary bending, and nonlinear shear stress-strain behavior. Then, an extensive experimental program was conducted to investigate the effect of increasing the strain rate and adding the carbon nanofiber on the mechanical properties of single-lap composite bolted joint including damage initiation bearing stress, 2% offset bearing strength, ultimate bearing strength, bearing stiffness, ultimate bearing strain,.and energy absorption. For this purpose, laminated composite with the layups of [-45/0/45/90]s and [90/-452/45]s with and without carbon nanofiber was fabricated. The bolt with protruding head with near-fit clearance was considered. The specimens were selected so that the bearing failure mode based on ASTM D5961 took place. Also, by using the general factorial design, an influential factor on the mechanical properties of single-lap composite bolted joints with their percent of effect was calculated. The main result of the present experimental model is the significant effects of the increase in strain rate and adding the carbon nanofibers on the mechanical properties of a single-lap composite bolted joints. To validate the present theoretical model, the conducted experiments and finite element models were used. The results of the present model showed good agreement with the conducted experiments and the FEM model.