22925

طراحي و شبيه‌سازي اجزا محدود دستگاه تست هاپكينسون نوع فشاري براي بررسي رفتار ديناميكي مواد كامپوزيتي

كارشناسي ارشد

طراحي كاربردي

1396

1399/6/16

دكتر بهنام داودي

مكانيك

كامپوزيت‌هاي پايه پليمري به دليل خاصيت و استحكام بالا، مقاومت در برابر خوردگي و استفاده كارآمد، در انواع مختلفي از سازه‌ها از جمله توربين‌ها، موشك‌ها، زره‌ها، ساختمان‌ها، اتومبيل‌ها و موارد ديگر مورد استفاده قرارگرفته‌اند. همچنين بسياري از برنامه‌هاي كاربردي براي مواد كامپوزيتي مربوط به ضربه هستند، به عنوان مثال هواپيماها، تجهيزات نظامي و سازه‌هاي دريايي تحت اثر سرعت زياد يا انفجار تحت فشار قرار مي‌گيرند. از اين ‌رو اطلاع از رفتار مكانيكي مواد كامپوزيتي در بارگذاري‌هاي ديناميكي مهم مي‌باشد. وابستگي نرخ كرنش مواد كامپوزيتي با روش‌هاي مختلفي اندازه‌گيري مي‌شود. يكي از اين روش‌ها دستگاه تست هاپكينسون فشاري مي‌باشد كه ابزاري بسيار مناسب براي مطالعـه‌ي رفتـار دينـاميكي مـواد در نرخ كرنش‌هاي بالا در محدوده بين s^(-1)102 تا s^(-1)104 است. در اين پايان‌نامه، اصول طراحي دستگاه هاپكينسون فشاري براي نمونه‌هاي كامپوزيتي بررسي شده و يك دستگاه تست هاپكينسون فشاري از جنس فولاد مارجينگ با ميله‌هاي ضربه‌زن، حادثه و انتقال به ترتيب با طول‌هاي 100، 600 و 600 ميلي‌متر و قطر 10 ميلي‌متر توسط كد تجاري ABAQUS/Explicit شبيه‌سازي شده است. آزمايش سه نمونه‌ي كامپوزيت پايه پليمري با نام‌هاي S-2 glass/sc15 epoxy، Flax-epoxy و E-glass/vinylester در جهت ضخامت توسط دستگاه هاپكينسون فشاري طراحي‌شده، شبيه‌سازي شده است. براي ايجاد شكل موج حادثه مناسب براي هر نمونه و برقراري شرط نرخ كرنش ثابت و تعادل تنش ديناميكي، پارامترهاي تأثيرگذار قطر و ضخامت شكل‌دهنده پالس و طول ميله‌ي ضربه‌زن بررسي شده است. از مقايسه‌ي امواج حاصل از شبيه‌سازي با تحقيقات انجام‌شده روي نمونه‌هاي كامپوزيتي توسط ساير محققان و مطابقت آن‌ها، طراحي دستگاه هاپكينسون فشاري صحت سنجي شده است.

1399/10/06

Design and simulation of finite element Hopkinson compression tester to investigate the dynamic behavior of composite materials

9/7/2021 12:00:00 AM

Composite materials are recently used widely in various structures such as turbines, rockets, armor, buildings, and other applications due to their high strength, resistance to corrosion, and efficient use. Moreover, many applications of composite materials are related to impact applications. For example, aircraft, military equipment, and marine structures undergo high pressure in high velocity or explosive situations, so it is essential to be aware of the mechanical behavior of composites materials under dynamic loadings. EDifferent methods measure the strain rate dependence of composite materials. One of these methods is the Hopkinson compression machine, an appropriate tool for studying materials' dynamic behavior in high strain rates between 〖10〗^2 s^(-1) and 〖10〗^4 s^(-1). In this research, the design principles of the Hopkinson compression system for composite samples are mentioned. The Hopkinson compression machine made of marginal steel with sticker bars, incident bars, and transmitted bars with lengths of 100 mm, 600 mm, 600 mm, and 10 mm diameter was simulated by ABAQUS / Explicit software. The experiments of three polymer matrix composites samples included S-2 glass/sc15 epoxy, Flax-epoxy, and E-glass/vinyl ester through the thickness was simulated by the designed Hopkinson compression machine. To create the appropriate incident waveform and to establish the condition of constant strain rate and dynamic stress equilibrium, the significant parameters of pulse shaper included diameter, thickness, and the length of the sticker bar was investigated. By comparing the waves obtained from the simulations with the research done on these composite samples by other researchers and their compatibility, it is clear that the Hopkinson compression device's design is correct.