25076

تحليل تجربي و عددي رفتار بالستيك كامپوزيتهاي تركيبي پر شده با نانوصفحات اكسيدگرافن

دكتري

مهندسي مكانيك

1394-1400

1400/2/19

دكتر هادي خرمي شاد

مهندسي مكانيك

در اين رساله، اثر تركيب نمودن چندلايه‌هاي كربن با لايه‌هاي كولار و شيشه و افزودن نانوصفحات اكسيدگرافن به ماتريس، براي بهبود جذب انرژي چندلايه تحت ضربه‌ي بالستيك بررسي و تحليل شده است. در ابتدا الگوريتمي براي مدل‌سازي و تحليل رفتار چندلايه‌هاي كامپوزيتي تركيبي توسعه داده شده است. الگوريتم ارائه شده مبتني بر شبيه‌سازي چندمقياسي، آزمايش‌هاي مشخصه‌يابي و ضربه‌ي‌ بالستيك و نيز پيش‌بيني سرعت باقي مانده‌ي پرتابه بر اساس شبكه‌ي عصبي مصنوعي مي‌باشد. شبيه‌سازي چند مقياسي فرايند نفوذ در كامپوزيت با در نظر گرفتن مكانيزم‌هاي مختلف آسيب در مقياس مزو انجام شده است. همچنين رفتار دسته‌ي الياف و ماتريس با استفاده از مدل‌هاي مادي و آسيب وابسته به نرخ كرنش مدل‌سازي شده است. پارامترها با استفاده از آزمايش مجازي در مقياس ميكرو و آزمايش‌هاي مشخصهيابي بر روي دسته‌ي الياف و ماتريس در مقياس مزو تعيين گرديده است. مشخص شد كه استفاده از لايه‌هاي تركيبي و موقعيت قرارگيري آن‌ها تأثير قابل توجهي بر بهبود جذب انرژي چندلايه‌ي پايه از جنس كربن دارد. استفاده از چندلايه‌ي تركيبي بهينه منجر به %135 افزايش در جذب انرژي با تنها %9 افزايش در جرم آن نسبت به چندلايه‌ي ساخته شده از الياف كربن گرديده است. الگوريتم توسعه داده شده در اين رساله مي‌تواند به عنوان روشي كارآمد، قابل اعتماد و در عين حال كم هزينه براي مدل‌سازي و تحليل كامپوزيت‌هاي تركيبي تحت بارگذاري ضربه‌ي بالستيك مورد استفاده قرار گيرد. در ادامه، اثر افزودن نانوصفحات اكسيدگرافن به ماتريس چندلايه‌ي تركيبي بهينه در برابر ضربه‌ي بالستيك مطالعه و بررسي شد. مطابق نتايج آزمايش ضربه‌ي بالستيك افزودن %25/0 و %5/0 وزني نانوصفحات اكسيدگرافن به كامپوزيت تركيبي بهينه، به ترتيب موجب %3/7 و %1/22 بهبود در جذب انرژي چندلايه گرديد. علاوه بر آن الگوي آسيب ايجاد شده در چندلايه‌هاي تقويت شده با نانوصفحات اكسيدگرافن در مقياس‌هاي مختلف ماكروسكوپيك، مزوسكوپيك و ميكروسكوپيك شناسايي شد. در مقياس ماكروسكوپيك افزايش آسيب در سطح پشتي چندلايه‌ها با افزودن %25/0 و %5/0 وزني نانوصفحات اكسيدگرافن، در مقياس مزوسكوپيك كاهش تورق و توقف رشد ترك در ماتريس و در مقياس ميكروسكوپيك تغيير در ميكرومكانيزم‌هاي آسيب مشاهده و تحليل شد.

1400/05/09

Experimental and numerical analysis of ballistic behavior of hybrid composites filled with graphene oxide nanoplatelets

5/9/2022 12:00:00 AM

In this dissertation, the effect of hybridization of carbon layers with Kevlar and glass layers and adding graphene-oxide nanoplatelets to the composite matrix to improve energy absorption in CFRP composite laminates under ballistic impact is analyzed. In the beginning, an algorithm for modeling and analyzing the behavior of hybrid composite laminates is developed. The presented algorithm is based on multi-scale modeling, characterization and ballistic impact tests and predicting the residual velocity of the projectile using an artificial neural network. Multi-scale modeling of penetration process in the composite is carried out considering damage mechanisms in mesoscale. The behavior of yarns and matrix is modeled using strain rate-dependent material and damage models. The parameters are determined using virtual tests in microscale and characterization experiments on yarns and matrix in mesoscale. It was found out that the use of hybrid layers, as well as their placement position, has a significant effect on improving the energy absorption of CFRP composite laminate. The use of optimum composite laminate has resulted in an increase of 135% in energy absorption with only an increase of 9% in mass compared to CFRP laminate. The developed algorithm in this dissertation, can be used as an efficient, reliable and cost-efficient method for modeling and analyzing the hybrid composites under ballistic impact loading. Then, the effect of adding graphene-oxide nanoplatelets to the optimum composite laminate is studied. According to the results of ballistic impact tests, the addition of 0.25% and 0.5% by weight of graphene-oxide nanoplatelets to the optimum composite laminate resulted in 7.3% and 22.1% improvements in the energy absorption, respectively. Also, the damage patterns of the hybrid laminates reinforced with graphene-oxide nanoplatelets in macroscopic, mesoscopic and microscopic scales are identified and investigated. On the macroscopic scale, by adding 0.25% and 0.5% by weight of graphene oxide nanoplatelets, an increase in damage on the rear surface of the laminates, on the mesoscopic scale, a decrease in matrix cracking and crack growth stop, and on a microscopic scale, the changes in damage micromechanisms were observed and analyzed.

كامپوزيت پليمري تقويت شده با الياف كربن , كامپوزيت تركيبي , نانوصفحات اكسيدگرافن , ضربه‌ي بالستيك , شبيه‌سازي چندمقياسي

Carbon fiber-reinforced polymer composite , Hybrid composite , Graphene-oxide nanoplatelets , Ballistic impact , Multi-scale simulation