25276

اثر نرخ بارگذاري در مود اول رشد تورق در كامپوزيت‌هاي لايه‌اي پليمري با يا بدون نانو ذره

دكتري تخصصي

مهندسي مكانيك

1393

1400/04/20

پروفسور محمود مهرداد شكريه

مهندسي مكانيك

هدف اصلي رساله حاضر بررسي تجربي و عددي اثر نرخ بارگذاري در تورق مود اول كامپوزيت‌هاي تك جهته است. به اين منظور آزمايش نمونه DCB در محدوده نرخ‌هاي متوسط بارگذاري تا بيشينه مقدار 200 ميلي‌متر بر ثانيه بر روي كامپوزيت شيشه/اپوكسي و بيشينه مقدار 400 ميلي‌متر بر ثانيه بر روي كامپوزيت كربن/اپوكسي انجام گرفته است. هم‌چنين در راستاي تقويت چندلايه شيشه/اپوكسي در برابر رشد تورق، اثر افزودن نانوالياف كربني به فاز زمينه و ارزيابي رفتار كامپوزيت تقويت شده در معرض نرخ‌هاي بارگذاري مختلف مورد توجه واقع شده است. نتايج آزمايشگاهي نشان داد كه با افزايش نرخ بارگذاري تا مقدار 200 ميلي‌متر بر ثانيه، چقرمگي شكست بين‌لايه‌اي پايا در كامپوزيت‌هاي شيشه/اپوكسي فاقد نانوذرات بيش از 21% كاهش يافته است. در اثر افزودن نانوالياف كربني نه تنها چقرمگي شكست كامپوزيت شيشه/اپوكسي افزايش داشته، بلكه تضعيف شوندگي آن با افزايش نرخ بارگذاري كم‌تر شده است. بيشينه كاهش چقرمگي شكست حالت پايا در كامپوزيت‌هاي شيشه/اپوكسي حاوي نانوذرات تنها 8% بوده است. بررسي‌هاي شكست‌نگاري صورت گرفته به خوبي ارتباط بين اثر نرخ بارگذاري و اثر افزودن نانوالياف را با سازوكارهاي آسيب حاكم از جمله پل‌زني الياف نشان مي‌دهد. در مورد كامپوزيت‌هاي كربن/اپوكسي هم كاهش حدوداً 17% چقرمگي شكست با افزايش نرخ بارگذاري تا مقدار 400 ميلي‌متر بر ثانيه مشاهده شده است. در بررسي رفتار اين كامپوزيت، علاوه بر روش‌هاي داده‌كاهي مرسوم، از يك روش متفاوت كه اخيراً براي مشخصه سازي تورق تحت بارگذاري خستگي پيشنهاد شده، استفاده گرديده است. در اين تحقيق كاربرد روش مذكور در بررسي اثر نرخ بارگذاري در بارگذاري فزاينده توسعه داده شده است.در نهايت استفاده از مدل‌هاي ناحيه چسبناك به عنوان روشي كارآمد براي مدل‌سازي رشد تورق دنبال شده است. ابتدا قانون تجربي پل‌زني الياف به روش انتگرال J محاسبه شده كه مقايسه نتايج براي نرخ‌هاي بارگذاري مختلف حاكي از كاهش بيشينه تنش پل‌زني با افزايش نرخ بارگذاري است. اين يافته مبنايي براي توسعه يك مدل نوين ناحيه چسبناك وابسته به نرخ قرار گرفته است. بر خلاف مدل‌هاي ناحيه چسبناك وابسته به نرخ پيشين، مدل پيشنهادي اثر پل‌زني الياف را در نظر گرفته و قابليت آن براي شبيه‌سازي رشد تورق به كمك نتايج مطالعات تجربي صحه‌گذاري شده است.

1400/07/04

Loading rate effects on mode-I delamination in polymeric composite laminates with and without nanoparticles

1/1/1900 12:00:00 AM

The main objective of the present research is to assess the loading rate effects on mode-I delamination growth in unidirectional glass/epoxy and carbon/epoxy laminated composites. Furthermore, hybrid reinforcement of the glass/epoxy composites by incorporating carbon nanofibers (CNFs) was followed to enhance the interlaminar fracture resistance and affect its loading rate sensitivity. Experiments on DCB specimens made of glass/epoxy and glass/CNF/epoxy laminated composites were conducted by varying the loading rate from standard quasi-static testing up to 200 mm/s crosshead speed in a servo-hydraulic test machine. A more than 21% decrease was observed in the propagation fracture toughness of the glass/epoxy samples due to loading rate elevation in the studied range. Moreover, the results of the present study clearly show the benefits of CNF modification, not only in enhancing the fracture toughness but also in reducing the loading rate dependency. Adding CNFs to glass/epoxy composites caused a 32.8% and 13.5% increase in the quasi-static values of the initiation- and propagation-interlaminar fracture toughness (GIC), respectively. Also, owing to CNF incorporation the maximum drop in the propagation fracture toughness at elevated loading rates was decreased to 8%. Fractography inspections were performed to provide an in-depth explanation for the observed loading rate effects and the advantages of CNF reinforcement. DCB tests on carbon/epoxy composites were performed at displacement rates up to 400 mm/s. Rates effects were investigated through typical fracture toughness analysis through both the R-curve and the crack tip opening rate. The average SERR is a method of data reduction based on energy balance that has been previously introduced to characterize delamination growth under different types of loading conditions in a similar manner. In the present research, the application of this method was extended to further analyze the results of delamination experiments at different loading rates. A clear decrease in the propagation fracture toughness as well as in the average SERR was observed at high loading rates. Similar to glass/epoxy composites, the reduced fracture resistance of carbon/epoxy composites at elevated rates was physically explained in correlation with fiber bridging, fiber breakage, and matrix cleavage observed in fracture surfaces via scanning electron microscopy. Finally, to simulate the delamination growth of DCB specimens, a novel rate-dependent cohesive zone model was developed based on the practical traction-separation laws characterized by using the J-integral approach. The bridging laws show that the maximum bridging traction decreases by increasing the separation rate. Contradictory to previous rate-dependent CZMs, the proposed model accounts for the fiber bridging effects and is capable to simulate experimental results over the studied range of loading rates.

مود I رشد تورق , اثر نرخ بارگذاري , مدل ناحيه چسبناك وابسته به نرخ , شبيه‌سازي اجزاي محدود , پل‌زني الياف

Mode-I delamination , Rate effects , Rate-dependent CZM , fiber bridging law , Carbon nano-fibers