25432

بررسي خواص شكست بين لايه‌اي كامپوزيت‌هاي پليمري تقويت شده با آلياژ حافظه‌دار

كارشناسي ارشد

مهندسي مكانيك-طراحي كابردي-مكانيك جامدات

شهريور ماه 1400

شهريور ماه 1400

دكتر محمود مهرداد شكريه

مهندسي مكانيك

در اين تحقيق، اثر استفاده از سيم آلياژ حافظه‌دار (نيتينول) بر رشد تورق مود اول چندلايه هاي كامپوزيتي پليمري تك‌جهته از جنس شيشه/اپوكسي بررسي شده است. با توجه ‌به خاصيت حافظه داري اين نوع آلياژها، به‌كارگيري سيم حافظه‌دار داراي پيش‌كرنش در نمونه و فعال‌سازي آن، باعث القاي نيرو به كامپوزيت مي شود. هدف اصلي در تحقيق حاضر، ارزيابي تأثير نيروي بازگشتي ايجادشده توسط سيم-هاي حافظه دار در بسته نگه داشتن دهانه ترك در تير دولبه يك سرگيردار (DCB) كامپوزيتي تك‌جهته و درنتيجه افزايش چقرمگي شكست نمونه كامپوزيتي است. بدين منظور، مدل‌سازي المان محدود به‌صورت سه‌بعدي در قطعه DCB كامپوزيتي تك‌جهته با استفاده از مدل ناحيه چسبناك (CZM) انجام شد. جهت شبيه‌سازي دقيق رفتار سيم حافظه‌دار، از كد رفتار مادي تعريف‌شده توسط كاربر در نرم‌افزار ABAQUS استفاده شد. در اين شبيه‌سازي، اثر سه پارامتر محل قرارگيري سيم، تعداد سيم و درصد پيش كرنش بر پاسخ بار-جابجايي نمونه DCB مورد بررسي قرار گرفت. بر اساس نتايج عددي، به‌كارگيري 14 سيم داراي پيش‌كرنش 4 درصد در موقعيت نزديك به محل ترك به‌منظور تقويت رشد تورق نمونه DCB كامپوزيتي به‌عنوان طرح بهينه انتخاب شد. رفتار تورق نمونه‌هاي DCB تك‌جهته كه مطابق روش فوق با سيم‌هاي SMA تقويت شده، در مقايسه با نمونه‌هاي فاقد سيم به‌صورت آزمايشگاهي مورد مطالعه قرار گرفت. نتايج آزمايشگاهي حاكي از آن است كه به‌كارگيري سيم‌هاي حافظه‌دار در نمونه‌هاي DCB، منجر به 27 درصد بهبود در چقرمگي شكست حالت پايا و تقريباً 12 درصد افزايش طول ناحيه پل‌زني نسبت به نمونه‌هاي بدون سيم شد، درحالي‌كه در چقرمگي شكست شروع تغيير قابل‌توجهي حاصل نگرديد. مطابقت بالاي نتايج تجربي با پيش‌بيني‌هاي مبتني بر مدل‌سازي عددي نشان‌دهنده صحت و دقت تحليل ارائه‌شده و كارايي روش به‌كارگيري سيم‌هاي حافظه‌دار براي تقويت چندلايه‌هاي كامپوزيتي در معرض تورق است.

1400/08/05

Evaluation of interlaminar fracture of polymer composites reinforced by shape memory alloys

9/22/2022 12:00:00 AM

In this research, the effects of embedding shape memory alloy (SMA) wires on the mode I delamination growth of UD glass/epoxy laminated composites are investigated. Due to their shape memory behavior, pre-strained SMA wires embedded into laminates, when being activated can induce compressive loads in the composite. The main goal of this study is to assess the effect of the induced recovery force of the SMA wires on the crack closure and enhancement of the fracture toughness. To this aim, a 3-D finite element simulation of delamination growth in double cantilever beam (DCB) specimens was performed by using the cohesive zone models (CZMs). To accurately simulate the behavior of SMA wires, the user-defined material subroutine (UMAT) code was used in the commercial finite element ABAQUS software. The effects of three different parameters including the amount of the pre-strain, the number of SMA wires, and the location of the wires on the load-displacement response of the SMA-reinforced composite were studied through FEM analysis. The numerical results showed that the embedding of 14 SMA wires with a 4% pre-strain into the plies close to the delamination plane could provide the optimum improvement in the mode I delamination resistance Following the numerical simulations, the delamination behavior of DCB specimens modified by SMA wires with the above-mentioned method, was experimentally studied in comparison with simple DCB specimens without SMA modification. The results revealed a 27% increase in strain energy release rate at steady-state of the crack propagation whereas no significant changes were observed in the initiation fracture toughness. In addition, based on the R-curve analysis, almost a 12% increase in the fiber bridging length was achieved owing to the SMA wires incorporation. The experimental results in good agreement with the numerical predictions demonstrated the applicability of the SMA wires to enhance the delamination resistance of composite laminates.

كامپوزيت زمينه پليمري تك‌جهته , آلياژ حافظه‌دار شكلي , تورق , چقرمگي شكست بين‌لايه‌اي , مدلسازي عددي

Unidirectional Polymer Matrix Composite , Shape Memory Alloy , Delamination , Interlaminar fracture toughness , Finite Element Analysis