27361

تحليل عددي و مدل‌سازي اجزاء محدود اتصال چسبي تك‌لبه (SLJ) كامپوزيتي با چسب خودترميم‌شونده

كارشناسي ارشد

مهندسي مكانيك

1398-1401

1401/07/06

محمودمهرداد شكريه

مهندسي مكانيك

هدف از انجام اين پژوهش بررسي اثر ترميم‌شوندگي بر روي خواص مكانيكي چسب خودترميم‌شونده ذاتي بر اساس واكنش بازگشت‌پذير حرارتي ديلز-آلدر مورد استفاده در اتصال تك‌لبه كامپوزيتي است. به منظور محاسبه‌ي خواص پليمر خودترميم‌شونده، مدل آسيب‌ترميم پيش‌رونده بر اساس چگالي ترك ارائه شد. مدل ارائه شده در قالب يك زيرروال در تحليل اجزاء محدود استفاده گرديد. مدل‌سازي اجزاء محدود با مدل المان چسبناك به دو روش المان چسبناك و سطح چسبناك انجام شد. در ادامه استحكام و مدول كششي و برشي چسب در هر مرحله به دست آمد. جهت تخمين تعداد ترميم‌هاي چندباره، مدل فوق توسعه داده شد و مورد استفاده قرار گرفت. مشاهده شد كه مدول برشي چسب پس از ترميم سوم به %52 مقدار اوليه خود رسيده؛ در حالي كه اين عدد براي مدول الاستيك %90 است. همچنين طبق نتايج تحليل، پليمر خودترميم حاضر توانايي قابل قبولي در ترميم آسيب ناشي از تنش‌هاي برشي و كششي داشته و حداكثر تا 3 مرتبه عمليات ترميم را مي‌توان از آن انتظار داشت. استحكام برشي و استحكام كششي چسب پس از ترميم سوم به ترتيب به %51 و %54 مقدار اوليه خود رسيد. اين نشان‌دهنده آن است كه خواص برشي چسب به نسبت خواص كششي آن، كمتر قابليت ترميم و بهبودي دارد و بيشتر متاثر از آسيب مي‌شود. از ديگر اهداف اين پايان‌نامه، بررسي اثر افزودن نانوالياف كربن بر روي استحكام و مدول برشي و قابليت ترميم چندباره‌ي چسب خودترميم شونده است. با اين هدف يك كد كامپيوتري بر اساس مدل‌هاي همگن‌سازي متفاوت نوشته شد. خواص پليمر خودترميم شونده تقويت شده با نانوالياف كربن با استفاده از مدل‌سازي عددي طبق مدل‌هاي مختلف همگن‌سازي محاسبه گرديد. مشاهده شد كه افزودن نانوالياف كربن باعث بهبود %8/87 و %9/15 به ترتيب در مدول كششي و برشي پليمر خودترميم خالص گرديد. با توجه به تحليل اجزاء محدود، افزودن نانوالياف كربن منجر به افزايش امكان ترميم مجدد چسب نخواهد شد.

1401/08/25

Numerical analysis and finite element modeling of composite single lap joint with self-healing adhesive

9/28/2023 12:00:00 AM

This study aims to investigate the effect of healing on the mechanical properties of the intrinsic self-healing adhesive based on Diels-Alder's thermal reversible reaction used in the single-lap composite joint. To calculate the properties of the self-healing polymer, the Progressive Damage-healing Model (PDM) was proposed based on the crack density. The presented model was used as a subroutine in the finite element analysis. The finite element modeling with the cohesive zone model (CZM) was done by two methods of cohesive element and cohesive surface. Following that, the strength, and tensile and shear moduli of the adhesive in each step were obtained. To estimate the number of multiple healings, the above model was developed and applied. It was observed that the shear modulus of the adhesive reached 52% of its initial value after the third healing; while as for the elastic modulus, this number is 90%. Also, according to the analysis results, the present self-healing polymer has an acceptable ability to heal the damage caused by shear and tensile stresses, and it can be expected to heal up to 3 times. It was furthermore observed that the shear strength and tensile strength of the adhesive, after the third healing, respectively reached 51% and 54% of their initial value. This indicates that the shear properties of the adhesive are less capable of healing and recovery than its tensile properties, and are more affected by the damage. Another goal of the present research is to investigate the effect of adding nanoparticles on the strength and shear modulus and the multiple repair capability of self-healing adhesives. For this aim, a computer code was written based on different homogenization models. The properties of self-healing polymer reinforced by carbon nanofibers (CNF) were calculated using numerical modeling according to different homogenization models. It was observed that the addition of carbon nanofibers improved the tensile and shear modulus of pure self-healing polymer by 8.87% and 9.15%, respectively. According to the finite element analysis, the addition of carbon nanofibers does not increase the possibility of multiple healing.

كامپوزيت , خودترميم شونده , اتصال تك‌لبه , مدل آسيب پيش‌رونده , مدل المان چسبناك , نانوالياف كربن

composite , self-healing , single-lap joint , Progressive damage model , cohesive zone model , carbon nanofibers

Mohammad Amin Sadeghi Baghabrishami

Dr. M.M. Shokrieh