30912

طراحي محفظه ضد انفجار كامپوزيتي با استفاده از مدل مادي مايكرومكانيكي حساس به نرخ كرنش

كارشناسي ارشد

مهندسي مكانيك-طراحي كاربردي

1400

1403/2/30

دكتر محمود مهرداد شكريه

ندارم

مهندسي مكانيك

در اين پايان‌نامه با هدف طراحي يك محفظه‌ي كامپوزيتي مقاوم در برابر انفجار، الگوريتمي مايكرومكانيكي و حساس به نرخ كرنش براي تحليل تنش و آسيب پيش رونده‌ي ديناميكي كامپوزيت‌هاي زمينه پليمري اليافي، تحت بار انفجاري توسعه داده شده است. بار حاصل از انفجار در مدت زمان بسيار كمي به محيط اطراف اعمال مي‌شود و نرخ كرنشي بالا در سازه‌اي كه به آن اعمال مي‌شود، ايجاد مي‌نمايد. آزمايش‌ها نشان داده‌اند كه خواص مكانيكي كامپوزيت‌هاي زمينه پليمري اليافي با نرخ كرنش تغيير مي‌كنند. مروري بر مطالعات انجام شده بر روي اين كامپوزيت‌ها نشان مي دهد كه در اكثر مطالعاتي كه كامپوزيت‌هاي زمينه پليمري اليافي را تحت بار حاصل از پديده‌ي انفجار مدل سازي كرده‌اند، اثر نرخ كرنش بر روي خواص مكانيكي اين كامپوزيت‌ها ناديده گرفته شده است. همچنين، استفاده از مدل هاي مايكرومكانيكي براي مشخصه‌يابي ديناميكي كامپوزيت‌ها، با كاستن از آزمايش‌هاي تجربي به كم شدن هزينه‌ي مشخصه‌يابي منجر مي شود؛ چرا كه چنين آزمايش‌هايي مربوط به يك كامپوزيت با درصد الياف بخصوص بوده و در يك نرخ كرنش مشخص انجام مي‌شود و با تغيير درصد حجمي الياف و يا نرخ كرنش اعمالي، مجددا نياز به تكرار آزمايش‌هاي تجربي براي مشخصه‌يابي ديناميكي كامپوزيت است. در الگوريتم مايكرومكانيكي توسعه داده شده در اين تحقيق، با استفاده از استحكام و مدول الاستيك هر يك از اجزاي سازنده‌ي كامپوزيت (الياف و پليمر) در نرخ‌هاي كرنش‌ مختلف، خواص مكانيكي مختلف كامپوزيت‌ شامل، مدول و استحكام در راستاهاي، الياف، عمود بر الياف و برشي، به همراه ضريب پوواسون طولي (v12) در آن نرخ كرنش مشخصه‌يابي مي‌شود. با استفاده از الگوريتم توسعه داده شده و اعمال آن در زير‌ برنامه‌ي VUMAT نرم‌افزار آباكوس، دو كامپوزيت فلز-الياف GLARE و زمينه پليمري كربن/اپوكسي، تحت بار انفجاري، مدل‌سازي شد. نتايج مدل‌سازي انفجار با استفاده از نتايج آزمايش‌هاي تجربي، صحت سنجي گرديد و مورد قبول ارزيابي شد. در پايان، محفظه‌ي باري هواپيما (ULD) مدل LD-3، با كامپوزيت فلز-الياف GLARE مدل‌سازي شده و با استفاده از الگوريتم مايكرومكانيكي حساس به نرخ كرنش در برابر بار حاصل از انفجار مقدار مشخصي از ماده‌ي منفجره در داخل آن، تحليل اجزا محدود شد. نتيجه‌ي تحليل نشان داد، محفظه‌ي ULD پس از اعمال بار انفجاري، يكپارچگي خود را حفظ مي‌كند.

1403/03/12

Design of Blast Resistant Composite Container Using Strain Rate Sensitive Micromechanical Material Model

1/1/1900 12:00:00 AM

In this thesis, to design a blast resistant composite container, a micromechanical and strain-rate-sensitive algorithm has been developed to analyze the stress and dynamic progressive damage of fiber reinforced polymer composites under explosive load. The load resulting from the blast is applied to the surrounding environment in a very short period and creates a high strain rate in the structure to which it is applied. Experiments have also shown that the mechanical properties of fiber reinforced polymer composites change with strain rate. A review of the studies conducted on these composites shows that in most of the studies that have modeled fiber reinforced polymer composites under blast, the effect of strain rate on the mechanical properties has been neglected. The use of micromechanical models for the dynamic characterization of composites leads to a reduction in the cost of characterization by reducing experimental tests. Because such tests are related to a composite with a specific fiber volume fraction and are performed at a specific strain rate. By changing the fiber volume fraction or the strain rate applied to the structure, there is a need to repeat the experimental tests for the dynamic characterization of the composite. In the micromechanical algorithm developed in this research, by using the strength and elastic modulus of each component of the composite (fiber and polymer) at different strain rates, different mechanical properties of the composite are characterized. These properties included modulus and strength in the longitudinal (fiber) direction, transverse direction, and shear direction, and also the longitudinal Poisson coefficient. Using the developed algorithm and applying it in the VUMAT sub-routine of ABAQUS software, finite element simulation was performed on a fiber metal laminate (i.e. GLARE) and a carbon/epoxy laminate, under blast load. The obtained results were validated with the results of experimental blast tests on similar structures and the results were acceptable. In the end, by using the micromechanical strain-rate sensitive algorithm, the aircraft unit load device (ULD) LD-3 type, was designed using a GLARE 5 composite in such a way that, it can withstand the internal blast resulting from a specific amount of explosive.

نرخ كرنش بالا , انفجار , مايكرومكانيك , كامپوزيت اليافي زمينه پليمري , VUMAT , آباكوس

high strain rate , blast , fiber reinforced polymer , micromechanics , VUMAT , ABAQUS

Ali Berenjian

Mahmood Mehrdad Shokrieh