31094

ارائه مدل آسيب استاتيكي در چند لايه هاي كامپوزيتي- فلزي با رويكرد مايكرومكانيك خرابي

دكتري تخصصي (PhD)

مهندسي مكانيك- طراحي كاربردي

1396

1403/3/30

بيژن محمدي- فتح اله طاهري بهروز

/

مهندسي مكانيك

چند لايه¬ كامپوزيتي- فلزي ساختار تركيبي است كه در آن چندين ورق فلزي نازك و لايه¬هاي كامپوزيت به هم متصل شده¬اند. اين ساختار داراي ويژگي¬هايي مانند مقاومت خستگي بالا، مقاومت در برابر ضربه، جذب بالاي انرژي، مقاومت بالا در برابر آتش و استحكام بالا مي¬باشد. ويژگي¬¬هاي ذكر شده در مورد FML باعث افزايش روز افزون كاربرد آن در صنايع مختلفي مانند صنايع هوايي شده است. اما با وجود اين كاربردها، اين ساختار مستعد بروز خرابي¬هايي است كه باعث افت خواص مكانيكي در آن مي¬شود. خرابي در FML شامل آسيب در كامپوزيت، آسيب در فلز و همچنين جدايي ميان لايه¬ها مي¬باشد. هدف از اين رساله ارائه يك روش تحليلي مناسب جهت پيش¬بيني وضعيت آسيب، شامل ترك ماتريسي در لايه¬هاي كامپوزيت، پلاستيسيته در لايه¬هاي فلزي و جدايي بين لايه¬اي القايي و محاسبه مشخصات مكانيكي باقيمانده پس از وقوع اين آسيب¬ها در FML تحت بارگذاري استاتيكي مي¬باشد. در اين مطالعه با استفاده از روش حساب تغييرات و با در نظر گرفتن شرايط مرزي، بارگذاري و تعادل نيرويي در لايه¬هاي FML، مدل آسيب FML معرفي گرديد. با استفاده از مدل ارائه شده، توزيع تنش در لايه¬هاي فلز و كامپوزيت در سلول واحد محصور بين دو ترك موجود در لايه كامپوزيت 90 درجه استخراج شد. جهت پيش¬بيني آسيب از معيار انرژي پايه بر اساس نرخ رها سازي انرژي استفاده گرديد. در اين مدل اثر متقابل لايه¬هاي فلز و كامپوزيت نيز در نظر گرفته ¬شد. با استفاده از مدل تحليلي ارائه شده تاثير عواملي چون فاصله ترك-ها، بار اعمالي و ضخامت لايه¬ها بر توزيع تنش و پلاستيسته لايه¬هاي فلزي بررسي شد. به منظور اعتبار سنجي مدل ارائه شده، شبيه سازي عددي با استفاده از نرم افزار اجزاي محدود آباكوس انجام شد. نتايج بدست آمده از شبيه¬سازي عددي با نتايج استخراج شده از مدل تحليلي داراي انطباق خوبي بودند. همچنين در ادامه آزمايش¬هاي تجربي جهت بررسي شروع و رشد آسيب در FML انجام گرديد و تمامي مراحل آسيب در مقابل نمودار تنش-كرنش استخراج شده از آزمون كشش با استفاده از دوربين ثبت شد. آزمايش كشش بر روي چند لايه كربن تقويت شده با آلومينيوم انجام شد. اولين مود آسيب مشاهده شده در آزمايش كشش در لايه چيني¬هاي [AL/903]s و [AL/902]s، پلاستيسته فلز بود و پس از آن در لايه هاي كامپوزيتي ريز ترك¬هايي مشاهده گرديد. با ادامه بارگذاري ريز ترك¬ها به ترك ماتريسي تبديل شدند تا جايي كه ترك¬هاي ماتريسي به حد اشباع رسيدند. پس از آن شروع جدايي بين لايه¬هاي كربن / اپوكسي و آلومينيوم مشاهده گرديد. نتايج آزمايش كشش نشان داد كه ابتدا لايه هاي كامپوزيت، سپس لايه فلز و در نهايت كل نمونه FML تخريب مي¬شود. در نهايت نتايج تحليلي و تجربي با يكديگر مقايسه شدند و انطباق خوبي بين نتايج مشاهده گرديد.

1403/05/27

A Static Damage Model for Fiber Metal Laminate Based on Micromechanics Damage Methods

1/1/1900 12:00:00 AM

Fiber metal laminates (FMLs) are hybrid composite materials composed of several thin metal sheets and composite layers that are joined. These structures possess properties such as high fatigue resistance, high impact resistance, and high energy absorption, which have led to their increasing use across various industries. However, despite these applications, FMLs are prone to failures that reduce their mechanical properties. Failure modes in FMLs include damage in composite layers, damage in metal layers, and delamination between layers. This thesis presents an analytical model for predicting damage in FMLs under static loading, including matrix cracks in composite layers, plasticity in metal layers, and delamination, along with calculations of the residual mechanical properties following these damages. The FML damage model is developed using variational principles, considering boundary conditions, loading, and equilibrium conditions in the FML layers. The model enables the extraction of stress distribution in the metal and composite layers within a unit cell confined between two cracks in a 90-degree composite layer. To predict the damage, the energy criterion was used based on the energy release rate. In this model, the interaction of metal and composite layers was also considered. Using the analytical model, the effects of factors such as crack distance, applied stress, and layer thickness on stress distribution and plasticity of metal layers are investigated. To validate this model, numerical simulations were performed using Abaqus finite element software, with results showing good agreement with the analytical findings In the following, experimental tests were conducted to investigate the initiation and growth of damage in FML, and all stages of damage were recorded using a camera in relation to the stress-strain curve obtained from the tensile test. Tensile tests were performed on Reinforced Aluminum Laminates (CARAL). The first damage mode observed during the tensile testing of [AL/903]s and [AL/902]s laminates was metal plasticity, followed by microcracks in the composite layers. With the continued loading, the microcracks turned into matrix cracks until the matrix cracks reached saturation. Consequently, delamination between the carbon/epoxy and aluminum layers was observed. The tensile test results indicated degradation of the composite layers, followed by the metal layers and the overall FML sample. Lastly, the comparison of analytical and experimental results demonstrated a strong correlation between the findings.

چند لايه كامپوزيتي- فلزي , پلاستيسته , جدايي بين لايه اي , ترك ماتريسي , روش حساب تغييرات

Fiber metal laminate , Plasticity , Delamination , matrix cracking , Variational principle

Faeze Mohammad Zaheri

dr. Bijan Mohammadi