31149

مطالعه اثر اندازه و نرخ بارگذاري در شكست ديناميكي مواد ترد پليمري در بارگذاري مود I با استفاده از آزمايش ميله فشاري هاپكينسون

كارشناسي ارشد

مهندسي مكانيك

1400

1403/03/29

دكتر محمدجواد اشرفي

-

مهندسي مكانيك

مطالعه رفتار مواد تحت تاثير بارگذاري‌هاي ديناميكي يكي از مهم‌ترين موضوعات در مهندسي مكانيك مي‌باشد. هم‌چنين با توجه به اهميت مكانيك شكست در طراحي و تحليل سازه‌هاي مهندسي، بررسي كميت‌هاي شكست ديناميكي ضروري است. پژوهش‌هاي انجام شده در زمينه بررسي مواد ترك‌دار ترد و شبه‌ترد نشان مي‌دهد كه چقرمگي شكست اندازه‌گيري شده با نمونه‌هاي آزمايشگاهي كه به عنوان يكي از خصوصيات ذاتي مواد محسوب مي‌شود، به اندازه، طول ترك اوليه و هندسه نمونه وابسته است. هم‌چنين مشخص شده است، مقدار چقرمگي شكست ديناميكي (KId)، كاملا متفاوت از مقدار استاتيكي آن (KIC) بوده و نرخ بارگذاري تاثير قابل توجهي بر اين كميت دارد. با اين كه مطالعات گوناگوني در حوزه اثر اندازه و نرخ بارگذاري بر چقرمگي شكست سنگ‌ها انجام شده است، خلا پژوهشي براي مواد پليمري كاملا مشهود است. به طور مشخص تاكنون، هيچ مطالعه‌اي بر اثرات توامان اندازه نمونه و نرخ بارگذاري بر رفتار شكست پليمر ترد PMMA صورت نپذيرفته است. در پژوهش پيش‌رو به بررسي پارامترهاي اندازه نمونه، نرخ بارگذاري، طول ترك اوليه و هندسه نمونه بر چقرمگي شكست مود I پليمر PMMA و هم‌چنين مقايسه اثر اندازه ديناميكي با اثر اندازه استاتيكي، پرداخته شده است. پليمر PMMA از متداول‌ترين مواد تردي است كه ضمن كاربردهاي صنعتي فراوان، در پژوهش‌هاي حوزه مكانيك شكست استفاده مي‌گردد. براي انجام آزمايش‌هاي ديناميكي از آزمايش ميله فشاري هاپكينسون (SHPB) استفاده شده است و همين‌طور با توجه به پرهزينه و پيچيده بودن روش‌هاي كلاسيك براي اندازه‌گيري زمان شروع رشد ترك در آزمايش‌هاي شكست ديناميكي، از روش نوري جديدي به وسيله دستگاه ليزر استفاده شده است كه علاوه بر سادگي و هزينه كم، از دقت قابل قبولي برخوردار مي‌باشد. نتايج اين پژوهش نشان داد با افزايش نرخ بارگذاري، چقرمگي شكست ديناميكي PMMA افزايش مي‌يابد و مقدار آن به طور قابل توجهي از مقدار استاتيكي آن بيشتر است. هم‌چنين مشخص شد با افزايش اندازه نمونه، چقرمگي شكست استاتيكي و ديناميكي PMMA افزايش مي‌يابد و در نرخ‌هاي بارگذاري بالاتر، اثر اندازه ديناميكي شديدتر است. مشخص گرديد وابستگي چقرمگي شكست ديناميكي به نرخ بارگذاري در نمونه‌هاي بزرگ‌تر بيشتر مي‌باشد. همين‌طور افزايش نسبي چقرمگي شكست ديناميكي در اثر افزايش طول ترك اوليه مشاهده شد. با اين حال، وابستگي روشني ميان چقرمگي شكست ديناميكي PMMA و هندسه نمونه مشاهده نگرديد.

1403/06/13

nvestigation of the specimen size and loading rate effects on dynamic fracture of brittle polymeric materials under mode I loading using split Hopkinson pressure bar test

6/18/2025 12:00:00 AM

Studying the behavior of materials under dynamic loadings is one of the most important subjects in mechanical engineering. Also, due to the importance of fracture mechanics in the design and analysis of engineering structures, it is necessary to investigate the dynamic fracture parameters. The experimental studies on brittle and quasi-brittle cracked materials shows that the fracture toughness, which is considered as one of the inherent characteristics of the material, is dependent on the size, initial crack length and the geometry of the specimen. It has also been determined that the dynamic fracture toughness (KId) is completely different from static fracture toughness (KIC) and the loading rate has a significant effect on this parameter. Although various studies have been conducted on the size and loading rate effects on fracture toughness of rocks, the research gap for polymeric materials is quite evident. Specifically, no study has been conducted on the simultaneous effects of specimen size and loading rate on the fracture behavior of PMMA polymer so far. In this study, the effect of specimen size, loading rate, initial crack length and sample geometry have been investigated on the mode I fracture toughness of PMMA. PMMA is one of the most common brittle polymers, which, in addition to many industrial applications, is used in many fracture mechanics studies. Split Hopkinson pressure bar test (SHPB) has been used to perform dynamic tests, and also due to the expensive and complicated nature of classical methods for measuring the fracture time in dynamic fracture tests, a new optical method has been proposed, which in addition to simplicity and low cost, has relatively good accuracy. The results of this research showed that the dynamic fracture toughness of PMMA increases with the increase of loading rate and its value is significantly higher than its static value. It was also found that with increasing sample size, the static and dynamic fracture toughness of PMMA increases, and at higher loading rates, the effect of dynamic size is more severe. It was found that the dependence of loading rate on dynamic fracture toughness is greater in larger samples. Also, a relative increase in dynamic fracture toughness was observed as a result of increasing the initial crack length. However, no clear relationship between dynamic fracture toughness of PMMA and specimen geometry was observed.

شكست ديناميكي , اثر اندازه , اثر نرخ بارگذاري

Dynamic fracture , Size effect , Loading rate effect

Omid Zahmatkesh

Dr. M.J. Ashrafi