چکیده

مواد مرکب موادی با استحکام و سختی بالا و چگالی کم هستند که با این ویژگی ها جایگزین موادی مانند فولاد و آلومینیوم در صنعت شده اند. اما این مواد به آسیب ایجاد شده در اثر ضربه حساسند. ضربه های با سرعت کم و متوسط آسیب داخلی در سازه ایجاد می کنند که با رشد این آسیب در بارگذاری های بعدی استحکام سازه به طور ناگهانی کاهش می یابد و از آنجایی که آسیب ایجاد شده در اثر ضربه سرعت پایین و متوسط در هدف قابل مشاهده نمی-باشد بنابر این باید قبل از به کار بردن این مواد، تحلیل پاسخ این قطعات ساخته شده با این مواد تحت ضربه با سرعت پایین و متوسط پیش بینی شود. در پژوهش حاضر اثر شکل پرتابه بر روی پاسخ صفحات کامپوزیتی ارتوتروپیک به روش عددی و تحلیلی برای دو حالت بدون آسیب(لایه لایه شدگی) و با آسیب(لایه لایه شدگی) مورد بررسی قرار گرفته است. در روش تحلیلی از مدل جرم و فنر استفاده شده است. مدل جرم و فنر برای پرتابه‌های تخت و مخروطی در این پژوهش ارائه شده است. در روش عددی برخورد انواع پرتابه ها به ورق با استفاده از بسته اجزا محدود Ansys/Ls Dyna شبیه سازی شده است. این نوع برخورد به وسیله برخورد سنگریزه های کف باند با بدنه سازه هواپیماها در حین بلند شدن از باند و یا برخورد ذرات تگرگ یا اشیاء کوچک دیگر به سازه های صنعتی بوجود خواهد آمد. کامپوزیت مورد استفاده از جنس کربن/اپوکسی، ابعاد 102×152 میلیمتر است که اندازه رایج نمونه های تست برخورد است و ضخامت صفحه در اندازه های 2، 3، 4، 5، 6 میلی متر بررسی شده است. جرم ضربه زننده 3 گرم و سرعت برخورد برای هر ضخامت ورق متفاوت می باشد. برای بررسی اثر شکل پرتابه چهار نوع ضربه زننده کروی، مخروطی، تخت (استوانه ای)، تخت (مکعب) مدلسازی شده است. زمان برخورد، بیشینه و تاریخچه جابه جاییمرکز ورق و نیروی تماس برای چهار ضربه زننده مختلف بدست آمده و با یکدیگر مقایسه شده اند. جهت اعتبارسنجی، نتایج بدست آمده از روش عددی و تحلیلی برای ضربه‌زننده کروی با نتایج بدست آمده در یک مرجع معتبر و همچنین نتایج عددی و تحلیلی بدست آمده در این پژوهش با یکدیگر مقایسه شده است و نتایج دارای تطابق و همگرایی نسبتا خوبی هستند. طبق نتایج بدست آمده در همه پرتابه ها بیشینه جابه جایی در مرکز ورق در هنگامی که لایه لایه شدگیاتفاق می افتد بیشتر از زمانی ست که آسیبی رخ نمی دهد اما هنگامی که لایه لایه شدگی رخ می دهد در نمودار تاریخچه نیروی تماس یک افت ناگهانی اتفاق می افتد. همچنین طبق نتایج بدست آمده بیشینه جابه جاییدر مرکز ورق برای هر دوحالت با و بدون لایه لایه شدگی برای پرتابه تخت در مقایسه با دیگر پرتابه هاکمتر خواهد بود و بلعکس بیشینه نیروی تماس برای هر دو حالت با و بدون لایه لایه شدگی بیشتر خواهد بود.


فصل اول 1
مقدمه 1
1-1- بیان مسئله و هدف‌های پژوهش 2
1-2- اهمیت انجام پژوهش 3
1-3- مراحل انجام پژوهش 3

فصل دوم 5
مبانی نظری پژوهش 5
2-1-کامپوزیت‌ها 5
2-1-1-کامپوزیت‌های چندلایه 6
2-1-1-1- بافت تک‌جهته 7
2-1-1-2- بافت پارچه‌ای 7
2-1-2-کامپوزیت‌های ماتریس پلیمری 9
2-1-3- انواع الیاف 10
2-1-4- سیستم‌های رزین 11
2-2- قرار گرفتن کامپوزیت تحت بار: 13
2-3- مقایسه با دیگر مواد ساختاری: 15
2-4- ضربه به ورقه‌ای کامپوزیت 17
2-4-1- انواع ضربه در سازه های کامپوزیتی 18
2-4-2- مدهای شکست در برخورد سرعت پایین( ( LVI: 18
2-4-3- جرم و هندسه ضربه زننده (پرتابه): 24
2-4-4- دیگر پارامترهای موثر 25
2-4-5- مکانیزم های خرابی و شکست 26
2-4-6- مدل‌های ضربه 26
2-4-6-1- مدل جرم و فنر 26
2-4-6-2- مدل بالانس انرژی 28
2-5- معرفی چند تئوری ورق 31
2-5-1- تئوری تغییر شکل برشی مرتبه اول 33
2-5-2- تئوری کلاسیک صفحه (CPT) 40

فصل سوم 43
پیشینه پژوهش 43
3-1- مروری بر پژوهش های انجام شده 43

فصل چهارم 51
مواد و روش‌ها 51
4-1-ارائه حل تحلیلی 51
4-1-1-روابط و تئوری مسئله 52
4-1-2-روش حل 59
4-1-3-بررسی صحت حل تحلیلی 60
4-2- ارائه حل عددی 60
4-2-1-نرم افزارها و کد عددی مورد استفاده 60
4-2-2-مراحل ساخت مدل اجزاءمحدود 61
4-2-2-1-شرح مدل 61
4-2-2-2- المان مورد استفاده 63
4-2-2-3- مدل مواد مورد استفاده 64
4-2-2-4-تعریف تماس میان قسمت های مختلف 64
4-2-2-5-اعمال شرایط مرزی 65
4-2-2-6-اعمال شرایط اولیه 65
4-2-2-7-زمان حل 65
4-2-2-8-مطالعه مش 65
4-2-2-9-بررسی صحت روش عددی 67

فصل پنجم 74
تحلیل نتایج 74
5-1- نتایج بدست آمده از حل تحلیلی 74
5-1-1- ارائه نتایج 74
5-1-2- بحث و بررسی نتایج تحلیلی بدست آمده 80
5-2- مقایسه نتایج تحلیلی بدست آمده با نتایج تحلیلی اولسون 88
5-3- نتایج بدست آمده از حل عددی 90
5-3-1- ارائه نتایج 90
5-3-2- بحث و بررسی نتایج عددی بدست آمده 105
5-4- مقایسه نتایج عددی بدست آمده با نتایج اولسون 114
5-5- مقایسه نتایج بدست آمده از دو روش حل تحلیلی و عددی 115
5-5-1- مقایسه نتایج بدست آمده برای حالت بدون لایه لایه شدگی 115
5-5-2- مقایسه نتایج بدست آمده برای حالت با لایه لایه شدگی 121

فصل ششم 127
نتیجه گیری و پیشنهادها 127
6-1- نتیجه گیری 129
6-2-ارائه پیشنهادها 130
منابع: 131


فصل اول

مقدمه

مواد مرکب )کامپوزيتها( دستهاي از مواد پیشرفته هستند که در آنها از مواد ساده به منظور ايجاد موادي جديد با خواص مکانیکي و فیزيکي برتر استفاده شده است. مزيت مواد مرکب در اين است که آنها معمولاً داراي بهترين مشخصههاي اجزاء تشکیل دهنده خود بوده و اغلب داراي برخي ويژگيها هستند که هیچ يک از اجزاء به تنهايي داري ويژگيهاي مزبور نیستند.

استفاده روز افزون از مواد کامپوزيتي، نشانگر مزيتهاي بسیار زياد اين مواد ميباشد.برخي از مزاياي اين مواد عبارتند از نسبت استحکام و سفتي ويژه بالا، چگالي پايین،مقاومت در مقابل خوردگي و سايش و قابلیت طراحي خوب، البته در مقابل مزاياي ذکر شده، اين مواد در مقايسه با فلزات معايبي نیز دارند يکي از مهمترين معايب اين مواد، ضعف در برابر ضربه ميباشد که باعث آسیب داخلي در انها ميشود و مقاومت ساختار را به طور قابل توجه کاهش ميدهد. علاوه بر اين عیب چقرمگي شکست پايین، تردي و شکنندگي، تعمیر و نگهداري و بازرسي سخت و همچنین حد تحمل خسارت پايین، از ديگر معايب اين مواد به حساب ميآيند. قطعات ماشین آلات صنعتي و سازهها بیشتر اوقات علاوه بر اين که تحت بارهاي استاتیکي قرار دارند، تحت بارهاي دينامیکي مخصوصاً ضربه نیز واقع ميگردند. به عنوان مثال، ميتوان از سقوط وزنه روي تیر يا ورق يا هر عضو سازه اي، در حین کار، سرويس، تعمیرات و نگهداري، تصادف قطعات با هم، برخورد سنگريزههاي کف باند با بدنه سازه هواپیماها در حین بلند شدن از باند و يا برخورد ذرات تگرگ به سازههاي صنعتي نام برد. از طرف ديگر از آنجا که خسارت ناشي از ضربه سرعت پايین در سازه هدف قابل مشاهده نميباشد لذا حتما ميبايست قبل از کاربري اين مواد، تحلیل پاسخ اين سازهها تحت ضربه با سرعت پايین صورت پذيرد)سروش و همکاران ،5913(.

5-1- بیان مسئله و هدفهاي پژوهش

رخداد ضربه شامل حرکت ضربهزننده، حرکت هدف و نیز تغییرشکل در محل برخورد دو جسم ميباشد به عبارت ديگر منظور از دينامیک ضربه مطالعه حرکت ضربهزننده، هدف و نیز تعامل بین آنها در برخورد ميباشد. با پیدايش رايانهها و امکان بکارگیري آنها در تحلیل ماتريسها، کاربرد روش اجزايمحدود گسترش وسیعتري يافته است شايد بتوان گفت که عامل اصلي آن، انطباق قابلپذيرش نتايج حاصل از اجزاي محدود و قدرت عمل رايانه ها است. امروزه روشهاي تحلیلي و عددي به لحاظ سهولت نسبي و ارزانتر بودن نسبت به تحلیلهاي تجربي، از جايگاه ويژهاي برخوردار هستند)سروش و همکاران ،5913(.

براي بدست آوردن اثر برخوردها يک مدل ايجاد ميشود که حرکت هدف، حرکت پرتابه

و فرورفتگي در ناحیه تماس توسط پرتابه درگیر مي کند. پارامترهاي زيادي روي دينامیک حرکت برخورد تاثیر ميگذارند. بعضي برخوردها در يک ناحیه کوچک که نقطه برخورد را احاطه کرده تغییرشکلهايي ايجاد ميکنند در حالي که بعضي ديگر شامل تغییرشکل در تمام ساختار هستند در بعضي موارد يک بخش عمده اي از انرژي برخورد به صفحه منتقل ميشود و در ديگر موارد بیشتر انرژي به پرتابه پس داده ميشود براي بعضي مسائل فرورفتگي يک بخش قابل توجهي از انرژي برخورد را جذب ميکند بنابراين بايد تغییرشکل در تحلیل به طور مناسب مدل شود اما در بعضي موارد تاثیر فرورفتگيها ناچیز است براي يک مدل رياضیاتي مناسب دستهبندي اين انواع مختلف رفتار لازم است(Abrate, 2001).

در چند دهه گذشته، مسأله ضربه بر مواد کامپوزيت، مورد توجه زيادي قرار گرفته است و اطلاعات زيادي از واکنش مواد مرکب در مقابل ضربه توسط محققان ارائه شده است. استفاده از روشهاي عددي و تحلیلي براي حل مسئله ضربه در بین محققین از جايگاه ويژهاي برخوردار است. تا کنون اکثر کارهايي که در مورد ضربات سرعت پايین انجام شده به وسیله ضربهزننده نیم کروي بوده است. براي شناخت کامل رفتار کامپوزيتها در برابر بارهاي ضربهاي، لازم است که پاسخ آنها در مقابل اشکال ديگر ضربه زننده ها بررسي شود. در پژوهش حاضر اثر شکل ضربه زننده مورد بررسي قرار ميگیرد. برخورد چهار شکل ضربهزننده کروي ،مخروطي، تخت)استوانه-اي(، تخت)مکعبي( بررسي ميشود. اثر شکل ضربهزننده بر زمان برخورد، بیشینهي جابه جايیمرکز ورق و بیشینه نیروي برخورد و میزان آسیب مورد بررسي قرار ميگیرد .اهداف اين پژوهش شامل موارد زير ميباشد:

1(مدلسازي جديد تحلیلي براي پرتابههاي مخروطي و تخت و پیداکردن خیز ورق و نیروي تماسي

2(تحلیل عددي براساس روش اجزاء محدود براي پرتابههاي مختلف

3(مقايسه نتايج حاصل از دخیل کردن نوع پرتابه در حل عددي و تحلیلي

5-6- اهمیت انجام پژوهش

با توجه به اينکه سازههاي کامپوزيتي کاربرد وسیعي دارند و استفاده از کامپوزيت در صنايع مختلف مانند هوا و فضا، خودرو، ساختمان و …از رشد چشمگیري برخوردار بوده است و يکي از مهمترين معايب اين مواد، ضعف در برابر ضربه ميباشد و اين سازهها در موارد زيادي با بارهاي ضربهاي روبهرو ميشوند که اين بارها ميتوانند در اثر سقوط اجسام بوجود آيند و باعث آسیبهاي داخلي و کاهش شديد مقاومت آنها شوند. رفتار اين مواد در مقابل بارهاي ضربهاي يکي از بزرگترين نگرانيها در مورد آنها ميباشد. از طرف ديگر از آنجا که خسارت ناشي از ضربه سرعت پايین در سازه هدف قابل مشاهده نميباشد، بنابراين بايد به دقت مورد مطالعه قرار گیرد.

با توجه به اينکه تا کنون اکثر کارهايي که در مورد ضربات سرعت پايین انجام شده به وسیله ضربهزننده نیم کروي بوده است. براي شناخت کامل رفتار کامپوزيتها در برابر بارهاي ضربهاي، لازم است که پاسخ آنها در مقابل اشکال ديگر ضربه زننده ها بررسي شود.

5-9- مراحل انجام پژوهش

اين نگارش شامل شش فصل کلي مي باشد . در فصل حاضر به عنوان فصل اول و مقدمه به معرفي کلي پژوهش، تعريف مسئله، اهمیت انجام پژوهش، هدف هاي آن و مراحل انجام پژوهش پرداخته شد. فصل دوم شامل مباحث نظري مرتبط با پژوهش است که براي درک بهتر پژوهش، تنظیم و نگارش شده است . در فصل سوم بطور مختصر پیشینه ي پژوهش و برخي از پژوهش هاي انجام شده در سال هاي اخیر در زمینه ي تحلیل برخورد سرعت پايین به انواع کامپوزيت مرور شده است .شرح مراحل کار و روش هاي استفاده شده در انجام پژوهش در فصل چهارم آمده است. در فصل پنجم به تحلیل و ارائه ي نتايج حاصل از روش هاي تشريح شده در فصل چهارم پرداخته شده است و در نهايت در فصل ششم نتايج نهايي پژوهش و پیشنهادهايي به منظور پیدا کردن مدلي براي مقدار خطاي کمتر در نتايج بدست آمده و جهت تداوم پژوهش هايي در اين حوزه که تکمیل کننده ي اين پژوهش نیز به شمار مي روند مطرح مي شود.


فصل دوم مباني نظري پژوهش

در اين فصل سعي شده است مباني نظري مرتبط با پژوهش تشريح گردد. قبل از آغاز پژوهش، مناسب است با مفاهیم کلي کامپوزيت، آسیب کامپوزيت، پارامترهاي موثر در برخورد و تئوري هاي ورق آشنا شد در اين فصل ابتدا بطور مختصردر مورد انواع کامپوزيت، نوع الیاف و سیستمهاي رزين، قرار گرفتن کامپوزيتها تحت انواع بار و مقايسه آنها با ديگر مواد مطالبي بیان مي شود. سپس انواع ضربه به سازههاي کامپوزيتي، مکانیزمهاي خرابي و شکست، جرم و هندسه ضربهزننده و ديگر پارامترهاي موثر و مدلهاي ضربه بررسي مي شود. درنهايت نیز به معرفي چند تئوري ورق پرداخته مي شود.

6-5-کامپوزيتها

براي درک و شناخت کامل نقش و کاربرد مواد کامپوزيت در ساختار اجزا، نیاز به شناخت مواد تشکیل دهنده آن و همچنین نحوه تولید آنها است.

در ابتدايي ترين حالت يک ماده)مرکب( کامپوزيتي از دو جزء تشکیل مي گردد که در کنار يکديگر باعث ايجاد خواص متفاوتي از هر دو عنصر تشکیل دهنده آن مي گردند. در عمل، اغلب کامپوزيت ها از يک ماده به عنوان ماتريس و يک تقويت کننده به منظور افزايش استحکام و سختي تشکیل شده اند. اين تقويت کننده معمولا بصورت الیاف مي باشد .مواد مرکب معمولا به سه دسته تقسیم مي شوند که عبارتند از:

مواد مرکب با الیاف تصادفي: مواد به شکل الیاف داراي مقاومت و سفتي بالاتري نسبت به ديگر اشکال است .اين خاصیت به علت کاهش نقايص کريستالي است. ساده ترين حالت استفاده از الیاف، ترکب تصادفي آنها با يک ماده چسبنده ميباشد. در اين حالت تعیین خصوصیات دقیق ممکن نیست، اما با استفاده از آزمايشهاي لازم ميتوان به صورت آماري نتايج را مورد بررسي قرار داده و از اين مواد در زمینه هاي مختلف استفاده کرد.

مواد مرکب لايهاي: اين مواد شامل حداقل دو ماده مختلف بوده که به يکديگر ميچسبند.

لايهها به گونهاي روي يکديگر قرار ميگیرند که مقاومت لازم در جهت مورد نظر حاصل شود.

اين نوع مواد مرکب شامل دسته بندي زير هستند:

الف : مواد ساخته شده از دو لايه فلز ب : فلزات روکش دار ج : مواد ترکیب الیافي

در مواد مرکب الیافي ماده مرکب شامل ماده تقويتشونده به نام ماتريس و ماده تقويت-کننده به نام الیاف ميباشد. در مواد مرکب چند لايه جهت الیاف را در لايههاي مختلف ميتوان تغییر داد به طوري که با کمترين وزن بیشترين مقاومت را بدست آورد.

کاربرد اين مواد در صنعت روندي صعودي داشته و نمونههايي از آنها را ميتوان در زمینههاي مختلف مشاهده کرد. در بعد تحلیل و طراحي سازه تئوري اين مواد قابل بحث بوده و ميتوان از جنبههاي مختلف آن را بررسي کرد.

مواد مرکب ذرهاي : مواد در اين حالت عبارتند از يک ماتريس و مادهاي ديگر که به شکل ذرات کوچک در آن توزيع شده است. اين مخلوط ميتواند به صورت غیر فلز در غیر فلز، غیر فلز در فلز، فلز در غیر فلز و يا فلز در فلز باشد)رصاف،5913(.

6-5-5-کامپوزيتهاي چندلايه

کامپوزيتهاي ورقهاي از لايههاي ارتوتروپیک شامل الیاف تک جهته5 و يا الیاف پارچهاي6 بافته شده ساخته ميشوند. براي مدت زمان زيادي کامپوزيتهاي ورقهاي ساخته شده از الیاف تک جهته مورد توجه بیشتر محققین قرار داشت. بعدها مشخص شد که کامپوزيتهاي پارچهاي در مقايسه با کامپوزيتهاي تک جهته داراي برتريهايي ميباشند. کامپوزيتهاي پارچهاي در مقابل تغییرات بزرگ دما داراي ثبات اندازه و شکل بهتري ميباشند. علاوه بر آن هزينههاي ساخت کمتري نیز دارند.

6-5-5-5- بافت تکجهته

در بافت تک جهته، الیاف تنها در يک جهت قرار دارند. جهت نگهداري الیاف در موقعیت دلخواه مقدار کمي از الیاف يا ساير مواد در جهات ديگر قرار دارند. در نوارهاي تک جهته پريپرگ مواد ثانويه براي نگهداري الیاف در موقعیت مناسب به کار نميرود. در محصول پريپرگ تنها رزين مسئول نگهداري الیاف در موقعیتشان ميباشد.

2-1-1-2- بافت پارچهاي

بافت پارچه از بافتن الیاف به صورت تار و پود و با يک الگوي مشخص انجام ميشود .از اين رو به اين نوع کامپوزيتها، کامپوزيتهاي پارچهاي گفته ميشود. در اين نوع بافت، اتحاد و يکپارچگي الیاف به وسیله قفل مکانیکي ايجاد شده در اثر بافتن تامین ميشود. قابلیت پارچه براي پوشاندن سطوح پیچیده9، صافي سطوح و پايداري پارچه به وسیله نوع و مدل بافتن کنترل ميشود. هرکدام از روشهاي بافت داراي مزايا و معايبي ميباشد. پرکاربردترين روش-هاي بافت در شکل)6-5( نشان داده شده است.

انواع آنها به صورت: بافت ساده، بافت سبدي، بافت ساتني، بافت جناغي و …. ميباشند. در جدول)6-5( مقايسه انواع اين بافتها آورده شده است)رصاف ،5913(.

تحلیل و مدلسازي تحت بارگذاري ضربهاي سرعت پايین…


شکل6-5- تعدادي از پرکاربردترين روشهاي بافت)رصاف ،5913(

 

جدول 6-5- مقايسه مشخصات انواع روشهاي بافت)رصاف ،5913(


 

امروزه اغلب کامپوزيهاي ساخت بشر را از نظر جنس ماتريس مي توان به 9 دسته تقسیم بندي کرد:

کامپوزيتهاي ماتريس پلیمري) PMC4(: اينها متداولترين نوع کامپوزيتها بوده همچنین آنها به FRP1 يا پلیمرهاي تقويتشده با الیاف معروف ميباشند. اين مواد از يک رزين پايه پلیمري به عنوان ماتريس و انواع مختلفي از الیاف همانند شیشه، کربن و آرامید به عنوان تقويتکننده استفاده مينمايند.

کامپوزيتهاي ماتريس فلزي ) MMC2(: مصرف آنها بیشتر در صنعت خودروسازي مي-

باشد. در ساخت اين مواد از يک فلز مانند آلومینیوم به عنوان ماتريس استفاده کرده و قطعه را با الیافي مانند سیلیکون کاربید تقويت مينمايند.

کامپوزيتهاي ماتريس سرامیکي ) CMC7(: در محیطهايي با دماهاي بسیار بالا مورد استفاده قرار مي گیرند. در اين مواد از يک سرامیک به عنوان ماتريس استفاده گرديده و آن را با الیاف کوتاه يا ويسکرهايي از جنس سیلیکون کاربید يا نیتريد برن تقويت مي نمايند.

6-5-6-کامپوزيتهاي ماتريس پلیمري

هنگاميکه سیستمهاي رزيني با الیاف ترکیب مي گردند، ميتوان به خواص استثنايي دست يافت. ماتريس رزيني نیروي وارد شده به کامپوزيت را بر روي تمامي الیاف پخش مينمايد و همچنین الیاف را از سايش، خوردگي و ضربه محافظت ميکند. استحکام و سفتي بالاتر ،شکل-دهي متنوعتر و آسانتر، مقاومت محیطي بالا به همراه دانسیته پايین، باعث مناسبتر بودن کامپوزيت ها در بسیاري از کاربردها نسبت به فلزات گرديده است.

بدلیل اينکه کامپوزيتهاي ماتريس پلیمري از ترکیب رزين و الیاف تشکیل يافتهاند، بنابر اين خواص نهايي آنها نیز ترکیبي از خواص الیاف و رزين مي باشد.



شکل6-6- نمودار تنش-کرنش رزين، فیبر و کامپوزيتFRP

در مجموع خواص کامپوزيت ها به چهار عامل بستگي دارد: 5(خواص الیاف، 6(خواص

رزين، 9(نسبت الیاف به رزين در کامپوزيت ) نسبت حجمي الیاف(، 4(نحوه قرارگیري و آرايش يافتگي الیاف در کامپوزيت. نسبت الیاف به رزين تا حدود زيادي وابسته به نوع فرايند ساخت و ترکیب کردن رزين با الیاف ميباشد. اين امر همچنین وابسته به نوع رزين مورد استفاده و نحوه داخل شدن الیاف در رزين مي باشد. به دلیل اينکه خواص مکانیکي الیاف بسیار بالاتر از رزين مي باشد، بنابر اين با افزايش نسبت الیاف به رزين خواص مکانیکي قطعه کامپوزيتي نیز افزايش مي يابد. در عمل محدوديت هايي براي اين امر وجود دارد، زيرا که الیاف براي دارا بودن بیشترين تاثیر مي بايست کاملا توسط رزين پوشش داده شوند. بنابراين يک فشردگي بهینه اي با توجه به سطح مقطع مدور الیاف وجود دارد. به علاوه فرايندهاي ترکیب الیاف با رزين منجر به افزايش نقصها گرديده و همچنین باعث داخلشدن هوا در کامپوزيت ميگردند. مثلا در فرايند دستي1 تولید قايق، نسبت حجمي الیاف بین 90 تا 40 درصد مي باشد. همچنین در صنايع هوا فضا اين نسبت مي تواند تا 70% افزايش يابد.

موقعیت الیاف در کامپوزيت نیز يکي از عوامل بسیار مهم در تعیین خواص مکانیکي آنها مي باشد. خواص مکانیکي کامپوزيتها در جهت طولي قرار گیري الیاف در آنها بسیار بالاتر از خواص مکانیکي آنها در جهت عرضي قرار گیري الیاف در آنها مي باشد. اين امر منجر به ناهمسانگردي خواص ) خواص نابرابر در هر سو( کامپوزيت ميگردد يعني بر عکس فلزات، خواص آن جهتهاي مختلف، متفاوت ميباشد. بنابراين بسیار مهم ميباشد که در طراحي قطعات نهايي کامپوزيتي اندازه و جهت نیروهاي وارده بر آن بسیار مهم ميباشد.

6-5-9- انواع الیاف

مشخصات کامپوزيتها اساسا تحت تاثیر انتخاب نوع الیاف قرار دارد. به طور کل سه نوع الیاف از همه کاربرد بیشتري دارند که عبارتند از کربن، شیشه و آرامید کامپوزيتهاي تقويت-شده توسط اين الیاف به ترتیب GFRP ،9 CFRP 50و AFRP 11 نامیده ميشوند. همه الیاف عموما داراي ظرفیت تنش بالا ميباشند. مهمترين مشخصهاي که موجب تمايز بین اين سه نوع الیاف ميشود سفتي56 و کرنش کششي59 آنها ميباشد)رصاف ،5913(.

6-5-4- سیستم رزين

هر سیستم رزين مورد استفاده در کامپوزيتها ميبايست داراي شرايط زير باشند:5(خواص مکانیکي مناسب6( خواص چسبندگي مناسب9( چقرمگي خوب4( مقاومت بالا در برابر تخريب محیطي

خواص مکانیکي رزين: شکل زير نمودار تنش-کرنش را براي يک رزين ايده آل نشان ميدهد .اين نمودار استحکام بالا، سفتي بالا ) نشان داده شده با شیب اولیه( و تغییر طول تا پارگي بالا را نشان ميدهد )شکل 6-9(. اين نکته بايد مد نظر قرار گیرد، که هنگاميکه کامپوزيت تحت بار کششي قرار دارد، براي رسیدن به ظرفیت کامل خواص مکانیکي الیاف، رزين مي بايست قادر به تغییرشکل حداقل به اندازه الیاف باشد .شکل )6-4( نمودار کرنش تا پارگي را براي الیاف -ES-glass ، glass ، آرامید و کربن استحکام بالا ) نه در فرم کامپوزيت( نشان ميدهد. در اينجا به نظر مي رسد که مثلا الیاف شیشه نوع S ، با کرنش % 9/1، براي رسیدن به حداکثر استحکام کششي نیازمند يک رزين با حداقل همین مقدار کرنش ميباشد.



شکل 6-9- نمودار تنش- کرنش براي يک رزين ايدهآل



شکل 6-4- نمودار کرنش تا پارگي براي الیاف S-gl ass ، E-glass ، آرامید و کربن استحکام بالا ) نه در فرم کامپوزيت(

 

خواص چسبندگي رزينها: چسبندگي بالا میان رزين و الیاف تقويتکننده براي هر کامپوزيت ضروري ميباشد. اين امر باعث انتقال مطمئن نیروهاي وارده در کامپوزيت شده و از ايجاد ترک در آن جلوگیري خواهد کرد.

چقرمگي رزينها: چقرمگي يک مقیاسي از مقاومت مواد در برابر انتشار ترک ميباشد، اما در يک کامپوزيت اندازهگیري آن مشکل است. از روي نمودار تنش-کرنش رزين ميتوان چقرمگي آن را بدست آورد. در واقع چقرمگي کامپوزيت کاملا وابسته به چقرمگي رزينهاي تشکیلدهنده آن خواهد بود.

مقاومت محیطي رزينها: مقاومت خوب در برابر شرايط محیطي، آب و ديگر مواد خورنده براي هر رزين ضروري ميباشد. اين خاصیت به ويژه براي استفاده از رزين در صنايع دريايي بسیار لازم و ضروري است.

از ديدگاه علم شیمي رزينها به دو دسته تقسیم ميشوند: ترموپلاستیک54 و ترموست51 ترموپلاستیک: مواد جامدي هستند که در هنگام گرم شدن به مايع تبديل شده و خاصیت چسبندگي پیدا ميکنند که ميتوان جسم مورد نظر را در آن قرار داده و به محض سرد شدن، ماده به حالت اولیه خود، يعني حالت جامد تبديل ميگردد و در حالت سخت شدگي جسم را به طور کامل در بر ميگیرد .البته اين روش براي مسلح کردن الیاف توسط رزين مناسب نميباشد .از انواع اين رزينها ميتوان به پلي اتیلن، پلي پروپیلن و پي ويسي اشاره نمود .اين دسته از پلاستیکها را ميتوان بارها حرارت داد و ذوب نمود بدون اينکه تغییر قابل توجهي در خواص آنها ايجاد گردد.

ترموست: از دو مايع تشکیلشده که در هنگام ترکیب با يکديگر و انجام واکنش شیمیايي تبديل به يک ماده چسبنده شده و سپس سخت ميگردند. اپوکسيها52 جز اين دسته ميباشند.

اپوکسيها داراي خواص و عملکرد بسیار خوبي ميباشند. از مهمترين خواص آنها ميتوان به سفتي و مقاومت بسیار بالا، مقاومت حرارتي مناسب، چسبندگي عالي و مقاومت شیمیايي خوب به ويژه در محیطهاي قلیايي اشاره کرد. رزينهاي ترموست پس از اينکه پخته شدند به يک شکل دائمي درميآيند و ديگر قابلیت ذوب و شکلدهي مجدد را ندارند)رصاف ،5913(.

6-6- قرار گرفتن کامپوزيت تحت بار:

چهار نوع اعمال نیرو بر روي مواد وجود دارد. کشش، فشار، برش و خمش.

کشش: شکل زير يک نیروي کششي اعمالشده بر روي کامپوزيت را نشان ميدهد. پاسخ يک کامپوزيت به نیروي کششي به شدت به سفتي و استحکام الیاف قرار گرفته در آن وابسته ميباشد) شکل6-1(.



شکل6-1- نیروي کششي اعمالشده بر روي کامپوزيت

 

فشار: شکل زير يک اعمال نیروي فشاري بر روي يک کامپوزيت را نشان ميدهد. در اينجا خواص چسبندگي و سفتي رزين بسیار مهم ميباشد .در واقع در اينجا رزين نقش نگهدارنده الیاف به عنوان ستونهاي مستحکم و جلوگیري از پیچ خوردن آنها را بر عهده دارد)شکل6-2(.


شکل6-2- نیروي فشاري اعمالشده بر روي کامپوزيت

برش: شکل زير نحوه اعمال نیروي برشي به يک کامپوزيت را نشان ميدهد. اين نیرو سعي در لغزاندن لايههاي مجاور الیاف بر روي يکديگر را دارد. در هنگام اعمال بار برشي، رزين نقش بسیار مهمي را بازي مينمايد. در واقع رزين تنش را در عرض قطعه انتقال ميدهد. در اين مورد دارا بودن خواص مکانیکي بالا براي رزين کافي نیست بلکه رزين ميبايست داراي چسبندگي مناسبي به الیاف تقويتکننده نیز باشد. معمولا از استحکام برشي درون لايهاي ) ILSS 57( يک کامپوزيت براي نشان دادن اين خواص در يک کامپوزيت چندلايه استفاده مينمايند )شکل6- .)7



شکل6-7- نیروي برشي اعمالشده بر روي کامپوزيت

خمش: نیروهاي خمشي ترکیبي از نیروهاي کششي، فشاري و برشي ميباشند. همانگونه که در شکل زير نشان داده شده است، لايههاي بالايي تحت نیروهاي فشاري قرار گرفتهاند، لايههاي پايیني تحت کشش و بخشهاي مرکزي قطعه نیز تحت نیروهاي برشي قرار دارند)شکل6-1(.



شکل6-1- نیروي خمشي اعمالشده بر روي کامپوزيت

6-9- مقايسه با ديگر مواد ساختاري:

با توجه به عواملي که تا کنون ذکر شد، محدوده بسیار وسیعي از خواص مکانیکي وجود دارد که مي توان با کامپوزيت ها اين محدوده را پوشش داد. حتي هنگاميکه تنها يک نوع الیاف را مورد بررسي قرار دهید، خواص کامپوزيت مي تواند تا 50 برابر توسط مقدار الیاف و همچنین نحوه آرايش يافتگي ) orientation ( الیاف در کامپوزيت افزايش يابد. شکلهاي )6-3(، )6-50(و )6-55( مقايسه بین مواد کامپوزيت با خواص مکانیکي متفاوت را نشان مي دهند. پايین ترين خواص براي هر ماده مربوط به فرايندهاي تولید ساده و فرم مواد ) يعني فرايند پاششي الیاف شیشه(، و بالاترين خواص مربوط به تکنولوژي هاي پیشرفته تولید ) قالب گیري اتوکلاو تولید پري پرگهاي الیاف محوري51( مورد استفاده در صنايع هوا فضا مي باشد. براي ديگر مواد نشان داده شده، براي آلیاژهاي مختلف محدوده اي از استحکام و سفتي ) مدول( نشان داده شده است.

شکل6-3- مقايسه استحکام کششي مواد کامپوزيت مختلف

شکل6-50- مقايسه مدول کششي مواد کامپوزيت مختلف


 


شکلهاي فوق محدوده وسیعي از خواص با کامپوزيتهاي مختلف را نشان دادهاند .

همانگونه که از نمودارها مشخص است اين مواد داراي استحکام بالا و دانسیته پايین ميباشند .

اين امر نشان ميدهد که اين کامپوزيتها داراي مشخصه استحکام و سفتي به وزن مناسبي بوده که آنها را براي بسیاري از کاربردها مناسب ميگرداند. اين امر آنها را براي ساخت قطعاتي که داراي تحرک ميباشند بسیار مناسب ميگرداند مانند اتومبیلها، قطارها و هواپیماها زيرا که ساختارهاي سبک تر در افزايش کارايي اين وسايل نقش بسیار مهمي را بازي مي کنند.

6-4- ضربه به ورقهاي کامپوزيت

در بعضي کاربردها، ورقهاي کامپوزيت FRP، تحت بار ضربه قرار ميگیرند. به عنوان مثال لبه جلويي بال هواپیما يا پره يک موتور جت ممکن است به يک شيء خارجي مانند سنگ يا پرنده برخورد نمايد. بار ضربه ميتواند حتي در حین ساخت و يا تعمیر نیز پیش آيد و نیروي ضربه به اين مواد باعث بوجود آمدن خرابيهاي داخلي که با چشم غیرمسلح قابل رؤيت نیست ميشود، که اين امر در نهايت باعث تضعیف مقاومت و پايداري سازه خواهد شد. بنابراين مقاومت ورقهاي لايهاي در برابر ضربه بايد شناخته شده باشد تا بتوان ورقهايي طراحي کرد که مناسب براي عملکرد مطمئن و امن در برابر ضربه باشند.

6-4-5- انواع ضربه در سازههاي کامپوزيتي

پاسخ به ضربه براي سازههاي کامپوزيتي را مي توان به صورت زير دسته بندي نمود:

5-سرعت(LVI53) که مربوط به سرعت هاي کمتر از m/s 50 است. سقوط آزاد اجسام برروي سازه کامپوزيتي از اين جمله هستند.

6-سرعتهاي متوسط که بینm/s 10-50 و ازقبیل گرد و غبار حاصل از طوفان هستند.

9-سرعتهاي بالا )بالستیک60( مابین m/s 5000-10 که معمولا حاصل از اصابت گلوله و يا ترکش هاي حا صل از انفجار ه ستند. در اين سرعتها انت شار امواج تنش در طول ضخامتهدف رخ خواهد داد و سازه زمان کافي براي پاس خ ندارد و در نتیجه خس ارت موض عي به بار خواهد آمد. در اين حالت تاثیر شرايط مرزي مي تواند ناديده در نظر گرفته شود زيرا پروسهضربه قبل از رسیدن امواج به مرزها به پايان خواهد رسید.

4- سرعت هاي بسیار بالا)بیشتر ازm/s 5000( که در اين حالت سطح هدف همانند يکمايع عمل ميکند . در اين تحقیق پا سخ سازههاي کامپوزيتي به LVI برر سي خواهد شد. در اين حالت در بعضي مواقع خسارت روي سطح هدف مشخص نبوده, اما در داخل سازه اتفاق مي افتد. اين خسارت باعث افت مقاومت و همچنین عمر سازه خواهد شد. در LVI پاسخ دينامیکي سازه هدف بسیار مهم است زيرا بازه تماسي بقدر کافي زياد بوده و سازه ميتواند به ضربه پاسخ داده و انرژي بیشتري را جذب نمايد.

6-4-6- مدهاي شکست در برخورد سرعت پايین) LVI ):

براي LVI مدهاي شکست وابسته به هندسه هدف و پرتابه, سختي و شرايط مرزي است.انرژي جذب شده تو سط يک سازه ابتدا به فرم انرژي کرن شي و سپس بو سیله میکروترک هاجذب ميشود.

مدهاي شکست در بیشتر حالتها شامل حالت هاي زير است : 5( شکست ماتريس6( لايه لايه شدن 9( شک ست يا کمانش فیبرها4( نفوذ. در بع ضي مواقع مد شک ست, ترکیبي از اينموارد است.

شکست ماتريس: معمولا در فرم ترک ماتريس و لايه لايه شدن ماتريس و فیبر رخ مي دهد و بندرت قابل مش اهده اس ت. ش کست ماتريس بیشتر در لبههاي بالايي و در لبه تماس رخ ميدهد. معمولا” دو نوع ترک بر شي و خم شي بوجود ميآيد ) شکل 6-56(. ترکهاي ک ش شيهنگامي به وجود ميآيد که تنشهاي عمودي درون صفحه اي از ا ستحکام ک ش شي عر ضي صفحات بیشترشود. ترکهاي برشي داراي زاويه با صفحه میاني ميباشند . در به وجود آمدن آنها تنشهاي برشي عرضي نقش اصلي را ايفا ميکنند.

ترک ماتريس ناشي از ضربه با توجه به ضخامت لايه ابتدا در بالا يا پايین صفحه به وجود ميآيد. درکامپوزيتهاي ضخیم، ترک ماتريس در سطح بالايي به وجود ميآيد که دلیل آن تنشهاي تماسي محلي زياد ميباشد. پیشرفت آسیب نیز از بالاي صفحه به طرف پايین آن ميباشد)شکل6-59)a((. در کامپوزيتهاي نازک، ترک ماتريس ناشي از تنشهاي خمشي ميباشد. در نتیجه شروع ترک از پايین صفحه خواهد بود و به تدريج به بالاي آن منتقل ميشود

)شکل6-54)b(( )رصاف ،5913(.



شکل6-56- تورق به وجود آمده توسط a(ترکهاي برشي b(ترکهاي خمشي)رصاف ،5913(



شکل6-59- نحوه پاسخ چند لايه هاي نازک و ضخیم به بار ضربه اي و مکانیزم خسارتa(درخت کاج )کامپوزيت ضخیم( b(درخت کاج معکوس)کامپوزيت نازک( )رصاف ،5913(

 

تورق يا لايه لايه شدن 65 : لايه لايه شدن در واقع نوعي ترک است که بین لايههايي که داراي جهتدهي الیاف متفاوت هستند به وجود ميآيد. تورق از شايعترين انواع تخريب ميباشد . علت ايجاد آن يک سان نبودن تنش در لايههاي متفاوت ا ست . توزيع تنش به دلیل تفاوت سفتي خم شي لايه ها يک سان نی ست و داراي ناپیو ستگي درمرز لايهها ميبا شد ، که تحت شرايطي باعث ايجاد لايه لايه شدن ميشود . ناحیه لايه لايه شدن معمولا ” دوکي شکل66 ا ست و براي لايه اي 90/0 ب صورت بادام زمیني 69 است. به طور کل تورق به و سیله ترک ماتريس به وجود ميآيد و جهت گسترش آن در جهت الیاف لايه پايیني ميبا شد .تورق در کامپوزيتهاي ورقهاي به طور شماتیک در شکل )6-54( نشان داده شده است . اگر دو لايه داراي جهت الیاف يکساني باشند تورقي در آنها رخ نخواهد داد)رصاف ،5913(.



شکل6-54- تورق در کامپوزيت لايهاي)رصاف ،5913(

تنشهاي خمشي القا شده نقش مهمي را در اين پديده دارند. در بعضي از مطالعات ضريب

ناهماهنگي خمشي بین لايه اي تعريف مي شود و هر چه اين ضريب بیشتر باشد ناحیه خسارت بیشتر است. اين ناحیه از عواملي همچون خواص لايهها و ماتريس, نحوه چیدمان و همچنین ضخامت چند لايه تاثیر مي پذيرد. ترک ماتريس که باعث شروع لايه لايه شدن مي شود بط ور عمومي در اثر گسترش تنشهاي نرمال و برشي بین لايهاي و در سطوح جدايش بوجود ميآيند)شکل 6-51(. تحقیقات انجام شده درباره اثر متقابل ترکهاي ماتريس و تورق بر هم نشان ميدهد که هنگامي که ترکهاي مايل برشي به سطح مشترک لايهها ميرسند ، باعث ايجاد تنش بزرگ برشي در آن لايهها ميشون د. هم ترکهاي عمودي ماتريس و هم ترکهاي مايل ميتوانند باعث تورق شوند . همچنین تحقیقات نشان داده است که تورق ناشي از ترکهاي مايل مقدار ثابتي ندارند، ولي تورق ناشي از ترکهاي عمودي متناسب با افزايش بار گسترش مييابد.


 

شکل6-51- لايه لايه شدن تکي در نمونه با ضخامت mm 61 از جنس E- glass/polyester

شکست يا کمانش فیبرها: شکست الیاف بعد از ترک خوردن ماتريس و لايه لايه شدن در

پروسه شکست اتفاق ميافتد. شکست الیاف در زير محل برخورد که تنشها زياد است اتفاق ميافتد. همچنین در صفحهاي که مورد اصابت واقع نشده )صفحه پشتي( در اثر تنشهاي خمشي زياد اتفاق ميافتد)شکل6-52(.

نفوذ: نفوذ يک مد ماکرسکوپي از شکست است و هنگامي رخ ميدهد که شکست فیبرها به

حد بحراني برسد و باعث شود تا پرتابه بتواند بطور کامل در هدف نفوذ کند. انرژي جذب شده توسط چندلايه در حین نفوذ به فرم پلاگ برشي, لايه لايه شدن و خمش الاستیک جذب مي-شود)شکل6-57(.



شکل6-52- شکست و جابه جايي الیاف تحت بارگذاري ضربه اي



شکل6-57- خسارت هاي ايجاد شده در هدف کامپوزيتي در اثر نفوذ

 

عوامل مختلفي از قبیل اندازه و مقدار فیبرها , جهات فیبرها و نوع ماتريس روي پديدهنفوذ تاثیرگذار ا ست. براي کامپوزيت ها با چیدمان ت صادفي طول وaspect ratio الیاف نقش مهمي در نحوه پا سخ به ضربه دارد. همانطور که در شکل )6-51( ميبینید مقاومت به ضربهاين کامپوزيتها با افزايش طول فیبرها بیشتر مي شود:



شکل 6-51- تاثیر طول الیاف در مد شکست و مقدار جذب انرژي a ( الیاف با طول b 9mm ( الیاف با طولmm

56 c( الیاف با طولmm 61

6-4-9- جرم و هندسه ضربه زننده )پرتابه:(

اندازه, شکل, جرم, جنس, سرعت و زاويه پرتابه تاثیر مهمي بر روي پا سخ سازه ميگذارد .پرتابههاي تیزتر باعث خسارت بیشتر به فیبرها و سطح هدف شده و حال آنکه پرتابههاي تخت بیشتر باعث لايه لايه شدن در سطوح داخلي ميشوند. پرتابه مخروطي نوک تیز, بیشترين اثرمحلي را در خسارت و مقدار فرورفتگي دارد. تغییرات ممنتوم64 براي اهداف گرافیت اپوکسي با پرتابه تخت در حدود چهار برابر بزرگتر از پرتابه نوک تیز ا ست. هنگامیکه سايز و شکل پرتابهثابت است جرم آن مهم است. اين خرابيها باعث کاهش مقاومت و سختي ماده ميشوند. در اثرخواص غیر ايزوتروپ یک 61 کامپوز يت ها و شرايط غیر يکنوا خت توزيع تنش در بار گذاريدينامیکي، مکانیزم شکست کامپوزيت ها بسیار پیچیده است. پارامترهاي مختلفي از قبیله ندسه ورق و ضربه زننده )پرتابه(، نوع ماده هدف، جرم و س رعت ض ربهزننده ميتوانند روي رفتار ضربهاي ورقهاي کامپوزيتي تاثیر بگذارند. بسیاري از تحقیقات صورت گرفته روي ضربه با سرعت هاي پايین با هدف جلوگیري از گسترش خرابي در ورق هاي کامپوزيتي و بهبود خواص ماتريسهاي پلیمري انجام شده است .



شکل6-53- پرتابه تخت فولادي



شکل6-60- چهار نوع پرتابه، تخت، نیمکروي، سهموي، مخروطي

6-4-4- ديگر پارامترهاي موثر

در سطوح انرژي کم , سطح لايه لايه شدگی در هنگام ا ستفا ده از الیاف با کرنش شک ستکوچک, کاهش مييابد. بعبارتي ديگر در اين حالت انرژي ضربه تو سط شک ست فیبرها جذبشده و لايهلايهشدن رشد نخواهد کرد .



شکل 6-65- مقدار خسارت با توجه به شکل پرتابه

با تغییر زواياي شديدتر بین لايههاي مجاور, سختي خمشي غیر يکنواختتر شده و بنابراين س طوح لايه لايه شدگیبیشتري ايجاد مينمايد. افزايش چقرمگي رزين باعث کوچکتر شدن سطح لايه لايه شدگی ميشود . خسارت ايجاد شده و نحوه رشد آن در اهداف نازک و ضخیم درشکل )6-59( ن شان داده شده ا ست. در اهداف نازک تنشهاي خم شي بز رگتري ن سبت بهتنشهاي برشي بوجود آمده و مد شکست از فرم میکروترک هاي ماتريسي و debondingميشودکه در طرف ضربه خورده ايجاد ميشود. در اهداف ضخیم تغییر فرم کمتري ايجاد شدهو ضربه باعث ايجاد تنشهاي تماسي بزرگتري ميشود.

6-4-1- مکانیزمهاي خرابي و شکست

5- تابع شکست داخل صفحهاي: خرابي مي تواند به صورت شکست ماتريس و يا جدايش لايهها و يا شکست الیاف باشد. طبق تعريف خرابي زماني رخ ميدهد که تابع شکست داخل صفحهاي به مقدار واحد برسد )Jonse,1999 (.

6-تابع شکست بین لايهاي: شروع لايهلايهشدن در اثر 𝜎𝑧 و ديگر تنشهاي برشي بین لايهاي توسط تابع شکست بین لايهاي بیان ميشود. براي اين منظور از تابع شکست دو درجهاي بر پايه معیار شکست بین لايهها استفاده مي شود. طبق تعريف خرابي زماني رخ مي دهد که تابع شکست بین لايه اي به مقدار واحد برسد )Brewer and Lagace,1999 (.

————————————————————————————————————————————–

شما میتوانید تنها با یک کلید به راحتی فایل مورد نظر را دریافت کنید. 🙂

پایان نامه های موجود در سایت فقط در صورت دریافت پکیج طلایی انسیس قابل دریافت است.
برای دریافت این پایان نامه و تمامی پایان نامه های سایت، پکیج طلایی انسیس را خریداری بفرمایید. پس از خریداری پکیج طلایی لینک دانلود پایان نامه ها فعال خواهد شد.
شماره های تماس :
05142241253
09120821418

دریافت پکیج طلایی

————————————————————————————————————————————–