مطالعه خرابی خستگی ناشی از ترک های ماتریسی در مواد مرکب چند لایه در چهار چوب دیدگاه مایکرو مکانیک

 

فصل اول: مقدمه…………………………………………………………………………………………………………………………………………….. 1

1-1 مقدمه …………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. 2

1-2مقدمهایبرانواعمكانيزمهايخرابيدرمواد مرکب…………………………………………………………………………… 2

1-3 خستگیدرکامپوزیتها………………………………………………………………………………………………………………………… 8

1-4 روشهایمایکرومکانیک……………………………………………………………………………………………………………………….. 12

1-5 روندمایکرومکانیکی……………………………………………………………………………………………………………………………….. 16

1-6جمعبندی………………………………………………………………………………………………………………………………………………. 19

فصل دوم : مدل های خرابی در مواد مرکب ……………………………………………………………………………………………. 20

2-1 مدلهایخرابیخستگیفیبرهایتقویتیموادکامپوزیت………………………………………………………………….. 21

2-2  مروری بر روش های تحلیل خستگی در لایه های کامپوزیتی………………………………………………………………..23

2-3 مکانیزمشکستخستگی ……………………………………………………………………………………………………………………….. 25

2-4 ترک لایه عرضی در خستگی( تحقیقات آزمایشی)……………………………………………………………………………….  27

2-5 مدلهایعمرخستگی…………………………………………………………………………………………………………………………..  29

2-6 مدلهایپدیدهایبرایپیشبینیسختیباقیماندهومقاومتباقیمانده……………………………………… 31

2-7 مدلهایمقاومتباقیمانده………………………………………………………………………………………………………………….. 34

2-8 مدلهایرشدخرابی………………………………………………………………………………………………………………………………..37

2-9 مدل های ارائه شده برای کاهش سفتی………………………………………………………………………………………………….38

        2-9-1  مدل نایرن و لیو……………………………………………………………………………………………………………………  38

        2-9-2کاهشسفتیدرچندلایههایمتعامد……………………………………………………………………………….  40

        2-9-3  کاهش سفتی در چند لایه های عمومی تالرجا………………………………………………………………………. 42

        2-9-4  نرخ کاهش سفتی و مدل تخریب خستگی بانجیان لیو………………………………………………………….43

        2-9-5  محاسبه ثابت ………………………………………………………………………………………………………………………….44

        2-9-6  مدلروشتاخیربرشیبرایچندلایههایمتعامد (لیودانیل )……………………………………….47

        2-9-7 مدلکاهشسفتیلینیه………………………………………………………………………………………………………..48

        2-9-8  مدلکاهشسفتیناشیازخستگییانگ…………………………………………………………………………… 49

2-10جمع بندی………………………………………………………………………………………………………………………………………………51

فصل سوم: معادلات حاکم بر مسئله ……………………………………………………………………………………………………….52

3-1 مقدمه……………………………………………………………………………………………………………………………………………………….53

3-2 مدل تاخیر برشی……………………………………………………………………………………………………………………………………..53

3-3  محاسبه افت سختی به صورت تابعی از تعداد سیکل بارگذاری خستگی……………………………………………..55

3-4محاسبهافتسختیدرلایهعرضی………………………………………………………………………………………………………..60

  3-4-1  نرخ رشد ترک از ترک ماتریسی……………………………………………………………………………………………………..61

فصل چهارم: نتایج……………………………………………………………………………………………………………………………………… 64

4-1 نتایج…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………65

4-2صحت سنجی نتایج………………………………………………………………………………………………………………………………….67

4-3 نتایج نرم افزار آباکوس……………………………………………………………………………………………………………………………69

فصل پنچم : نتیجه گیری…………………………………………………………………………………………………………………………….82

5-1نتیجه گیری…………………………………………………………………………………………………………………………………………..83

5-2 پیشنهادات …………………………………………………………………………………………………………………..84

 

مراجع……………………………………………………………………………………………………………………………….85

ضمیمه الف کد نویسی در زبان برنامه نویسی پایتون و لینک شده  با نرم افزار اباکوس……………93

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

فهرست اشکال و جداول

 

فصل اول

شكل1-1- یک چندلايه متعامد تحت بار کششی…………………………………………………………………………………………..3

شكل1-2- رشد یک ترک ماتریسی در اثر جدایش اتصال فایبر و ماتریس …………………………………………………..3

شكل1-3- ترک ماتریسی در يک چندلایه‌ متعامد………………………………………………………………………………………….4

شكل1-4- شکست الياف و کشيدگی الياف در اثر اتصال ضعيف بين اينترفيس و ماتريس ………………………….5

شكل 1-5- مودهای خرابی در یک ماده مرکب ……………………………………………………………………………………………..5

شكل 1-6- مکانيزم­هاي خرابي در مقياس مايکرو ………………………………………………………………………………………….6

شكل1-7- مهمترین مکانيزمهاي خرابي مقياس مايکرو …………………………………………………………………………………7

شکل 1-8 مودهای مختلف تخریب در کامپوزیت………………………………………………………………………………………….11

شکل 1-9 الگوریتم روش تاخیر برش ……………………………………………………………………………………………………………13

شکل 1-10 الگوریتم روش تغییرات بر پایه تغییر مکان………………………………………………………………………………..14

شکل 1-11 الگوریتم روش تغییرات بر پایه تنش …………………………………………………………………………………………14

شکل 1-12 الگوریتم روش انتقال تنش ………………………………………………………………………………………………………..15

شکل 1-13 شکل ماکرو ترک های ماتریس در لایه ی 90 درجه و انواع تخریب های ایجاد شده توسط ماکروترک ها……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………..18

 

فصل دوم

شکل 2-1 ترسیم مد های خرابی a)ترک خوردگی زمینه با جدا شدگی بین لایه ای (bترک خوردگی زمینه (cشکست فیبر با مقداری جدایش بین فیبر و زمینه…………………………………………………………………………………….26

شکل 2-2 رشد خرابی در لایه های کامپوزیتی تحت بارگذاری خستگی……………………………………………………..26

شکل 2-3 توزیع ترک بدست آمده از لایه های  فیبر شیشه بعد از 10000 سیکل بارگذاری…………………….28

شکل 2-4 نمودار ΔG به عنوان تابعی از چگالی ماکرو ترک ها برای آزمایشات خستگی بر چند لایه [0₂/90₄]  ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….39

شکل 2-5 نرخ رشد چگالی ماکروترک به عنوان تابعی از ΔG برای 3 چند لایه ی متفاوت IM6/dupont  Avimid K polymer ………………………………………………………………………………………………………………………………….. 40

شکل 2-6 دیاگرام شماتیک کامپوزیت ترک خورده [0/90]_Sa)نمای جانبی از نمونه تحت کشش b) نما از روبه رو……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………..41

شکل 2-7 مقایسه نتایج تجربی و پیش بینی های تئوریکی برای چند لایه ی [0/90]_s……………………………..42

شکل 2-8 نسبت مقاومت های استاتیکی و خستگی به مقاومت کششی تک جهته……………………………………..45

شکل 2-9  تعریف سختی اولیه ₀E ،مدول قطع کنندهE_Sومدول خستگی F₀ …………………………………………..50

 

فصل سوم

شکل 3-1  شماتیکی از مکانیزم های خرابی در لایه های عرضی………………………………………………………………….56

شکل3-2  هندسه و شرایط بارگذاری در لایه های عرضی ……………………………………………………………………………56

شکل 3-3 منحنی S-Nلایه 90 درجه گرافیت اپوکسی AS4/3501-60…………………………………………………….59

شکل3-4 آ. شماتیکی از ترک های لایه عرضی در لایه های گلس اپوکسی با استفاده ازمیکروسکوپ نوری، ب. دید از لبه نمونه تحت کشش –پ. دید از جلونمونه تحت کشش-ت.روش محاسبه چگالی ترک………….60

شکل 3-5  ترسیم نرخ رشد خرابی در برابر مربع ماکزیمم تنش سیکلی با مقیاس لگاریتمی . خط راست بیانگر رابطه توانی پیش بینی کننده تغییر مدول ها با سیکل بارگذاری با مقادیر ثابت 5650000 و6 .5 به ترتیب برای ثوابت A و m می باشد. …………………………………………………………………………………………………………………………63

 

فصل چهارم

شکل 4-1 افت سختی به نسبت تعداد سیکل برای ماده گرافیت اپوکسی AS4/3501-6 در تنش 53/0 تنش کششی ماکزیم…………………………………………………………………………………………………………………………………………………65

شکل 4-2 افت سختی به نسبت تعداد سیکل برای ماده گرافیت اپواکسی AS4/3501-6 در تنش 85/0 تنش کششی ماکزیمم……………………………………………………………………………………………………………………………………………….66

شکل 4-3 لگاریتم تنش بر حسب لگاریتم تعداد سیکل بارگذاری برای گرافیت اپواکسی AS4/3501-6 با لایه چینی [0/90₂]_s…………………………………………………………………………………………………………………………………………………66

شکل 4-4  مقادیر A  و m بدست آمده  برای مادهIM779به ترتیب برابر است باA=8.94،m=107718450.6…………………………………………………………………………………………………………………………………………….67

شکل 4-5کانتورجابهجاییدرسیکل 100امازبارگذاری…………………………………………………………………………..68

شکل4-6کانتورجابهجاییدرسیکل 10امازبارگذاری………………………………………………………………………………68

شکل 4-7 شماتیکی از مدل سازی مورد نظر در نرم افزار اباکوس………………………………………………………………..69

شکل 4-8 نتایج کانتور تنش مربوط به سیکل 10 ام از بارگذاری با استفاده از برنامه نویسی لینک شده به نرم افزار آباکوس………………………………………………………………………………………………………………………………………………71

شکل 4-9 نمودار تغییرات تنش بر حسب تعداد سیکل به ازای تنش 110 مگا پاسکال برای لایه چینی [0/90]_SGFRP…………………………………………………………………………………………………………………………………………….71

شکل 4-10 نمودار تغییرات تنش بر حسب تعداد سیکل به ازای تنش 110 مگا پاسکال برای لایه چینی [0/90]_S GFRP…………………………………………………………………………………………………………………………………………….72

شکل 4-11 نمودار تغییرات تنش بر حسب تعداد سیکل به ازای تنش 110 مگا پاسکال برای لایه چینی [0/90]_S GFRP…………………………………………………………………………………………………………………………………………….72

شکل 4-12 نمودار تغییرات تنش بر حسب تعداد سیکل به ازای تنش 110 مگا پاسکال برای لایه چینی [0/90]_SGFRP…………………………………………………………………………………………………………………………………………….73

شکل4-13 نمودار تغییرات تنش بر حسب تعداد سیکل به ازای تنش 110 مگا پاسکال برای لایه چینی [0/90]_S GFRP…………………………………………………………………………………………………………………………………………….73

شکل4-14 نمودار تغییرات تنش بر حسب تعداد سیکل به ازای تنش 135 مگا پاسکال برای لایه چینی [0/90]_SGFRP…………………………………………………………………………………………………………………………………………….74

شکل4-15 نمودار تغییرات تنش بر حسب تعداد سیکل به ازای تنش 150 مگا پاسکال برای لایه چینی [0/90]GFRP………………………………………………………………………………………………………………………………………………..74

شکل4-16 نمودار تغییرات تنش بر حسب تعداد سیکل به ازای تنش 165 مگا پاسکال برای لایه چینی [0/90]_S GFRP…………………………………………………………………………………………………………………………………………….75

شکل4-17 نمودار تغییرات تنش بر حسب تعداد سیکل به ازای تنش 190 مگا پاسکال برای لایه چینی [0/90]_SGFRP……………………………………………………………………………………………………………………………………………..75

شکل4-18 نمودار تغییرات تنش بر حسب تعداد سیکل به ازای تنش 220 مگا پاسکال برای لایه چینی [0/90]_S GFRP…………………………………………………………………………………………………………………………………………….76

شکل4-19 نمودار تغییرات تنش بر حسب تعداد سیکل به ازای تنش 250 مگا پاسکال برای لایه چینی [0/90]_SGFRP…………………………………………………………………………………………………………………………………………….76

شکل 4-20 نمودار تغییرات تنش بر حسب تعداد سیکل را به ازای تنش اعمالی 110 مگا پاسکال برای لایه چینی [0/90]_SKevlar/epoxy…………………………………………………………………………………………………………………….77

شکل 4-21 نمودار تغییرات تنش بر حسب تعداد سیکل را به ازای تنش اعمالی 90 مگا پاسکال برای لایه چینی [0/90]_SKevlar/epoxy…………………………………………………………………………………………………………………….77

شکل 4-22 نمودار تغییرات تنش بر حسب تعداد سیکل را به ازای تنش اعمالی 70 مگا پاسکال برای لایه چینی [0/90]_SKevlar/epoxy……………………………………………………………………………………………………………………..78

شکل 4-23 نمودار تغییرات تنش بر حسب تعداد سیکل را به ازای تنش اعمالی 50 مگا پاسکال برای لایه چینی [0/90]_SKevlar/epoxy……………………………………………………………………………………………………………………..78

شکل 4-24 نمودار تغییرات تنش بر حسب تعداد سیکل را به ازای تنش اعمالی 40 مگا پاسکال برای لایه چینی [0/90]_S Kevlar/epoxy……………………………………………………………………………………………………………………..79

شکل4-25 نمودار تغییرات تنش بر حسب تعداد سیکل به ازای تنش اعمالی110  مگا پاسکال برای لایه چینی IM779-06[0/90]_S …………………………………………………………………………………………………………………………..79

شکل 4-26 نمودار تغییرات تنش بر حسب تعداد سیکل به ازای تنش اعمالی 90 مگا پاسکال برای لایه چینیIM779-06[0/90]_S …………………………………………………………………………………………………………………………..80

شکل 4-27 نمودار تغییرات تنش بر حسب تعداد سیکل به ازای تنش اعمالی70 مگا پاسکال برای لایه چینیIM779-06[0/90]_S…………………………………………………………………………………………………………………………..80

شکل 4-28  نمودار تغییرات تنش بر حسب تعداد سیکل به ازای تنش اعمالی  40مگا پاسکال برای لایه چینی IM779-06[0/90]_S …………………………………………………………………………………………………………………………..81

 

 

فهرست جداول

 

جدول 3-1  خواص مکانیکی ماده کامپوزیتی تک جهته اپوکسی گرافیت AS4/3501-6 …………………………59

جدول 4-1 خواص مکانیکی مواد……………………………………………………………………………………………………………………70

جدول4-2 ثوابت A وm برای مواد مختلف………………………………………………………………………………………………..70