بخشی از مقاله
تحليل تجربي سرعت بالستيک ضربه بر روي کامپوزت هاي ترکيبي
در اين پژوهش يک مطالعه تجربي ضربه سرعت بالا در ورق هاي چند لايه متشکل از کامپوزيت ترکيبي نمونه هاي سه لايه شيشه - اپوکسي [٠.٤٥.٩٠]، دو لايه شيشه - اپوکسي [٠.٩٠]، الياف کربن و آلومينيوم براي به دست آوردن سرعت حد بالستيک انجام شده است . همچپنين ٢ آزمايش کشش ساده با سرعت ١ ميلي متر بر دقيقه براي سه لايه شيشه - اپوکسي [٠.٤٥.٩٠] و دو لايه شيشه - اپوکسي [٠.٩٠] انجام شده است . نمونه ها طبق استاندارد آزمايش کشش ساخته شده و در دستگاه آزمون کشش ساده قرار گرفتند. از آزمايش کشش ساده پارامترهاي مدول يانگ ، نيروي گسيختگي، تغيير طول گسيختگي، تنش و کرنش گسيختگي به دست آمده است . همچنين ٢٣ نمونه آزمايش ضربه سرعت بالا براي چينش هاي مختلف ترکيب نمونه هاي کامپوزيتي سه لايه شيشه - اپوکسي [٠.٤٥.٩٠]، دو لايه شيشه - اپوکسي [٠.٩٠]، الياف کربن و آلومينيوم با دو هندسه مختلف پرتابه يکي نوک مخروطي با زاويه ٣٧ درجه و ديگري نوک کروي صورت گرفته است . روش ساخت نمونه کامپوزيتي دو لايه شيشه - اپوکسي [٠.٤٥.٩٠] توضيح داده شده است . در اين پژوهش اثر تغييرات چينش و همين طور تغييرات هندسه پرتابه در مطالعه سرعت حد بالستيک مورد بررسي قرار گرفته است . نتايج نشان داده است که بيشترين سرعت بالستيک مربوط به سه لايه شيشه - اپوکسي [٠.٤٥.٩٠] با سرعت بالستيک ٢١٨,٢ متر بر ثانيه و کمترين سرعت بالستيک مربوط به کامپوزيت با لايه اول آلومينيوم و لايه دوم شيشه - اپوکسي [٠.٩٠] با سرعت ٧٦ متر بر ثانيه بوده است .
واژگان کليدي: کامپوزيت ، آزمايش کشش ساده ، ضربه سرعت بالا، سرعت بالستيک .
مقدمه
مقاومت در برابر ضربه يکي از خواص کليدي و اصلي مواد است که توان ايستادگي ماده را در مقابل ضربات ناگهاني و پايداري يا عدم پايداري آن را در کاربردهاي خاص تعيين ميکند. ضربه پذيري، توانايي ماده در مقابل شکست تحت نيروي ناگهاني يا توانايي مقاومت شکست تحت تنش اعمال شده با سرعت زياد است . استفاده از مواد مرکب براي طراحي زره هاي سبک به منظور ممانعت از آسيب پرتابه ها نيز مورد توجه پژوهشگران علم ضربه و نفوذ قرار دارد. دانش حرکت اجسامي است که تحت تأثير جاذبه زمين و شرايط اتمسفر شليک و يا پرتاب مي شوند بالستيک گويند. حرکت موشک و راکت از اين نوع مي باشد.براي يک جسم ضربه زننده و يک جسم ضربه خورنده ، دانستن آنکه حداقل سرعت ضربه اي که منجر به فرورفتگي کامل مي شود، بسيار حائز اهميت است . چنين سرعتي معمولا حد پرتاب يا حد بالستيک ناميده مي شود [١-٦].
بالانگسان و همکارانش [٧] جذب انرژي و حد بالستيک در ورق نانوکامپوزيتي در معرض بارگذاري ضربه را بررسي کردند. ورقه کامپوزيتي ساخته شده از شيشه . اپوکسي با و بدون پرکننده نانو، در معرض ضربه پرتابه قرار گرفتند. ورقه هاي کامپوزيتي توسط دست و با فرآيند هاي ريخته گري تحت فشار آماده شدند . ورق از الياف شيشه اي بافته شده و رزين اپوکسي ساخته و نانو خاک رس نيز در آن استفاده شد . نوع پرتابه اي که در دستگاه اسلحه گازي استفاده مي شود نوک گوي مانند (کروي) با قطر ٩.٥ ميلي متر و جرم ٧.٦ گرم بود که روي ورقه نانوکامپوزيتي در سرعت ضربه در محدوده حد بالستيک آنها و بالاتر پرتاب شد. انرژي جذب شده در خلال نفوذ و محدوده هاي بالستيک در ورقه نانوکامپوزيت به دو صورت تجربي و تحليلي مورد بررسي قرار گرفتند . خواص مکانيکي مانند مدول کششي ، تابع تنش کرنش ، مدول برشي و سرعت آزاد انرژي کرنش به عنوان ورودي به مدل تحليلي مورد استفاده قرار گرفت .
اولووين و همکارانش [٨] اثر شکل پرتابه در خلال سوراخ هاي بالستيک وارتام در پانل هاي کامپوزيت کربن . اپوکسي را بررسي کردند. استفاده از کامپوزيت کربن . اپوکسي در هواپيما ، زير دريايي و برنامه هاي کاربردي ساختاري خودرو در حال افزايش است . ساخت کامپوزيت هاي محکم با استفاده از روش هاي کم هزينه به منظور تحمل بار هاي ضربه مختلف با سرعت بالا بسيار حائز اهميت است . نمونه اي از يک فرآيند کم هزينه out-of-autoclave قالب ريزي رزين به کمک خلا با استفاده از تکنيک VARTM است . پژوهش حاضر به بررسي سوراخ و آسيب ايجاد شده توسط هندسه پرتابه در VARTM ورقه هاي کربن . اپوکسي است . يک سري از آزمايشات ضربه بالستيک در بافت کربن . اپوکسي انجام شده است
. ورق با ضخامت ٣.٢ و ٦.٥ ميلي متر، با هندسه نوک پرتابه نيم کره ، مخروطي ، قطعه شبيه سازي و مسطح از يک اسلحه گازي با کاليبر ٥٠ براي شکل هاي مختلف پرتابه استفاده شده است . مکانيسم سوراخ ، حد بالستيک و آسيب درهر يک از ورقه ورقه مورد مطالعه قرار گرفت . تاثيرشکل پرتابه در VARTM ورقه کربن . اپوکسي تحت ضربه با سرعت بالا به دنبال پيش بيني تحليلي توسط ون انجام شد . پرتابه مخروطي شکل در بالاترين حد بالستيک و به دنبال آن صاف سپس نيم کره و نهايتا قطعه شبيه سازي شده قرار گرفتند.
سوکت [٩] روش تجربي و عددي براي محاسبه سرعت حد بالستيک بافته شده در تيرهاي کامپوزيت را بررسي کرد. او در اين مقاله يک مطالعه تجربي و عددي براي تخمين سرعت حد بالستيک ، V٥٠، روي دو دو نوع کامپوزيت با استفاده از تفنگ گاز با سرعت بالا انجام شده . سپس با استفاده از سه روش تست تجريي، ترکيب آزمون تجربي و عددي و FE کد محاسبه سرعت باقيمانده و FE کد محاسبه انرژي باقيمانده براي هردو نوع تير را انجام داد . پارامتر هاي شناخته شده ي لامبرت -جونز نيز محاسبه شد و نتايج حاصل از کار تئوري و کار تجربي او تقريبا يکسان بدست آمد براي هر تير سرعت هاي بالستيک و سرعت هايي که به ازاي آن ها نفوذ کامل رخ مي دهد و يا اينکه گلوله با ازاي آن سرعت کمانه مي کند را بدست آورد و مشخص شد که الياف شيشه باعث افزايش چقرمگي در مقايسه با الياف گرافيت مي شود و البته اينکه الياف شيشه باعث افزايش وزن کامپوزيت است که اين يک نگراني عمده در صنعت هوافضا مي باشد . پس نتيجتا اينکه براي هر کامپوزيتي هميشه وزن و چگالي بسيار مهم مي باشد و ديگر اينکه با افزايش الياف شيشه به طور مستقيم هم وزن زياد مي شود هم سرعت حد بالستيک . مطالعات زيادي درباره نحوه تماس مابين يک فرورونده صيقلي و صفحات چندلايه صورت گرفته است از جمله [١٠, ١١].
در اين مقاله يک مطالعه تجربي ضربه سرعت بالا در ورق هاي چند لايه متشکل از کامپوزيت ترکيبي نمونه هاي سه لايه شيشه - اپوکسي [٠.٤٥.٩٠]، دو لايه شيشه - اپوکسي [٠.٩٠]، الياف کربن و آلومينيوم براي به دست آوردن سرعت حد بالستيک انجام شده است . همچپنين ٢ آزمايش کشش ساده با سرعت ١ ميلي متر بر دقيقه براي سه لايه شيشه - اپوکسي [٠.٤٥.٩٠] و دو لايه شيشه - اپوکسي [٠.٩٠] انجام شده است . نمونه ها طبق استاندارد آزمايش کشش ساخته شده و در دستگاه آزمون کشش ساده قرار گرفتند. از آزمايش کشش ساده پارامترهاي مدول يانگ ، نيروي گسيختگي، تغيير طول گسيختگي، تنش و کرنش گسيختگي به دست آمده است . همچنين ٢٣ نمونه آزمايش ضربه سرعت بالا براي چينش هاي مختلف ترکيب نمونه هاي کامپوزيتي سه لايه شيشه - اپوکسي [٠.٤٥.٩٠]، دو لايه شيشه - اپوکسي [٠.٩٠]، الياف کربن و آلومينيوم با دو هندسه مختلف پرتابه يکي نوک مخروطي با زاويه ٣٧ درجه و ديگري نوک کروي صورت گرفته است . روش ساخت نمونه کامپوزيتي دو لايه شيشه - اپوکسي [٠.٤٥.٩٠] توضيح داده شده است . در اين پژوهش اثر تغييرات چينش و همين طور تغييرات هندسه پرتابه در مطالعه سرعت حد بالستيک مورد بررسي قرار گرفته است .
٢- نحوه ساخت نمونه شيش - اپوکسي
کامپوزيت گلس اپوکسي از فيبرهاي شيشه در بستري از رزين اپوکسي تشکيل شده است .
در اين جا فرآيند ساخت کامپوزيت گلس اپوکسي همراه با تصاويرآن به شرح زير آورده شده است ، مواد لازم : پشم شيشه (الياف سوزني نمره ٣٠٠) به مقدار حدود ٥ متر مربع ، رزين ٦.٥ کيلو گرم ، هاردنر کبالت (مايع بنفش رنگ ) ١٠ سي سي به ازاي هر کيلو رزين ، واکس ، پروکسيد اسيد(مايع بي رنگ ) (خشک کن سريع که در اينجا از پروکسيد استفاده شده که باعث مي شود کامپوزيت زود تر خشک شود)، کاردک پلاستيکي يا چيزي شبيه آن که فاقد لبه ي نوک تيز باشد، فرچه رنگ آميزي (با سايز مناسب )،فرچه قرقره اي دندانه دار و قيچي کاملا نوک تيز براي برش الياف .
سطح ميز کار با استفاده از پنبه ي آغشته به واکس کاملا پوشش داده شد با اين هدف که رزين به سطح ميز کار نچسبد و در واقع کامپوزيت بعد از خشک شدن به سادگي از سطح ميز کار جدا شود.مقدار شش ونيم ٦.٥ کيلو گرم رزين که در ظرفي در بسته در نقطه اي تاريک و به دور از نم و گرد و غبار و... نگه داري شده بود در يک سطل پلاستيکي کاملا تميز ريخته شد کبالت و اسيد با نسبت هاي کملا مشخص در رزين ترکيب شد. (به ازاي هر کيلو رزين ، ده (١٠) گرم کبالت و به ازاي هر کيلو گرم رزين از پنج (٥) سي سي پروکسيد استفاده شد) هدف از افزودن کبالت با نسبت معين افزايش استحکام رزين و هدف از افزودن اسيد خشک شدن سريع تر رزين بود (شکل ١).
شکل ١: رزين اپوکسي ، بطري کبالت و بطري پروکسيد
اکنون برش اول الياف به ابعاد دلخواه در جهت محور ايکس ها روي سطح خوابانيده شد، حال با استفاده از کاردک روي سطح مالش و اندکي فشار ايجاد شد تا رزين در الياف به خوبي نفوذ کند و الياف کاملا خيس بخورد، سپس با استفاده از فرچه ي قرقره اي دندانه دار باز روي سطح کار کشيده شد، در مجموع اين مراحل با اين هدف انجام شد که اولا در حين خوابانيدن الياف با غرق شدن آن در رزين کمترين حباب ايجاد شود و ثانيا اگر هم مک يا حبابي بوجود آمد با کاردک کشي و فشار آن و قرقره زني اين حباب هاي هوا از رزين و الياف خارج شوند و ثالثا رزين کاملا به خورد الياف برود. بعد از چسباندن لايه اول حال مجددا روي سطح کار را به رزين آغشته شد باز به نحوي که خواباندن لايه دوم الياف در آن باعث غرق شدن الياف در رزين گردد ؛ حال لايه دوم الياف با چهل وپنج (٤٥) درجه زاويه نسبت به لايه اول روي کار گذاشته شد (با دقت به گونه اي که گوشه ها هم هم جهت با همين لايه دوم روي کار بنشيند) و باز هم هوا گيري و فشردن با کاردک و قرقره انجام شد.براي لايه سوم هم مشابه مراحل گذشته و با زاويه عمود بر محور ايکس ها تا بدين صورت کامپوزيت گلس اپوکسي سه لايه با الياف سه جهته صفر ، ٤٥ ، نود درجه [٠.٤٥.٩٠] آماده شد ( شکل ٢).
شکل ٢: يک نمونه کامپوزيت گلس اپوکسي سه لايه [٠.٤٥.٩٠]، برش خورده به ابعاد ٦٥*٦٥ ميلي متر مربع
٣- آزمايش کشش ساده
نمونه دو لايه کامپوزيت شيشه - اپوکسي [٠.٩٠] و سه لايه کامپوزيت شيشه - اپوکسي [٠.٤٥.٩٠] براي تست کشش آماده شد و جهت اين آزمايش بر اساس ابعاد مورد نظر برشکاري شد. نمونه پس از بسته شدن در دستگاه بوسيله فيکسچر کاملا به وسيله فک هاي هيدروليکي مهار شد. نيروي کشش طولي در جهت طول نمونه با سرعت يک ميلي متر بر دقيقه بر روي نمونه اعمال شد و تا حد گسيختگي ادامه يافت .
براي نمونه دو لايه کامپوزيت شيشه - اپوکسي [٠.٩٠] نمودار نيرو بر حسب ازدياد طول در شکل ٣ و نمودار تنش بر حسب درصد کرنش در شکل ٤ نشان داده شده است . همانطور که از اين شکل مشخص است ، مدول يانگ ٣٠٢٩.٦٢٨ مگاپاسگال به دست آمده است . شکل نهايي نمونه گسيخته شده آزمون کشش ساده در شکل ٥ نشان داده شده است . براي نمونه سه لايه کامپوزيت شيشه - اپوکسي [٠.٤٥.٩٠] نمودار نيرو بر حسب ازدياد طول در شکل ٦ و نمودار تنش بر حسب درصد کرنش در شکل ٧ نشان داده شده است . همانطور که از اين شکل مشخص است ، مدول يانگ ٣٠٣٣.٥٩٢ مگاپاسگال به دست آمده است .
شکل ٣: منحني نيرو بر حسب تغيير طول براي دو لايه شيشه - اپوکسي [٠.٩٠]
شکل ٤: منحني تنش بر حسب درصد کرنش براي دو لايه شيشه - اپوکسي [٠.٩٠]
شکل ٥: نمونه گسيخته شده آزمون کشش ساده براي دو لايه شيشه - اپوکسي [٠.٩٠] شکل ٦: منحني نيرو بر حسب تغيير طول براي سه لايه شيشه - اپوکسي [٠.٤٥.٩٠]
