بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله به بررسی تحلیلی و عددي میزان تاثیر درصد حجمی الیاف بر استحکام نهایی کامپوزیت،ماتریس ،الیاف و توزیع تنش بر روي آنها در یک ماده کامپوزیت پلی پروپیلن با الیاف کربن 1.5 و 15 درصد پرداخته شده است نتایج تجربی و تحلیلی نشان میدهد که افزایش کسر حجمی الیاف، نسبت بارتحملی الیاف و در نتیجه کل بار تحمل شده توسط کامپوزیت را افزایش میدهد. و همچنین تقویت زمینه با استفاده از الیاف کربنی ، مقادیر کرنش ها را کاهش داده و سبب افزایش مقاومت کششی و چقرمگی شکست می گردد.
تحلیل اجزاي محدود نشان می دهد که توزیع تنش در قطعه کامپوزیتی در امتداد الیاف به شدت به درصد حجمی الیاف مصرفی وابسته می باشد.و افزایش درصد حجمی الیاف از 1.5٪ به 15٪ منجر به کاهش ماکزیمم تنش در طول الیاف مرکزي می شود.و همچنین با افزایش درصد حجمی الیاف رفتار توزیع تنش از حالت سهمی گون به حالت ذوزنقه اي در می آید.
همانطور که انتظار می رفت این نتایج ،همسان با نتایج سایر پژوهش ها براي کامپوزیت ها پلیمري می باشد.و نیز نتایج بدست آمده از این تحقیق با برخی نتایج تجربی مورد مقایسه قرار گرفته و اطمینان حاصل شد که پیش بینی هاي حاصل از این روش از دقت لازم و مطلوبی برخوردار است.همچنین نتایج استخراج شده نشان می دهد که حل عددي،روشی بسیار سریع و آسان به منظور پیش بینی دقیق رفتار مکانیکی کامپوزیتهاي تولید شده با الیاف می باشد.
-1مقدمه
به طور کلی یک ماده ي کامپوزیت ترکیبی است از تقویت کننده - - Reinforcer - الیاف ، ذرات ، ورق پوسته اي و یا پر کننده ها - که در زمینه - - Matrix - پلیمر ، فلز و یا سرامیک - فرو رفته باشد. زمینه تقویت کننده را نگه می دارد تا فرم مورد نیاز تشکیل شود، در حالیکه تقویت کننده، خواص مکانیکی کلی زمینه را بهبود می بخشد. اگر طراحی مناسب باشد، ماده ي ترکیبی جدید ،خواص بهتري را از ماده ي ترکیب شده ي قبلی نشان می دهد. تقویت کننده ها را تقریبا می توان به سه دسته الیاف، ذرات و ویسکرها تقسیم کرده که هر یک کاربرد منحصر به فرد دارند. جزء مقاوم کننده می تواند شیشه ، کربن ، سرامیک و حتی فلز باشد
با توجه به افزایش تقاضا براي کامپوزیتهاي زمینه پلیمري پژوهشهاي گسترده اي براي شبیه سازي رفتار مکانیکی این نوع کامپوزیتها انجام شده است.با استفاده از شبیه سازي کامپیوتري می توان توزیع تنش در الیاف و ماتریس را بدست آورد.براي درك بهتر از نقش درصد وزنی الیاف کوتاه روي شکست قطعه،لازم است این توریع براي الیاف و ماتریس بدست آید و مورد بررسی قرار گیرد.پژوهش هاي انجام شده بر روي مکانیزم شکست و تسلیم ماده مرکب نشان می دهد که نقطه آغاز شکست را با این روشها می توان پیش بینی کرد.
در بسیاري از کامپوزیتهاي پلیمري تقویت شده با الیاف،شکست در ماتریس پلیمر و در انتهاي لیف آغاز می شود. افزایش درصد حجمی الیاف باعث افزایش مقاومت در مقابل شکست،چقرمگی و مدول الاستیسته کامپوزیت می شود .[4]میزان درصد حجمی الیاف در کامپوزیتها تا حد زیادي تابع فرآیند تولید آنها می باشد.
بکار بردن الیاف با قطر نازکتر سطح تماس بیشتري را ایجاد می کندو به بهتر توزیع نیروها در نقاط تماس ماترس و الیاف می انجامد.[6]ومعمولا کامپوزیتها به گونه اي طراحی می شوند،که بیشترین نیرو را در راستاي طول خود تحمل کنند،این موضوع موجب دستیابی به کمترین مقدار مصرف مواد اولیه در جهتی که قطعه نیروي کمتري تحمل می کند.و یا اصلاٌ نیرویی بر آن وارد نمی شود خواهد شد
توزیع تنش ناشی از کشش محوري در الیاف و ماتریس به عوامل متعددي مانند،ابعاد کلی قطعه کامپوزیتی،شکل ماتریس و الیاف بکار رفته،مشخصات مواد بکار رفته،شرایط مرزي،ترتیب چیدمان الیاف در ماتریس،مقدار بار وارد شده به قطعه،درصد حجمی الیاف بکار رفته و عوامل دیگر بستگی دارد.به همین دلیل تخمین توزیع تنش در ماتریس و الیاف قطعات کامپوزیتی بسیار پیچیده و مشکل می باشد
روش حل عددي که اجزاء محدود زیر مجموعه آن می باشد،یکی از پر کاربردترین روشهاي مورد استفاده در مطالعه و بررسی چنین مسایلی است.شبیه سازي رفتار مکانیکی کامپوزیتها را می توان به روش حل عددي انجام داد،که برخلاف روش آزمایشگاهی کم هزینه و در زمان کمتري انجام می گیرد.
پژوهشگران رویکردهاي متفاوتی بر اساس مکانیزم ماکرو در زمینه استفاده از اجزاء محدود بعنوان یک ابزار شبیه ساز،براي پیش بینی رفتار مکانیکی ،بنا نهاده اند .که می توان به بررسی ارتباط مقاومت کامپوزیت با اندازه شکل و توزیع تقویت کننده اشاره کرد
بررسی مکانیزم تغییر شکل الیاف کوتاه نشان می هد که تنش هاي پسماند بوجود آمده در قطعه کامپوزیتی به خواص حرارتی الیاف و ماتریس وابستگی شدیدي دارد.مطالعاتی براي بدست آوردن خواص الاستیک و تخمین مدول کامپوزیتهاي الیاف کوتاه با روشهاي مختلف انجام شده است.نتایجنشان می دهد که،مدول یانگ این کامپوزیتها شدیداٌ به درصد حجمی الیاف وابسته می باشد.
در این پژوهش ،توزیع تنش و شکست مکانیکی براي کامپوزیت پلی پروپیلن با الیاف کربن در امتداد طول الیاف با استفاده از روش تحلیل عددي بدست آمده است.در این راستا از یک المان دو بعدي متقارن محوري نرم افزار ABAQUS براي شبیه سازي و بررسی توزیع تنش در الیاف و ماتریس کامپوزیت مورد نظر کمک گرفته شده است.و نتایج حاصل از آن با نتایج تحلیلی مقایسه و راست آزمایی آنها بررسی شده است.
. 2 انواع روشهاي بررسی رفتار میکرو مکانیک در ماده مرکب:
- 1 روش مکانیک مواد
- 2 روش الاستیسته
روش مکانیک مواد - مقاومت مواد - ،به بررسی رفتار سیستم هاي مکانیکی با استفاده از مفاهیم معمولی که با فرضیات زیادي ساده شده اند،می پردازد.
روش الاستیسته ،حداقل از سه جنبه مورد بررسی قرار می گیرد که عبارتتد از اصول چسباندن،راه حل هاي دقیق و راه حل هاي تقریبی می باشد.تمام این روشها نسبت به مکانیک مواد،با قوانین فیزیکی - تعادل،پیوستگی تغییر شکل و سازگاري آن و ارتباطات تنش – کرنش - مطابقت بیشتري دارند.
- 1-2 فرضیات ،در بررسی رفتار میکرو مکانیک درماد مرکب:
- 3 الیاف بصورت یکنواخت داخل ماتریس توزیع شده اند.
- 4 اتصال و چسبندگی کامل بین الیاف و ماتریس برقرار است.
- 5 ماتریس هیچگونه حبابی ندارد.
- 6 بارهاي اعمالی بصورت موازي یا عمود بر جهت الیاف می باشند.
- 7 لایه هاي کامپوزیتی عاري از هرگونه تنش اولیه می باشند.
- 8 الیاف و ماتریس بصورت مواد الاستیک خطی رفتار می کنند.
- 2-2 بارگذاري طولی کششی
در این حالت، بارگذاري کششی در جهت الیاف به لایه کامپوزیتی طبق شکل 1 اعمال میشود.به دلیل فرض چسبندگی کامل بین الیاف و ماتریس، کرنش طولی ماتریس و الیاف برابر میشود - مدل هم کرنشی - .
شکل :1 بارگذاري کششی در جهت الیاف
چون الیاف و ماتریس هم کرنش هستند و با توجه به آنکه مدول الاستیک الیاف بسیار بزرگتر از ماتریس است ، لذا تنش بوجود آمده در الیاف بسیار بیشتر از ماتریس بوده و عمده بار به دوش الیاف است.
طبق مدل هم کرنشی، مدول الاستیک طولی کششی براي کامپوزیت بصورت زیر است:
که در این رابطه E L , E f ,V f , E m مدول هاي الاستیک ماده مرکب،الیاف،ماتریس و درصد حجمی الیاف می باشند
بدلیل اینکه مدول الیاف بزرگتر از مدول ماتریس است - - Ef Em بنابراین مدول الاستیک طولی رابطه خطی با کسر حجمی داشته و بیشتر تحت تاثیر مدول الاستیک الیاف است.
