بخشی از مقاله
خلاصه
روش آنالیز مودال بر پایه تغییر فرکانسهای طبیعی جهت عیبیابی سازههای مختلف از جمله کامپوزیتها میتواند موثر باشد. در این مقاله تحلیل دینامیکی ورق کامپوزیتی بر اساس روش عددی اجزای محدود انجام میگیرد و فرکانس های طبیعی در مودهای خاص به ازای مدلهای مختلفی از خرابی بین لایهای شامل اندازه و موقعیت منطقه با جدایی بین لایه ای بدست می آید. در تحلیل اجزای محدود، ورق کامپوزیتی 8 لایه به صورت سهبعدی و با درنظر گرفتن المانهای شش وجهی آجری مدل می شود. برای تحلیل جدایی بین لایهای از قابلیتهای نرمافزار آباکوس برای مدلسازی استفاده میشود. نتایج عددی حاصل از تحلیل اجزای محدود با دادههای عددی و تجربی دردسترس مورد مقایسه و اعتبارسنجی قرار میگیرد. مقایسه صورت گرفته نشان دهنده تطابق خوب نتایج حاضر با تحقیقات پیشین است.
کلمات کلیدی: ورق لایهای کامپوزیتی ضخیم، جدایی بین لایهای، تحلیل مودال اجزای محدود
مقدمه
مود اصلی خرابی1 برای کامپوزیتهای چندلایه، جدایی در امتداد فصل مشترک لایهها میباشد که اصطلاحا جدایی بینلایهای2 نامیده میشود. این نوع خرابی با تنشهای بینلایهای تحریک شده و بهدلیل تغییر پارامترهایی نظیر تاثیر گوشه و لبه آزاد3، ناپیوستگیهای ساختاری، آسیب4های موضعی در حین ساخت و در شرایط کاری مثل ضربه ناشی از سقوط اشیاء، سوراخکاری در هنگام ساخت، تغییرات رطوبت و دما و مکانیزمهای داخلی شکست همچون ترکهای زمینه5، رشد میکند.
این عیب می تواند استحکام استاتیکی و یکپارچگی ساختاری ماده مرکب را کاهش دهد و باعث تغییر در خصوصیات فیزیکی ماده مرکب شده و معمولا روی توزیع جرم اثری نمی گذارد، اما سفتی ساختاری را کاهش داده و منجر به تغییر پارامترهای مودال از جمله کاهش فرکانس طبیعی آن میشود که نهایتا این امر کاهش عمر سازه را بههمراه دارد. پیشبینی خصوصیات مکانیکی سازههای مختلف با خرابی بین لایهای همواره مورد توجه بوده است .
به طور کلی بررسی خصوصیات مکانیکی شامل روشهای تحلیلی، عددی، آزمایشگاهی و ترکیبی از این موارد میباشد. پیشبینیهای تحلیلی پیرامون پدیده جدایی بین لایهای با بررسی پارامترهای خرابی تحت شرایط مختلف بارگذاری آغاز شد . معمولا برای پیبردن از صحت پیشبینی روشهای تحلیلی، آنها را با داده های آزمایشگاهی مقایسه میکنند. پیک و اسپرینگر ورقهای کامپوزیتی چند لایه با جدایی بین لایهای را تحت بارگذاریهای مختلف حرارتی، برشی و فشاری مورد بررسی قرار دادند .
در سال 1995هئو و همکارانش معیاری را برای جدایی بین لایهای در هر سه مود خرابی پیشنهاد دادند . در بسیاری از حالات بدست آوردن یک حل تحلیلی دقیق برای مواد چندلایه مشکل بهنظر میرسد. در این مواقع روش المان محدود میتواند ابزار مناسبی برای تشخیص عیب باشد در تحلیلهای کاملا سهبعدی هر لایه با المانهای آجری و یا المانهای متقارن محوری همگن و مواد ارتوتروپ مدل شده است. در برخی موارد برای مدلسازی کامپوزیتهای چندلایه، برای جلوگیری از نفوذ لایهها بهم از المانهای تماسی و فنرهای مجازی استفاده شده است.
در سال 2003 لئو3 و همکارانش از المان ورق و تئوری لایروایز4 برای مدلسازی جدایی بین لایهای در ورق کامپوزیتی استفاده کردند. این مدل به صورت دو بعدی برای المان ورق تعریف شد . محققان بسیاری با استفاده از تکنیک های مبتنی بر ارتعاشات و تستهای غیرمخرب، به شناسایی خرابی در ورقهای کامپوزیتی چندلایه پرداختهاند . شناسایی خرابی در این نوع از مواد و سازهها به پیشبینی یا تخمین رفتارهای دینامیکی یا مکانیکی برای حالتهای سالم و معیوب دارد .
پس از اینکه سانکار با روش المان محدود یک تیر با جدایی بین لایهای را بهصورت دو زیرلایه مدلسازی نمود، ریکارد مدل وی را برای تیر ساندویچی و یک ورق بدون جدایی بین لایهای توسعه داد ، بهطوریکه هر لایه بهصورت یک تیر ساده تیموشنکو درنظر گرفته شده است. بعدها گابلرب تغییر پارامترهای مودال تیر با جدایی بین لایهای را برای شرایط مرزی مختلف بررسی نمود . چاندراشخارا و همکارانش مدلی را برای تیر کامپوزیتی ضخیم ارائه دادند.
در سال 2004 یام و همکارانش مدلی را برای حل ورق کامپوزیتی ضخیم چندلایه بر اساس مفاهیم المان محدود ارائه کردند. در این مدل برای جلوگیری از نفوذ لایهها بهم در نواحی شامل جدایی بین لایهای از فنرهای مجازی استفاده شده است.النفائی در سال 2009 به کمک روش المان محدود مدلی مشابه مدل یام و همکارانش را ارائه کرد. در مقاله حاضر از مدل تقریبی یام و همکارانش برای پیشبینی خرابی بین لایهای استفاده شده است. برخلاف مدل هایی که برای تحلیل خرابی در تیرها به صورت دو بعدی استفاده میشود، این مدل کاملا سه بعدی است. پس از آن شبیهسازی پدیده جدایی بین لایه ای در ورق های کامپوزیتی و تاثیر عواملی چون اندازه، خروج از مرکزی و موقعیت منطقه با جدایی بین لایهای روی فرکانس های طبیعی توصیف میشود.
برای شبیه سازی جدایی بین لایه ای ورق کامپوزیتی از نرمافزار آباکوس استفاده میشود. همچنین در مناطق با جدایی بین لایهای جهت جلوگیری از نفوذ پذیری لایهها، المانهای فنر مجازی موجود در نرمافزار آباکوس بکار رفته است. ورق کامپوزیتی به صورت 8 لایه، سه بعدی و با المانهای ضخیم شش وجهی آجری مدل شده است. همچنین تاثیر تغییر شکل برشی عرضی در مدلسازی ورق کامپوزیتی لحاظ شده است.
شبیهسازی پدیده جدایی بین لایهای
نمونهای از ورق کامپوزیتی چند لایه با جدایی بین لایهای داخلی در شکل 1 نشان داده شده است. در اینجا فرض شده است که منطقه جدایی بین لایهای بین دو زیر لایه1 که زیر لایههای بالایی 2 و پایینی3 ورق کامپوزیتی نامیده می شوند، واقع شده است. برای اینکه پیوستگی ماده کامپوزیتی حفظ شود، جابهجایی و تغییرات هر جفت گره مماس روی زیر لایههای بالا و پایین ورق چند لایه یکسان در نظر گرفته شده است. این تغییرات در منطقهای که جدایی بین لایهای اتفاق افتاده است، یکسان نمی باشد. برای شبیهسازی وضعیت واقعی جدایی بین لایهای، یک لایه چسبناک4 بسیار نازک بین زیر لایههای بالا و پایین قرار داده شده است.
هندسه ورق کامپوزیتی چندلایه با جدایی بین لایهای
نکته بسیار مهم این است که وقتی ورق چند لایه در حالت جدایی بین لایهای حرکت میکند، از نظر فیزیکی غیر ممکن است که زیر لایههای بالا و پایین به یکدیگر نفوذ5 نکنند. بنابراین برای جلوگیری از نفوذپذیری گرهها در مناطق مذکور از المانهای مجازی6 به صورت فنر استفاده شده است.
