بخشی از مقاله
چکیده
هدف اصلی این مقاله بررسی و تحلیل چگونگی شروع و پیشرفت شکست در اتصالات مکانیکی کامپوزیت هاي سه بعدي چند راستا می باشد. ساختار داخلی این کامپوزیت ها از یک طرف به دلیل وجود الیاف عمودي سه بعدي بوده و از طرف دیگر به دلیل وجود حفره هاي رزین ناهمگن می باشد. در این مقاله، از یک مدل المان محدودِ ترکیبی - مِسو- ماکرو - 2 جهت بررسی شکست استفاده شده است. این مدل قابلیت محاسبه تنش در الیاف درون صفحه اي، حفره هاي رزین و الیاف عمودي را دارا می باشد.
براي بررسی شکست در این اجزا از تئوري هاي شکست هشین-تایپ3، کریستنسن و ماکزیمم تنش استفاده شده است. یک برنامه به زبان فرترن به مدل المان محدود متصل شده است که در هر گام آنالیز شاخص هاي شکست را محاسبه کرده و در صورت تشخیص شکست و متناسب با نوع شکست، تغییرات لازم را در خواص مواد ایجاد کرده و آنالیز به گام بعدي پیش خواهد رفت. نتایج، چگونگی شروع و پیشرفت شکست را در نزدیکی محل تماس و همچنین نواحی دورتر از محل تماس نشان می دهد.
واژه هاي کلیدي المان محدود، کامپوزیت سه بعدي، شکست، اتصالات مکانیکی
مقدمه
کاربرد کامپوزیت هاي سه بعدي با توجه به مزیت هایی که نسبت به کامپوزیت هاي بافته شده5 دارند، در صنایع دریایی، هوایی و ... در حال افزایش است. یکی از انواع کامپوزیت هاي سه بعدي، کامپوزیت هاي چند راستا می باشند .در این کامپوزیت ها لایه ها بصورت تک جهته روي یکدیگر قرار می گیرند و الیاف عمودي با عبور از ضخامت، آنها را به هم متصل می سازد . مزیت اصلی آنها از یک طرف مربوط به مستقیم بودن الیاف لایه ها بوده که با کاهش ضریب تمرکز تنش در اطراف دسته هاي الیاف باعث افزایش استحکام آنها می گردد.
از طرف دیگر با وجود الیاف عمودي در جهت ضخامت استحکام آنها در برابر جدایش لایه ها بیشتر می باشد. با این وجود عبور الیاف عمودي از ضخامت باعث پدید آمدن حفره هایی در ساختار داخلی شده است که پس از اعمال رزین به کامپوزیت نواحی بدون الیاف یا حفره هاي رزین را تشکیل می دهند. با توجه به موارد فوق، کامپوزیت هاي چند راستا داراي یک ساختار سه بعدي، ناهمگن و غیرایزوتروپیک می باشند که تحلیل رفتار مکانیکی آنها را پیچیده می کند.
تحقیقاتی که در زمینه بررسی استحکام و شکست کامپوزیت هاي چند راستا انجام شده، عموماً به ابعاد مِسو محدود گردیده است و ژاو و همکارانش با استفاده از یک مدل المان محدود دو بعدي شکست را در اثر بار کششی در سلول واحد مورد بررسی قرار داده اند. سرپس و همکارانش به تحلیل شکست در اتصالات π شکل در کامپوزیت هاي چند راستا پرداخته اند. در این مقاله لایه هاي کامپوزیت چند راستا بصورت تک جهته در نظر گرفته شده و از اثرات حفره هاي رزین صرف نظر شده است.
این مدل قابلیت درنظر گرفتن ساختار سه بعدي، ناهمگن و غیرایزوتروپیک کامپوزیت هاي چند راستا را دارا می باشد. این مدل در اطراف محل تماس در ابعاد مِسو و در نواحی دورتر از محل تماس در ابعاد ماکرو ایجاد شده است. مزیت مهم این مدل محاسبه تنش در الیاف درون صفحه اي، حفره هاي رزین و الیاف عمودي بوده که امکان اعمال تئوري شکست مناسب به هر یک را فراهم می سازد. یک برنامه به زبان فرترن نوشته شده و به مدل متصل شده است.
این برنامه در هر گام آنالیز تنش ها را به عنوان ورودي دریافت کرده و نسبت به محاسبه شاخص هاي شکست در الیاف درون صفحه اي، حفره هاي رزین و الیاف عمودي اقدام می کند. این مدل، بار شکست، محل شروع شکست و همچنین چگونگی پیشرفت شکست را با افزایش بار نشان می دهد.
خواص مکانیکی ماکروسکوپیک
سلول واحد: جهت محاسبه خواص مکانیکی ماکروسکوپیک - ثابت هاي الاستیک معادل - یک سلول واحد از کامپوزیت پیشرفته چند راستا انتخاب شده است. یک مدل المان محدود سه بعدي از سلول واحد با استفاده از نرم افزار آباکوس ایجاد گردیده است در این مدل از المان هاي سه بعدي 8 گره اي از نوع جامد7 استفاده شده است. الیاف عمودي با استفاده از المان سه بعدي 2 گره اي از نوع تیر8 در روي سطح لایه و همچنین در راستاي ضخامت مدل سازي شده است.
مدل المان محدود
مش بندي: جهت محاسبه دقیق تر تنش هاي ناشی از تماس، مدل المان محدود در اطراف ناحیه تماس در ابعاد مِسو ایجاد شده و در نواحی دورتر از محل تماس جهت کاهش زمان محاسبات در ابعاد ماکرو ایجاد شده است. ثابت هاي الاستیک معادل بدست آمده از سلول واحد براي قسمت ماکرو بکار برده شده اند. در این مدل از المان هاي سه بعدي 8 گره اي از نوع جامد استفاده شده است. ابعاد المان ها در نواحی نزدیک به محل تماس کوچکتر شده است. با توجه به اینکه افزایش بار تا حد شکست ادامه دارد و مقدار جابجایی در المان ها زیاد می باشد، آنالیز اتصال بصورت غیرخطی انجام شده است.
مدل المان محدود اتصال
شکست:شبیه سازي شکست در مواد عموماً از طریق کاهش ثابت هاي الاستیک به مقادیر کوچکتر صورت می گیرد. در کامپوزیت هاي چند راستا باید شاخص هاي شکست در الیاف درون صفحه اي، حفره هاي رزین و الیاف عمودي بصورت جداگانه مورد محاسبه قرار گیرد و در نقاطی که شکست تشخیص داده شود، ثابت هاي الاستیک مربوطه کاهش یابد. در این مقاله براي بررسی شکست در الیاف درون صفحه اي از تئوري شکست هشین - تایپ استفاده شده است. با توجه به تفاوت استحکام فشاري و کششی رزین، جهت بررسی شکست در حفره هاي رزین از تئوري شکست کریستنسن استفاده شده است.
تئوري هاي شکست فوق در قالب یک برنامه به زبان فرترن نوشته شده و به مدل المان محدود متصل گردیده است در ابتداي هر گام آنالیز، مقادیر تنش المان ها در گام قبلی به عنوان ورودي در برنامه فراخوان شده و شاخص هاي شکست در الیاف درون صفحه اي، حفره هاي رزین و الیاف عمودي با توجه به مقادیر استحکام آنها مورد محاسبه قرار می گیرداگر شاخص شکست در هر المان برابر یا بزرگتر از 1 شود، ثابت هاي الاستیک مربوطه با توجه به روند نشان داده شده 10% مقدار اولیه کاهش خواهند یافت و آنالیز به گام بعدي خواهد رفت.
نتایج عددي
نیروي وارده به ورق بصورت تدریجی افزایش داده شده است. با توجه به تقارن، نتایج براي لایه اول و دوم نشان داده شده است. تمامی مود هاي شکست بجز شکست نرمال در کشش و شکست فایبر در فشار بطور همزمان در دو لایه شروع می شوند. با افزایش بار به 1/2 kN، اولین مود شکست که شکست ماتریس در فشار می باشد رخ می دهد. دلیل اصلی این مود شکست فشار ناشی از تماس بین ورق و پین می باشد. این مود در لایه هاي -45˚ و 45˚ به ترتیب در اطراف θ= 45˚ و θ= - 45˚ شروع شده و پیشرفت می کند. پس از آن در بار 1/3 kN شکست ماتریس در کشش رخ می دهد.
این مود در لایه هاي -45˚ و 45˚ به ترتیب در اطراف -45˚ θ= و θ= 45˚ شروع شده و پیشرفت می کند. در این بار همچنین مود هاي شکست نرمال در کشش و فشار آغاز می گردند. این مود ها با توجه به اینکه بار اعمالی به ورق بصورت درون صفحه اي می باشد، پیشرفت چندانی ندارند. وقتی که بار اعمالی به 1/5 kN می رسد، شکست فایبر در کشش و همچنین شکست برشی فایبر- ماتریس رخ می دهد.
