بخشی از مقاله
چکیده
امروزه استفاده از مواد کامپوزیتی، به دلیل دارا بودن خواص منحصر بهفردشان نسبت به مواد همسانگرد، از جمله مقاومت و سفتیِ ویژه بالا، در صنایع گوناگون توسعه یافتهاند. یکی از موارد طراحی در ارتباط با ورقهای کامپوزیتی، بررسی استحکام آنها در برابر بارهای ضربهای ناشی از برخورد اجسام خارجی است؛ زیرا مواد کامپوزیتی در برابر بارهای ضربهای حساس میباشند. بنابراین، بررسی رفتار ورقهای کامپوزیتی در مقابل ضربه جهت افزایش مقاومت به ضربه آنها، گامی مهم در تحلیل ورقهای کامپوزیتی میباشد. نخستین مرحله در درک اثر یک ضربه توسط یک شی خارجی روی یک سازه، پیشبینی پاسخ دینامیکی سازه نسبت به این ضربه میباشد. در پژوهش کنونی، به تحلیل دینامیکی غیرخطی کمسرعت ورق کامپوزیتی تحت ضربه مرکزی پرداخته شده است.
برای این منظور از ورق کامپوزیتی به ابعاد 100 × 100 میلیمتر مربع و از جنس کربن- اپوکسی با آرایش [0/90/0/90]s استفاده شده است. برای ردگیری مناسب تغییرات زمانی، اندازه گام زمانی تحلیل در روش نیومارک، بسیار کوچکتر از پریود طبیعی اول ورق و معادل 0/05 میلیثانیه اختیار گردید. در این راستا، کدی کامپیوتری در نرمافزار متلب نوشته شدهمچنین. میزان تأثیر پارامترهایی از جمله سرعتِ ضربهزننده بر میزان جابجاییها و تنشهای ورق کامپوزیتی مورد بررسی قرار گرفته است و مدل تحلیلی ورق تحت بار متمرکز بر پایه تئوری برشی مرتبه اول ورق، جهت صحهگذاری مدل اجزاء محدود ارائه شده است.
-1 مقدمه
همگام با رشد سریع علوم و تکنولوژی در دهههای اخیر، نیاز به مواد جدیدی که مهندسان را در طراحی و ساخت سازههای مهندسی یاری کند، به شدت در جای جای صنعت احساس میشود. به طور کلی مواد مرکب از ترکیب دو یا چند ماده در مقیاس ماکروسکوپی ایجاد میشوند تا در نهایت مادهای حاصل شود که خواص مهندسی آن در مقایسه با اجزای تشکیلدهنده بهبود یابد. در ترکیب مواد در مقیاس ماکروسکوپی، اجزای تشکیلدهنده مواد مرکب ساختار مولکولی خود را حفظ میکنند و پیوند شیمیایی بین آنها ایجاد نمیشود .[1]
با وجود آنکه پژوهشهای زیادی در ارتباط با ورقهای تکلایه کامپوزیتی انجام شده است 2] و [3، تحقیقات کمتری در ارتباط با ضربه کمسرعت ورقهای چندلایه منتشر شده است. قاجار و همکاران [4] به تحلیل دینامیکی پوستههای کامپوزیتی دو انحنایی، تحت ضربه گلوله کروی کمسرعت پرداختهاند. بارلاتی [5]، مسئله ضربه کمسرعت را با یافتن پاسخهای کلی سازه، با در نظر گرفتن توزیع فشار تماس ویژه برای شبیهسازی قانون تماس هرتز بررسی نمود. ژنگ و دنگ [6]، ارتعاش غیرخطی آزاد صفحات کامپوزیتی چندلایه با خاصیت ویسکوالاستیک تحت تغییرشکلهای ناشی از تنش برشی را مورد تحقیق قرار دادند. کیم و همکارانش [7]، رفتار دینامیکی صفحات کامپوزیتی چندلایه را تحت شرایط بارگذاری از نوع جابجایی زیاد، با فرض مواد با خواص ویسکوالاستیک، بررسی نمودند.
تحلیل به صورت اجزای محدود انجام شده و روش مقایسه، برای بررسی اثر دامنههای بارگذاری زیاد بر تغییرات زیاد ایجاد شده در خواص ذاتی مواد - از جمله فرکانس طبیعی صفحات لایهای ویسکوالاستیک - در نظر گرفته شده است. یک الگوریتم عددی برای تحلیل پاسخهای دینامیکی سازههای پوسته کامپوزیتی با مواد ویسکوالاستیک ناهمسانگرد در حوزه زمان واقعی بهوسیله یی و همکارانش [8]، توسعه داده شده است. روش آنها بر مبنای اصول تغییرات و انتگرال زمانی مستقیم با استفاده از روش شتاب متوسط نیومارک است. پالازوتو و همکاران [9]، با بهکارگیری سازگاری هندسی میان سطح ضربهزننده و سطح رویه بالایی در هر لحظه از زمان و فرض هسته به عنوان تکیهگاه الاستیک، رابطه تماس ویژهای ارائه نمودند.
اکاردی و فریرو [10]، با بهکارگیری یک روش بههنگام سازی انرژی، ضربه کمسرعت ورق ساندویچی را با بهکارگیری تئوری زیگزاگ برای ورقهای رویه مدلسازی نمودند. در این زمینه، شعاع انحنای ناحیه تماس به صورت لحظهای بههنگام میگردید. هراپ و پالازوتو [11]، ضربه کمسرعت ورق ساندویچی را بر پایه تئوری ساده شده الاستیسیته مورد بررسی قرار داده و به گونهای قانون تماس هرتز را بازسازی نمودند. لی و همکاران [12]، ضربه کمسرعت ورق ساندویچی را با استفاده از تئوری ورق مندلین بررسی نمودند.
فو و همکاران [13]، از ترکیب روش موازنه انرژی و قانون بقای مومنتم برای یافتن معادلات حاکم بر ضربه کمسرعت بهره جستند. آراجو و همکاران [14]، مدل المان محدود جدیدی برای آنالیز صفحات چند لایه ساندویچی با هسته ویسکوالاستیک و رویههای کامپوزیتی چند لایه، که به عنوان حسگرهای پیزوالکتریک استفاده میگردند، ارائه نمودند. میونیر و شانوی [15] رفتار دینامیکی صفحات ساندویچی تقویت شده با هسته فوم پیویسی را بررسی نمودند. این محققان توانستند روشی تحلیلی بر پایه تئوری تصحیح شده تغییرشکل برشیمرتبه بالا رِدی، برای بررسی رفتار دینامیکی صفحات ساندویچی تقویت شده با فوم ارائه دهند.
خلیلی و ملکزاده 16] و [17، تئوری تصحیح شده و بهبود یافته مرتبه بالای صفحات ساندویچی را با اصلاح تئوری مرتبه بالای صفحات ساندویچی پیشنهاد کردند. آمبور و کروز [18]، به کمک روش حل نیمهتحلیلی پدیده ضربه روی یک صفحه چند لایه کامپوزیتی ساندویچی را به صورت دینامیکی مدل کردند و از رابطه برخورد هرتز که با فرض شبه استاتیک بودن بدست آمده است استفاده کردند. لی و هانگ و فان [19]، رفتار ورق ساندویچی با رویه های کامپوزیتی الیافی را تحت بار ضربهای بررسی کردند. در این بررسی تجربی، ورق روی سطح صلب قرار گرفته است.
-2 تئوری ضربه
از قانون تماس هرتز به منظور توصیف پدیده تماس استفاده میشود. تئوری هرتز در اصل برای بارگذاری استاتیک بر روی یک نیم فضای الاستیک خطی همسانگرد پایهگذاری شده است اما نشان داده شده که این تئوری همچنین تقریب خوبی برای کرنشدهی با نرخ متوسط و تغییرشکل دائمی موضعی میباشد .[20] یک پیش فرض اساسی در مسایل ضربه به ورق این است که عمق نفوذ بسیار کوچکتر از ابعاد جسم ضربهزن و سطح تماس میباشد.
-3 تئوری تغییرشکل برشی مرتبه اول
در ابتدا لازم است تا فرضیات مورد استفاده ذکر گردند. فرضیات در نظر گرفته شده در این پژوهش عبارتاند از:
· تحلیل ضربه کمسرعت ورق کامپوزیتی در شرایط همدما انجام میگیرد.
· سرعت ضربهزننده در محدوده سرعتهای پایین بوده و تحلیل مورد نظر تا آستانه شروع آسیب و ورود به محدوده پلاستیک، انجام میگیرد.
· ضربه زننده صلب میباشد.
