بخشی از مقاله
چکیده
یکی از مهمترین معایب این مواد ضعف آنها در برابر ضربه میباشد . ضربه میتواند به دلیل صدمات غیرقابل رؤیت در مواد کامپوزیتی لایهای، بسیار خطرناک باشد. بنابراین بررسی رفتار سازههای کامپوزیتی بهویژه چندلایههای کامپوزیتی که در برابر ضربه با سرعتپایین قرار میگیرند از اهمیت ویژهای برخوردار است. یکی از روش هایی که می توان با استفاده از آن پاسخ ضربه را در چند لایه کامپوزیتیکه در برابر ضربه قرار میگیرند تعیین نمود، روش المان محدود می باشد
. برای انجام مدلسازی ضربه روی این چندلایه کامپوزیتی از المان های پوسته ای پیوسته استفاده می شود که با استفاده از این المان ها و به همراه معیار شکست هاشین، پاسخ و رفتار چندلایه کامپوزیتی در برابر ضربه مورد بررسی قرار گرفته است.
در این تحقیق یک صفحه کامپوزیتی مستطیل شکل و مسطحی را که دارای تعداد چهار لایه و ترتیب لایه چینی های 0 و 90 درجه و شرایط تکیه گاهی مشخص می باشد را تحت ضربهی ناشی از یک ضربه زننده کروی شکل قرار داده و رفتار ضربه چندلایه کامپوزیتی تحت تاثیر تعدادی از پارامترهای مختلف مورد مطالعه قرار گرفت. طبق نتایج به دست آمده، مشخص می شود که مدل المان محدود ارائه شده، قدرت پیشبینی دقیقی داشته و تطابق خوبی با نتایج مطالعات آزمایشگاهی و معتبر دارد، که آن را تبدیل به ابزار ارزشمندی برای پیشبینی مقاومت کامپوزیتهای چندلایه کرده است.
1. مقدمه
کامپوزیتها دستهای از مواد پیشرفته هستند که در آنها از مواد ساده بهمنظور ایجاد موادی جدید با خواص مکانیکی و فیزیکی برتر استفادهشده است. مزیت مواد مرکب در این است که آنهامعمولاً دارای بهترین مشخصات اجزای تشکیلدهنده خود بوده و اغلب دارای برخی ویژگیها هستند که هیچیک از اجزا دارای ویژگی های مزبور نیستند. . برخی از مزایای این مواد عبارتاند از: نسبت استحکام و سفتی ویژه بالا، مقاومت در برابر خوردگی و سایش و همچنین قابلیت طراحی خوب. البته در مقابل مزایای ذکرشده این مواد در مقایسه با فلزات معایبی نیز دارند.
یکی از مهمترین معایب این مواد ضعف آنها در برابر ضربه میباشد، علاوه بر این عیب چقرمگی شکست پایین، تردی و شکنندگی، تعمیر و نگهداری و بازرسی سخت و همچنین حد تحمل خسارت پایین از جمله معایب این مواد به شمار میرود. با توجه به ویژگی های ذکر شده، بررسی رفتار سازههای کامپوزیتی بهویژه چندلایههای کامپوزیتی که در برابر ضربه با سرعتپایین قرار میگیرند از اهمیت ویژهای برخوردار است، لذا محققان بر آن شدند که برای طراحی سازههای کامپوزیتی از رفتار آنها در برابر ضربه با سرعتپایین اطلاعات مناسبی به دست آورند
جرم ضربه زننده، سرعت یا انرژی ضربه زننده، ترتیب چینش لایهها در چندلایه کامپوزیتی، شرایط تکیهگاهی چندلایه کامپوزیتی، ضریب اصطکاک تماسی بین ضربه زننده و سطح چندلایه کامپوزیتی و سختی تماسی بین لایههای چندلایه کامپوزیتی از جمله پارامترهایی هستند که بر رفتار یک چندلایه کامپوزیتی که تحت ضربه با سرعتپایین قرار دارد تأثیرگذارند لذا بررسی این تأثیرات لازم به نظر میرسد.
تحقیقات عمدهای در زمینه ضربه روی مواد کامپوزیتی صورت گرفته است که این تحقیقات شامل سه روش آزمایشهای تجربی، روشهای تحلیلی و روشهای عددی میباشد. مهمترین ابزار مورداستفاده در روشهای عددی استفاده از روش المان محدود است که این روش توسط نرمافزارهای المان محدودی نظیر آباکوس و انسیس1 اجرا میشود.
ابتداییترین روشی که برای تحلیل ضربه عمودی روی یک صفحه مستطیل شکل به کار رفت توسط کاراس2 در سال 1939 ارائه شد [ 2] ، که در این روش ضربه وارده به مرکز یک صفحه مستطیل شکل با شرایط مرزی ساده مورد تحلیل قرار گرفت.
سان و چن[ 3] 3 با استفاده از روش اجزا محدود و قانون تماسی هرتز به بررسی تجربی صفحات کامپوزیتی با تنش اولیه پرداختند، همچنین آنها در این تحقیق اثرات سرعت ضربه و جرم و اندازه ضربه زننده را روی رفتار صفحات کامپوزیتی موردبررسی قراردادند و نتیجه گرفتند که سرعت و جرم ضربه زننده تاثیر مستقیمی روی رفتار و پاسخ ضربه صفحات کامپوزیتی دارند.
ابریت[ 5-4] 4 از جمله کسانی است که در طول سالیان گذشته مطالعات وسیعی را روی چندلایههای کامپوزیتی تحت ضربه و مقاومت آنها در برابر آسیب ناشی از ضربه انجام داده است و نتایج بسیاری را در این زمینه به دست آورده است.
کاپرینو5 و همکارانش [6] آزمایشهای ضربه با سرعتپایین را روی چندلایههای کامپوزیتی با تقویتکنندههای کربن و زمینه اپوکسی باضخامتهای مختلف بهوسیله یک ضربه زننده نیم کروی شکل انجام دادند و انرژی جذبشده در نقطه شروع آسیب و ماکزیمم نیرو و همچنین انرژی نفوذ را به دست آوردند.
هر و لیانگ[ 7] 6صفحات چندلایه کامپوزیتی وسازههای پوستهای را که تحت ضربه با سرعتپایین قرار داشتند توسط نرمافزار المان محدود انسیس بررسی کردند و تأثیر پارامترهای مختلف از جمله انحنای پوسته، شرایط مرزی گیردار یا ساده نمونه کامپوزیتی و سرعت ضربه زننده موردبررسی قرار گرفتند. نتایج عددی نشان میدهند که سازههای با ضریب سختی بزرگتر مانند سازههای دارای انحنای کمتر و شرایط مرزی گیردار باعث ایجاد نیروی تماسی بزرگتر و تغییر شکل کمتر میشوند و پاسخ ضربه سازه موردبررسی بهسرعت ضربه زننده وابستگی زیادی دارد.
ملک زاده و همکارانش [8] در مقالهای مسئله پاسخ ضربه با سرعتپایین روی یک صفحه کامپوزیتی ساندویچی بهوسیله یک ضربه زننده صلب استوانهای را موردمطالعه قراردادند.
نتایج حاصله نشان داد که با افزایش جرم ضربه زننده تغییر شکل و زمان تماس افزایش مییابد و ترتیب لایه چینی ورقهها اثر ناچیزی روی نیروی ضربه و زمان تماس دارد. پاک نژاد و همکارانش [9] در تحقیق خود اثرات بار ضربهای با جرم کم و سرعتپایین را روی یک ورق کامپوزیتی لایهای با تکیهگاههای تمام گیردار و با بهرهگیری از چندجملهای مناسب و روش تابع وزنی گلرکین مطالعه کردند.
نتایج حاصل از تحقیق نشان دادند که پارامترهایی مانند جرم و سرعت ضربه زننده در یک مقدار انرژی جنبشی ثابت، جرم ورق کامپوزیتی - هدف - ، افزایش طول به عرض ورق و زاویه چیدمان الیاف در چندلایهها از عوامل مهم و تأثیرگذار در بررسی پدیده ضربه و طراحی سازهها میباشد.
مهربانی یگانه و همکارانش [10] در تحقیقی تأثیر هندسه ضربه زننده را بر فرایند نفوذ شبه استاتیکی در کامپوزیتهای چندلایه تقویتشده با الیاف شیشه و با زمینه اپوکسی که تحت ضربه قرار دارند بهصورت تجربی موردمطالعه قراردادند. آزمایشهای نفوذ با نرخ بارگذاری و انرژی پایین توسط نفوذکنندههای استوانهای با شش هندسه دماغه تخت، نیم کروی و مخروطی انجام شد و رفتار چندلایه کامپوزیتی هدف از جمله میزان جذب انرژی، نیروی تماسی، مکانیزم های گسیختگی و غیره برای ضربه زنندههای مختلف موردبررسی قرار گرفت.
مقایسه انرژیهای جذبشده نشان داد که در یک جابجایی - عمق نفوذ - یکسان هدف کامپوزیتی انرژیهای بیشتری از نفوذکنندههای کندتر جذب میکند. نفوذکننده مخروطی بیشترین انرژی را برای نفوذ کامل نیاز دارد و طول دماغه بیشتر افزایش جابجایی تا نفوذ کامل را به دنبال دارد.
در این گونه مسائل پارامترهای مختلفی از جمله جرم ضربه زننده، سرعت ضربه زننده، شرایط مرزی و تکیه گاهی نمونه چندلایه کامپوزیتی، چیدمان لایه های نمونه، ضریب اصطکاک تماس ضربه زننده و سطح نمونه چندلایه کامپوزیتی و سختی تماس بین لایه های نمونه چندلایه روی مولفه های انرژی نمونه چندلایه کامپوزیتی و همچنین روی مولفه های نیروی تماسی برخورد، تغییر مکان عمودی نمونه و تنش در سطح ورق مورد بررسی اثر گذار هستند که ما در این مطالعه پارامترهای ضریب اصطکاک تماسی و سختی تماسی بین لایه های کامپوزیتی را بررسی می نماییم.
2. بدنه اصلی مقاله
-1-2 معرفی نرم افزار اجزای محدود آباکوس
برای مدلسازی اجزای محدودی از نرمافزار اجزای محدودی آباکوس استفاده شده است. این نرم افزار ابزاری سودمند با قابلیتهای فراوان، برای شبیهسازی جهان واقعی مورد استفاده قرار میگیرد. این نرم افزار یک مجموعه قدرتمند از برنامههای شبیهسازی مهندسی بر پایه روش اجزای محدودی است که میتواند با استفاده از سرعت و دقت محاسبات کامپیوتری، مسائل ساده تحلیلهای خطی تا مسائل پیچیده و چالش برانگیز شبیهسازیهای غیرخطی را حل نماید.
-2-2 مدلسازی اجزای محدود صفحه کامپوزیت و پرتابه -1-2-2 معیار آسیب هاشین
هاشین معیاری را پیشنهاد داد که با استفاده از آن می توان مودهای آسیب را در کامپوزیت های تک جهته به دست آورد. مودهای آسیبی که با استفاده از این معیار قابل پیش بینی هستند عبارتند از: آسیب الیاف در کشش، آسیب الیاف در فشار، آسیب ماتریس در کشش و فشار و تورق. نرم افزار آباکوس توانایی مدل سازی آسیب هاشین دا دارد.
شکل:1 مدلسازی آسیب هاشین در آباکوس
-3-2-2 مدل اصلی اجزای محدودی مقادیر و شرایط مختلفی که در این پژوهش استفاده شدهاند در
جدول - 1-3 - آورده شده اند.
جدول :1 خواص مکانیکی ورق کامپوزیتی
شکل:2 مدل اجزای محدود صفحه کامپوزیت و پرتابه در آباکوس
با توجه به اینکه خروجی های نرم افزار آباکوس به صورت نمودارهای بر حسب زمان بوده و واحد کمیت خروجی در خود نمودار ذکر نمی شودخروجی ها و واحدهای خروجی در نرم افزار آباکوس در جدول های 2و3 آورده شده است.
جدول :2 خروجی های انرژی نرم افزار آباکوس
با توجه به اینکه ضربه زننده به صورت یک جسم صلب سه بعدی شبیه سازی شده است و فرایند مورد بررسی در مساله یک فرایند برخورد می باشد لذا برای شبیه سازی ضربه زننده از المان های نوع R3D4 و R3D3 استفاده شده است که به ترتیب المان های 4 گرهی و 3 گرهی، سه بعدی، دوخطی، صلب و دارای 3 درجه آزادی از نوع جابه جایی می باشند. همچنین با توجه به اینکه نمونه چندلایه کامپوزیتی به صورت یک جسم از نوع توپر و تغییرشکل پذیر و مشابه پوسته می باشد، برای بالا بردن دقت محاسباتی مساله از المان های نوع پوسته ای پیوسته با نام SC8R استفاده شده است، که المان های 6 وجهی، سه بعدی و 8گرهی و دارای 3 درجه آزادی از نوع جایه جایی می باشند.
جدول :3 واحدهای مربوط به کمیت های خروجی پژوهش
