بخشی از مقاله
چکیده
امروزه سبکسازی، اصلی بلامناقشه در طراحیهای ساده به خصوص در صنایع هوایی است. کامپوزیتهای پلیمری گوی سبقت را از سایر مواد در این عرصه ربوده است. ضعف اصلی استفاده از کامپوزیتهای پلیمری اتصال آنها به فلزات است. در این تحقیق بهینهسازی اتصال کامپوزیت شیشه-اپوکسی مورد بررسی قرار گرفته است. در روند کار از پارچه شیشه اپوکسی به ضخامت 2 میلیمتر استفاده شده است به طوری که خواص آن تست، که با آزمونهای استاندارد ASTM تعیین شده است، مشخص میشود. سپس موضوع اصلی که شامل تغییرات تدریجی در ضریب پواسون و تغییر در شکل ناحیه اتصال میباشد، جهت بهینه سازی اتصال مورد مطالعه قرار گرفته است.
نمونههای متنوع اتصال کامپوزیت با آلومینیوم سری 7075 طراحی و مورد آزمون قرار گرفت. همچنین به منظور تهیه نمونههای کامپوزیتی از پارچه شیشه 300 گرمی استفاده شده است. در این روش نمونه-هایی با تغییر شکل آلومینیوم و کامپوزیت و یا هردو در ناحیه اتصال ساخته شده است به طوری که مساحت و وزن تمام آنها یکسان میباشد تا بتوان با هم مقایسه انجام داد. نمونههای ساخته شده تحت آزمون کشش قرار گرفته و نتایج آزمونهای تجربی با یکدیگر مقایسه گردید. نتایج این تحقیق نشاندهنده افزایش چشمگیر استحکام کششی قطعات همراه با تغییر شکل در ناحیه اتصال نسبت به نمونههای ساده میباشد. به طوری که در بهترین حالت، استحکام کششی قطعات تغییر یافته تا %18 افزایش یافته است.
مقدمه و هدف
کمتر از پنجاه سال است که کامپوزیتهای پلیمری در عرصه غیرنظامی ظاهر شده است. سرعت رشد آنها پس از ورود به عرصه عمومی تصاعدی شد و مرزهای مختلفی از دانش کامپوزیت را فتح کرد. عمدهترین علت اقبال طراحان به کامپوزیت های پلیمری امکان طراحی هدفمند آنها برای سبک سازی و استحکام بالا بوده است. کاهش وزن در سازه های هوایی قدرت مانور وسیله را بهبود می دهد و مهندسین سازه همواره در فکر چکونگی سبک سازی وسیله های هوایی بودهاند. به همین دلیل استفاده یکپارچه از سازهها امکان پذیر نبوده و به منظور تسهیل در ساخت آنها، قسمتهای مختلف به طور جدا ساخته و به یکدیگر اتصال داده میشود.
یکی از مهمترین مسائل در ساخت کامپوزیتها، توانایی اتصال و مونتاژ آنها است. با رشد روز افزون مواد کامپوزیتی روشهای اتصال آنها نیز از روشهای سنتی موجود مانند پرچ و پیچ به سمت استفاده از روشها مبتنی بر چسب در حال تغییر است. تحقیقات بسیاری در زمینه بررسی تحلیلی، عددی و تجربی برای استانداردسازی و بهبود عملکرد سیستمهای چسبی صورت پذیرفته است. در این مقاله اثر استفاده از چسب اپوکسی و همچنین تغییر در مساحت ناحیه همپوشانی در ناحیه اتصال بررسی شده است. نوع چسب، رزین، پارچه، شرایط ساخت برای همه یکسان بوده تا بتوان با ثابت نگه داشتن مساحت ناحیه اتصال، استحکام آنها را با یکدیگر مقایسه کرد.
تئوری و پیشینه تحقیق
اولین تلاشهای تئوری برای طراحی اتصالات توسط ولکرسون و دی برین در سال 1938 صورت گرفت که در آن به تهیه و درک اولیه از تنشها و تغییر شکلها در اتصالدهنده و قطعات اتصالی تکلبه و دولبه پرداخته شد. آنها اتصال چسبی یکلبه چسب را به صورت فنرها پیوسته برشی مدلسازی نمودند. جانسون و همکارانش به استفاده از ذرات پلاستیکی در ضمن چسب اپوکسی برای بهبود چقرمگی اتصال پرداختند. آنها نشان دادند که با افزودن ذرات پلاستیکی به اپوکسی علاوه بر افزایش چقرمگی، رشد ترک نیز کاهش مییابد.
هامیت ادین و همکاران رفتار مکانیکی یک اتصال دو لبه را همراه با چسب بررسی کردهاند. رفتار تنش-کرنش در طول ناحیه همپوشانی و ضخامت متصل شونده تحت بار کششی بررسی شدهاند. آنها نتایج تجربی خود را با کار تجربی مقایسه کردهاند. نتایج آنها نشان میدهد نیروی شکست همراه با افزایش در ضخامت متصل شونده افزایش مییابد. هردو نتایج تجربی و تحلیلی نشان میدهد شکست در مناطق لبه همپوشانی تحت تاثیر تنش برشی اتفاق میافتد. [1] آقای خاپار و همکاران به بررسی تجربی اتصال دولبه چسبی برای صفحات آلومینیوم پرداختند. آنها از چسب آرالدایتٌ استفاده کردند. تاثیر صافی سطح و نسبت همپوشانی بر روی فرکانس طبیعی بررسی شد. در آن نتایج اتصال چسبی با اتصال پین دار مقایسه شد. [2]
پیریرا و همکارانش تاثیر برخی پارامترهای هندسی و تولیدی بر روی استحکام اتصال چسبی، با هدف بهینه سازی استحکام برشی را بررسی کردهاند. مواد متصل شونده که برای تست های آزمایشگاهی استفاده کردهاند، از جنس آلیاژهای آلومینیوم در شکل ورقهایی با ضخامت کم میباشند، و همچنین چسب استفاده شده از نوع اپوکسی با استحکام بالا میباشد. پنج نوع آماده سازی سطح مطالعه کردهاند. استفاده از سدیم دی کرومات-سولفوریک اسید و پولیش در مقایسه با تمیز کردن با استون باعث بهبود استحکام برشی می شود. همچنین کاهش سفتی سطح باعث افزایش استحکام برشی اتصال تک لبه ای میشود. افزایش ضخامت متصل شونده ها و طول همپوشانی باعث افزایش استحکام برشی میشود.
در این مقاله با یک بررسی عددی، تاثیر پارامترهای هندسی را بر زاویه چرخش، تنش، کرنش و نیروی شکست را مشاهده میکند. افزایش در ضخامت متصل شونده ها و طول همپوشانی باعث کاهش زاویه چرخش، کاهش نقطه اوج کرنش پلاستیک و بنابراین افزایش نیروی شکست میشود. [3] آقای موراگا و همکاران با بررسی تجربی اتصال دو لبه کامپوزیتی با تغییر متغیر جهات الیاف به نتایج جالبی دست یافتند. آنها در این تحقیق سه جهت مختلف صفر درجه، متقارن و صفر و نود درجه را بررسی کردند، و استحکام مکانیکی آنها را تا نقطه شکست به دست آوردند. بیشترین نیرو و جایهجایی برای اتصال وصلهایٍ کلمپوزیتی با زوایای صفر و نود درجه در مقایسه با دیگر زوایا به دست آمد. [4]
مواد و روشها
برای بررسی اثر تغییر سطح در ناحیه اتصال چسبی دو لبه، تعدادی اتصال دو لبه ساخته شد. نمونههای کامپوزیت از جنس اپوکسی شیشه با چگالی 300 گرم بر مترمربع به طول 100 میلیمتر و عرض 25 میلیمتر و با ضخامت 2 میلیمتر به روش لایهگذاری دستی برا اساس استاندارد D5868 ساخته شد. شکل 1 تصویر نمونه-های استاندارد کشش را نشان میدهد. چسب آرالدایت 2015، چسبی دوجزئی با چقرمگی بالاست که برای اتصال کامپوزیتها به فلز مناسب میباشد. این چسب در برابر خوردگی و حرارت بسیار مقاوم بوده و توانایی تحمل تنشهای پیل و برشی بالا را دارا است. خواص این چسب مطابق با تستهای انجام شده در جدول 1 آورده شده است.
