توصيفگر ها :
كامپوزيت پليمري الياف كربني , سازه هاي مشبك بريدشده , سازه ي فوق سبك , انرژي جذب شده , قابليت لهيدگي , فوم پلي اورتان
چكيده فارسي :
براي عملي شدن ايده¬ي افزايش استحكام و سفتي به وزن، علاوه بر معرفي مواد جديد، روش¬هاي متنوعي براي ساخت سازه-هاي جديد ابداع شد. در نهايت، اين تلاش¬ها منجر به سازه¬هايي به نام سازه¬هاي مشبك فلزي و در پي آن سازه¬ي مشبك كامپوزيتي ليفي شد. سازه¬هاي مشبك كامپوزيتي ليفي به¬عنوان ساختارهايي جديد به¬دليل رفتار مكانيكي مطلوب از جمله نسبت استحكام و سفتي به وزن بالايي كه از خود نشان مي¬دهند، در چند سال اخير بسيار مورد استقبال صنايع و پژوهشگران قرار گرفته¬اند. يكي از روش¬هاي توليد اين سازه¬ها، استفاده از پيش¬شكل¬يافته¬هاي نساجي و به¬خصوص پيش¬شكل¬يافته¬هاي بريدشده است. علاوه بر اين كه ساختار¬هاي مشبك كامپوزيتي نوظهور هستند، به¬دليل روش¬هاي ساخت وقت¬گير و كم¬دقت، تابحال تحقيقات كامل و جامعي در ساخت، تحليل و بكارگيري اين ساختارها انجام نشده است. در اين پژوهش، به¬بررسي نوع جديدي از ساختارهاي كامپوزيتي مشبك بريدشده¬ي بدون فوم و مركب با فوم پرداخته شد كه روش توليد چندان پيچيده¬اي نداشته و اين روش قابليت صنعتي شدن را دارد. در ابتدا، پيش¬شكل¬يافته¬هاي مورد نياز براي توليد اين ساختارها از نخ كربن با استفاده از دستگاه بريدينگ دو محوري توليد شد. در ادامه به اين ساختارها رزين اضافه شد و بعد از عمل¬آوري رزين، با برش لوله¬هاي مشبك مورد نظر بدست آمد. براي بررسي اثر شكل سطح مقطع، ساختارهايي با سطح مقطع مربعي، مستطيلي، شش-ضلعي، هشت¬ضلعي و دايره اي با محيط ثابت ساخته شد. همچنين اثر تغيير اندازه محيط براي نمونه¬هايي با شكل سطح مقطع يكسان نيز بررسي شد. در مواردي نيز به اين ساختارهاي مشبك فوم پلي¬اورتان تزريق شد و ساختارهاي مشبك مركب با فوم ساخته شد. جهت ارزيابي آزمايشگاهي، نمونه¬ها تحت بارگذاري فشار محوري شبه¬استاتيكي قرار گرفتند. در ادامه براي بررسي بهتر مكانيزم¬هاي موثر در رفتار فشار هر يك از ساختارها به مدل¬سازي اجزاي محدود اين ساختارها پرداخته شد. جهت محاسبه¬ي خواص الاستيك و استحكام هر ميله¬ي تشكيل¬دهنده¬ي ساختار مشبك به¬منظور استفاده در مدل¬سازي، نخ رزين خورده تحت بارگذاري فشاري و كششي شبه¬استاتيكي در راستاي طولي قرار گرفت. با استفاده از برنامه¬نويسي به زبان پايتون پيچيدگي¬هاي هندسي و مادي موجود در هر ساختار در نرم¬افزار آباكوس شبيه¬سازي شد. با توجه به ضخامت كم ساختارها از المان پوسته براي شبيه¬سازي استفاده شد. رفتار مكانيكي هر يك از نخ¬هاي آغشته¬شده به رزين نيز قبل از شروع آسيب به-صورت الاستيك خطي و ايزوتروپيك عرضي در نظر گرفته شد. همچنين از معيار آسيب هاشين براي پيش¬بيني شروع و رشد آسيب ميله ها استفاده شد. علاوه بر خصوصيات بدست آمده از بررسي¬هاي آزمايشگاهي ساير خصوصيات الاستيك و استحكام اعضاي ميله¬اي سازه از روابط چاميس استخراج شد. در نهايت، در اين پژوهش خصوصيات فشاري لوله¬هاي كامپوزيتي بدون فوم و مركب با فوم با ساختار مشبك با استفاده از فرآيند بريدينگ به¬روش¬هاي تجربي و عددي بررسي شد. هم¬خواني خوبي بين نتايج عددي و آزمايشگاهي وجود داشت. در هر دو روش نتايج قابل قبولي از ساختارها بدست آمد كه نشان مي¬دهد مي-توان از اين ساختارها به¬عنوان جاذب انرژي استفاده نمود. همچنين نقش مكانيزم¬هاي كمانش ساختارها و شكست ميله¬ها در جذب انرژي به¬طور كامل بررسي شد. دستيابي به ساختار مشبك كامپوزيتي با فرآيند ساخت نوين و سريع و همچنين داراي پتانسيل جذب انرژي ويژه و بازده نيروي لهيدگي بيشتر نسبت به ساختارهاي¬ مشبك مشابه از جمله نتايج اين پژوهش بودند. بيشترين جذب انرژي ويژه¬ي ساختار مشبك بدون فوم مربوط به نمونه¬ي تك لايه با مقطع دايره¬اي به¬مقدار 96/3030 ژول بر كيلوگرم بود. همچنين، بيشترين جذب انرژي ويژه و بازده نيروي لهيدگي ساختار مشبك مركب با فوم مربوط به نمونه¬ي چند لايه با مقطع دايره¬اي به¬ترتيب به¬مقدار 63/7917 ژول بر كيلوگرم و 83 درصد بود.
چكيده انگليسي :
In order to implement the idea of increasing specific strength and stiffness, in addition to introducing new materials, various methods were invented to create architected structures. Eventually, these efforts led to structures called lattice metal structures, followed by fibrous lattice composite structures. Fibrous lattice composite structures have been very popular in recent years by industry and researchers due to the favorable mechanical behavior including the high ratio of strength and stiffness to weight. One of the manufacturing methods of these structures is using textile preforms and especially braided preforms. As these structures have been introduced in recent years and due to time-consuming and inaccurate fabrication methods, complete and comprehensive research has not been conducted on the manufacturing, analysis, and function of these structures. In this research, a new type of braided lattice composite structures without foam and hybrid with foam was presented. The manufacturing method of these structures is simple and has the ability to be industrialized. Initially, the required preforms to manufacture these structures were produced from carbon yarn using a circular braiding machine. Then resin was added to these preforms and after curing the resin, the desired lattice tubes were obtained. To study the effect of cross-sectional shape, structures with square, rectangular, hexagonal, octagonal and circular cross-sections with the same perimeter were constructed. The effect of changing the perimeter was also investigated for samples with the same cross-sectional shape. In some cases, polyurethane foam was injected into these lattice structures and hybrid of lattice structures and foam were made. For experimental evaluation, the samples were subjected to quasi-static axial compression loading. For better investigation of the effective mechanisms in the compressive behavior of each structure, the finite element method was used. In order to measure the elastic properties and strength of the carbon composite struts, which constitute the lattice structures, the impregnated resin yarn was subjected to quasi-static compressive and tensile loading in the longitudinal direction. Using Python programming, the geometric and material complexities of each structure were simulated in Abaqus software. Due to the relatively low thickness of the structures, the shell element was used for simulations. The mechanical behavior of each resin impregnated yarn was considered as linear elastic and transversely isotropic before the onset of damage. Hashin damage criterion was also used to predict the onset and propagation of damage of the struts. In addition to the obtained properties from experimental investigation, other elastic and strength properties of structural struts members were extracted from Chamis relationships. Finally, in this study, the compressive properties of braided lattice composite tubes without foam and hybrid with foam were investigated experimentally and numerically. There was a good correlation between the numerical and experimental results. In both methods, promising results were obtained from the structures, which show that these structures can be used as an energy absorber. Also, the role of struts failure mechanisms and buckling of structures in energy absorption was fully investigated. In summary, this research introduces a lattice composite structure with a new and fast production process, as well as having more potential to absorb energy with acceptable crushing force efficiency in comparison with similar lattice structures. The highest specific absorbed energy (3030.96 J/kg) was obtained by the single-layer foamless lattice composite structure with the circular cross-section. Also, the highest specific absorbed energy (7917.79 J/kg) and crushing force efficiency (83%) were obtained by the multi-layer lattice composite structure hybrid with foam with the circular cross-section.