توصيفگر ها :
ضربه بالستيك , روش اجزاي محدود , كامپوزيت پليمري تقويت شده با منسوج , خواص خمشي , برش بين لايه اي
چكيده فارسي :
كامپوزيت پليمري تقويت¬شده با الياف به دليل خواص مكانيكي ويژه و قابليت طراحي خوب، به طور گسترده در صنايع مختلف مانند هوانوردي، فضانوردي، حمل و نقل، كشتي¬سازي، پزشكي، ورزشي و تاسيسات نظامي استفاده مي¬شود. در اين رساله، ساختارهاي جديدي از اين منسوجات مورد هدف هستند تا به عنوان جايگزيني مناسب براي كامپوزيت¬هاي صفحه¬اي متداول معرفي گردند. لايه لايه شدگي ساختاري و پديده تورق مهمترين ضعف عملكردي در كامپوزيت¬ها محسوب مي¬شود. تنش¬هاي خارج از صفحه نقش مهمي در ايجاد آسيب دارند. در منسوج سه بعدي الياف در سه جهت X، Y و Z قرار دارند؛ بنابراين انتظار مي¬رود كه كامپوزيت تقويت¬شده با منسوج سه بعدي، مقاومت بالايي در برابر تنش¬هاي مكانيكي به ويژه تنش¬هاي چند جهته داشته باشند. از اين رو، ساختارهاي مختلفي از منسوج سه بعدي طراحي و توليد شدند. در فرايند ساخت كامپوزيت¬ از منسوجات توليد شده، با استفاده از رزين اپوكسي و بهره¬گيري از اصول قالبگيري تزريق رزين تحت شرايط خلاء انجام شد. ساختمان منسوج تقويت¬كننده ( چندلايه تاري-پودي، چندلايه تاري-پودي دوخته شده و بدون بافت سه بعدي متعامد يا نوبينگ)، تراكم نخ تار ( 6 و 8 تار در سانتي¬متر)، تعداد لايه¬هاي منسوج (5 و 10)و شكل سطح مقطع سازه كامپوزيتي ( مسطح و منحني)، از متغير¬هاي مورد بررسي در عملكرد كامپوزيت هستند. براي بررسي و مقايسه ميزان جذب انرژي ضربه با سرعت بالا، از تفنگ گازي براي شليك پرتابه كروي استفاده شد و براي كاهش عوامل متعدد تاثيرگذار بر خواص بالستيك سازه، سرعت ضربه براي همه نمونه¬ها، ثابت و 235 متر بر ثانيه است. سپس، براي بررسي خواص و عملكرد مكانيكي اين سازه¬ها، آزمون خمش و برش بين لايه¬اي طبق استانداردهاي موجود و در شرايط استاتيكي و شبه استاتيكي اعمال شد و نتايج به صورت نمودارهاي نيرو- جابجايي براي هر سازه به دست آمد. نتايج نشان مي¬دهد كه ميزان اثرگذاري حضور نخ تقويت كننده در راستاي ضخامت سازه بر عملكرد مكانيكي آنها بيشتر از اثرگذاري نوع هندسه سازه تقويت شده با منسوج سه بعدي است. در شرايط بارگذاري خمشي، سازه¬هاي تقويت شده با منسوج نوبينگ بيشترين مقاومت را از خود نشان دادند، سازه¬هاي نوبينگ و چندلايه دوخته شده مقاومت بهتري در برابر نيروهاي برش بين لايه¬اي داشتند. بر اساس نتايج استفاده از تراكم بيشتر نخ¬هاي طولي، رفتار خوبي را به لحاظ بيشترين نيروي قابل تحمل در سازه نهايي نتيجه مي¬دهد؛ همين¬طور افزايش تعداد لايه¬هاي منسوج نيز، علاوه بر تحمل بيشتر نيروي وارد بر سازه مركب، جذب انرژي را نيز، بهبود مي¬بخشد. آزمون ضربه بالستيك براي كامپوزيت¬هاي با شكل منحني و مسطح با ضخامت و ساختار مختلف انجام شد. مقايسه ميزان جذب انرژي ضربه در سازه¬هاي مختلف نشان داد كه با افزايش ضخامت سازه¬ها ميزان جذب انرژي بيشتر شده است. در سازه¬هاي منحني نيز، بدليل زاويه تماس پرتابه با سطح اتلاف انرژي بيشتري اتفاق مي¬افتد و سرعت باقيمانده پرتابه كمتر است. در سازه¬هاي مركب تقويت شده با منسوج سه بعدي سرعت باقيمانده كمتري نسبت به سازه چندلايه مشاهده مي¬شود كه مي¬توان حضور الياف در راستاي ضخامت و پيشگيري از آسيب لايه¬لايه شدن را عاملي موثر براي افزايش حد بالستيك و جذب انرژي دانست. براي بدست آوردن حجم آسيب از تصاوير سي¬تي اسكن از نرم افزار Image J استفاده شد. مقاومت نخ¬هاي تقويت¬كننده در راستاي ضخامت در منسوج نوبينگ با شكل منحني، موجب انحراف مسير پرتابه شده است. بطور كلي، هرچه انسجام ساختاري سازه بيشتر باشد و توزيع نيرو و تنش ضربه يكنواخت¬تر انجام شود، سازه مقاومت بيشتري در برابر ضربه و آسيب نشان مي¬دهد. ارائه مدل اجزاي محدود از سازه¬هاي مورد نظر با هدف پيش بيني رفتار و عملكرد آنها در شرايط بارگذاري ضربه با سرعت بالا، نقطه عطفي براي اين رساله به شمار مي¬رود. مراحل مدل¬سازي، با ارائه يك مدل از سلول واحد ساختاري آغاز و در نهايت به ارائه طرحي از سازه مبتني بر اجزاي محدود در محيط نرم افزار آباكوس منتهي شد. با توجه به اينكه سازه¬ها در آزمون تجربي ضربه، دچار پديده نفوذ، آسيب و شكست شدند، لذا وارد كردن مقاديري از معيارهاي شكست مناسب براي بيان حالت دقيق¬تري از رفتار شكست سازه¬ها از معيار شكست هاشين استفاده شده است. اين پژوهش، شامل دو مرحله مدلسازي مزو و ماكرو است. استفاده از روش چند مقياسي سبب مي¬شود علاوه بر افزايش دقت در پيش¬بيني خواص مكانيكي كامپوزيت، حجم محاسبات نيز كاهش يابد ميزان جذب انرژي و سرعت باقيمانده پرتابه در برخي موارد تطابق خوب و در برخي موارد تطابق نسبي با نتايج تجربي نشان دادند. همينطور محدوده آسيب و نواحي بحراني شكست كامپوزيتها نيز در روش¬هاي فوق همخواني نسبي دارند.
چكيده انگليسي :
Fiber-reinforced polymer composite is widely used in various industries such as aviation, aerospace, transportation, shipbuilding, medicine, sports and military facilities due to its special mechanical properties and good design capability. In this thesis, new structures of textiles will be introduced as a suitable alternative to conventional composite panels. In the process of making composites from the produced textiles, epoxy resin was used in the principles of infusion molding Reinforcing structure (woven laminate, stitched woven laminate and 3D non woven orthogonal or noobing), density of warp yarn(6& 8 yarn/cm), number of fabric layers ( 5& 10) and cross-sectional shape of the composite structure ( plate & curve) are independent variables in evaluating the performance of the composite. In order to investigate and compare the absorption of high velocity impact energy, a gas gun was used to fire a spherical projectile and to reduce the many factors affecting the ballistic properties of the structure, the impact velocity for all samples is constant and 235 m/s. Then, bending and interlaminar shearing test according to the existing standards, in static and quasi-static conditions, was performed to evaluate the properties and mechanical performance of these structures and the results were obtained as force-displacement diagrams for each structure. The results showed that the presence of reinforcing yarn along the thickness of the structure has a greater effect on the mechanical performance of composites than the type of textile geometry. In the bending test, noobing composite showed the highest strength and the noobing composite and stitched laminate also had better resistance against interlaminar shearing forces. The use of higher warp density results in greater strength for the final structure; Increasing the number of fabric layers also improves energy absorption in addition to bearing more force on the composite structure. Ballistic impact test was performed for curved and plate composites with different thickness and structure. Comparison of impact energy absorption in different structures showed that the energy absorption increased with the increase in the thickness of the structures. In curved structures, due to the contact angle of the projectile with the surface, more energy loss occurs and the residual velocity of the projectile is lower. In the composites reinforced with 3D textile, the residual velocity is lower than that of the laminate structure, which can be considered as an effective factor for increasing the ballistic limit and energy absorption, as the presence of fibers along the thickness and prevention of delamination. Image J software was used to obtain the volume of damage from CT scan images. The strength of the reinforcing threads along the thickness in the noobing fabric with a curved shape has caused the projectile path to deviate. In general, the greater the structural integrity of the structure and the more uniform the force and impact stress distribution, the more resistant the structure is to impact and damage. Presenting the finite element model of the desired composites with the aim of predicting their behavior and performance under high-speed impact loading conditions is a turning point for this thesis. The modeling steps started with the presentation of a model of the structural unit cell and finally led to the presentation of a design of the structure based on finite elements in the Abaqus software environment. Due to the fact that the structures suffered penetration, damage and failure in the experimental impact test, therefore, entering appropriate values of the failure criteria to express a more precise state of the failure behavior of the structures, Hashin's failure criterion has been used. This research includes two stages of meso and macro modeling.
