مطالعه تجربي و عددي رفتار كامپوزيت هاي تقويت شده با منسوج سه بعدي متعامد با سطح منحني تحت ضربه بالستيك

اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان

مهندسي نساجي

دكتري

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.

218081

تكنولوژي نساجي

مهندسي نساجي

دانشگاه صنعتي اصفهان