برای رعایت حریم خصوصی نام نگارنده پایان نامه درج نمی شود
(در فایل دانلودی نام نویسنده موجود است)
تکه هایی از متن پایان نامه به عنوان نمونه :
(ممکن است هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود ولی در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل است)
فهرست مطالب:
مقدمه.. 11
1-1- مقدمه. 11
1-2- پیشینه تحقیق.. 13
1-3- اهداف پایان نامه. 17
1-4- ساختار پایان نامه. 18
مروری بر کامپوزیتها. 21
2-1- مقدمه 21
2-1-1- کامپوزیتهای فایبری.. 23
2-1-2- کامپوزیتهای دارای ذرههای ریز. 29
2-1-3- کامپوزیتهای چندلایه. 30
2-2- کامپوزیتهای چندلایهای فایبری پایه پلیمری.. 30
2-2-1- کامپوزیتهای چندلایهای دوبعدی.. 33
2-2-2- کامپوزیتهای چندلایهای سه بعدی.. 35
2-2-2-1- چندلایههای 3D Woven. 36
2-2-2-2- چندلایههای 3D Braided. 38
2-2-2-3- چندلایههای 3D Knitted. 39
2-2-2-4- چندلایههای 3D Stitched. 40
2-2-2-5- چندلایههای Z-Pinned. 45
ثابتهای الاستیک چندلایههای 3D Stitched.. 47
3-1- مقدمه 47
3-2- معادله مشخصه ماکروسکوپیک و ماتریس سختی.. 48
3-3- ارتباط بین تنشها و کرنشهای ماکروسکوپیک و میکروسکوپیک…. 53
3-4- مدل المان محدودِ سلول واحد.. 55
شکست چندلایههای کامپوزیتی… 62
4-1- مقدمه. 62
4-2- مودهای مختلف شکست در یک لایه کامپوزیتی.. 62
4-3- تئوریهای مختلف شکست در یک لایه کامپوزیتی.. 64
4-3-1-معیارهای مبتنی بر پدیده شکست: 64
4-3-2-معیارهایی که مبتنی بر مودهای مختلف شکست هستند: 68
4-4- لایهلایه شدن.. 71
4-5- شکست لامینیت… 72
شروع و رشد آسیب… 74
5-1- مقدمه. 74
5-2- مکانیک آسیب… 74
5-3- مدلهای نرمافزاری شکست و آسیب… 76
5-3- 1- مدل آسیب در نرمافزار ABAQUS. 77
5-3- 2- مدل آسیب در نرمافزار LS-DYNA.. 81
5-3- 3- مدل ماده، شکست و آسیب در نرمافزار ANSYS AUTODYN.. 84
6- ضربه در چندلایههای کامپوزیتی… 91
6-1- مقدمه. 91
6-2- انواع ضربه. 91
6-2-1- ضربه سرعت پایین.. 93
6-2-2- ضربه سرعت بالا.. 94
6-3- نرخ کرنش…. 96
6-3-1- تاثیر نرخ کرنش بر سختی و استحکام کامپوزیتها 98
6-4- آسیب ناشی از ضربه. 101
مدلسازی پدیده ضربه.. 105
7-1- مقدمه. 105
7-2- شرح مساله. 105
7-3- نتایج.. 109
7-3- 1- روند ضربه و تخریب هدف… 109
7-3- 2- بررسی تغییرات سرعت پرتابه و زمان نفوذ. 111
7-4- 4- وضعیت ناحیه آسیبدیده. 116
نتیجه گیری و پیشنهادات… 119
8-1- نتیجه گیری.. 119
8-2- پیشنهادات… 120
فهرست منابع و مآخذ.. 121
فهرست جداول
جدول 2-1- مقایسه خصوصیات فیزیکی و مکانیکی گونههای فلزی، فایبری و ماتریسی برخی مواد ]16[ 24
جدول 2-3- خصوصیات مکانیکی چند ماتریس پلیمری ترموست ]18[ 26
جدول 2-4- خصوصیات مکانیکی چند ماتریس پلیمری ترموپلاستیک ]18[ 26
جدول 2-5- بررسی مقایسه خصوصیات ماتریسهای پلیمری ترموست و ترموپلاستیک]28[ 26
جدول 3-1- کمیت و کیفیت هندسی مدل نرمافزاری سلول واحد.. 56
جدول 3-2- ثابتهای الاستیک اولیه اجزای تشکیلدهنده لامینا 56
جدول 3-3- ثابتهای الاستیک لامینای با زوایای 45 و 45- درجه ]20[ 59
جدول 3-4- ثابتهای الاستیک لامینای با زوایای 0 و 90 درجه ]20[ 60
جدول 4-1- دو فرم عمده و معمول معیارهای شامل ترمهای تنش تا مرتبه دوم و مثالهایی از هرکدام ]17[ 65
جدول 4-2- ضرایب معیار تسای-وو ]11[ 66
جدول 4-3- ضرایب معیار هافمن ]11[ 67
جدول 4-4- عبارات مودهای پنجگانه شکست در تئوری ماکزیمم تنش 69
جدول 4-5- عبارات مودهای پنجگانه شکست در تئوری ماکزیمم کرنش 69
جدول 4-6- عبارات مودهای چهارگانه زوال در تئوری هشین-روتم]4[ 70
جدول 4-7- عبارات مودهای چهارگانه شکست در تئوری هشین]4[ 70
جدول 4-8- روابط تئوری شکست چنگ-چنگ]3[ 71
جدول 5-1- روابط چهارگانه تئوری هشین بعنوان مبنای شکست در نرمافزار ABAQUS 78
جدول 5-2- روابط تنش-جابجایی معادل در طول پروسه آسیب در نرمافزار ABAQUS 80
جدول 5-3- معیارهای سهگانه شکست فایبر در نرمافزار LS-DYNA.. 82
جدول 5-4- معیارهای شکست ماتریس در نرمافزار LS-DYNA.. 82
جدول 6-1- تغییرات مدول برشی گلاس-اپوکسی و کربن-اپوکسی بافته شده با نرخ کرنش ]27[ 100
جدول 6-2- تغییرات مدول الاستیک در راستای ضخامت با نرخ کرنش، برای سه قطعه بافته شده ]27[ 101
جدول 7-1- خصوصیات پرتابه. 106
جدول 7-2- خصوصیات فیزیکی اجزای تشکیلدهنده کامپوزیت… 106
جدول 7-3- خصوصیات مکانیکی لامینای صفر درجهی دوخته شده 107
جدول 7-4- خصوصیات مکانیکی لامینای نود درجهی دوخته شده 108
جدول 7-5- زمان نفوذ پرتابه در سرعت اولیه، تعداد لایهها و شرایط مرزی مختلف 112
جدول 7-6- سرعت خروجی پرتابه در سرعت اولیه، تعداد لایهها و شرایط مرزی مختلف 11
فهرست شکل ها
شکل 2-1- بافت کامپوزیتی ماهیچههای بدن انسان ]16[ 22
شکل 2-2- سه گونه ماتریس پلیمری ]8[ 25
شکل 2-3- نمودار تنش-کرنش دو ماده پلیمری تحت کشش تنش یک جهته ]55[ 27
شکل 2-4- تاثیر دمای انجام تست بر نمودار تنش-کرنش یک ماده پلیمری ]55[ 28
شکل 2-5- تاثیر نرخ کرنش بر نمودار تنش-کرنش یک ماده پلیمری]55[ 28
شکل 2-6- نمونهای از کامپوزیتهای چندلایهی فلزی در ترموستات ]8[ 30
شکل 2-7- مقیاسهای مختلف آنالیز در چندلایههای کامپوزیتی ]10[ 31
شکل 2-8- شماتیک یک لامینای تک جهته و یک لامینای بافتهشده ]17[ 31
شکل 2-9- رابط تنش-کرنش اجزای یک لامینا ]8[ 32
شکل 2-10- شماتیک لامیناهای با زوایای مختلف که بعد از اتصال، تشکیل یک لامینت میدهند]8[ 32
شکل 2-11- شماتیک یک چندلایه دوبعدی]12[ 33
شکل 2-12- مقایسه استحکام کششی و فشاری درون صفحهای و برون صفحهای یک چندلایه دوبعدی]12[ 33
شکل 2-13- میزان کاهش استحکام کششی و فشاری درون صفحهای یک چندلایه دوبعدی تحت بارهای ضربهای مختلف]12[ 34
شکل 2-14- الگوهای مختلف گونهی دوبعدی پارچههای بافتهشده]18[ 36
شکل 2-15- شماتیک دیگری از چند الگوی گونهی دوبعدی پارچههای بافتهشده ]12[ 37
شکل 2-16- انواع تکنیکهای بافت چندلایههای سهبعدی]23[ 37
شکل 2-17- الف) شماتیک ماشین ساخت چندلایههای سهبعدی متعامد، ب) مثالی از بافت چندلایه چند محوره و ج) بافت سهبعدی منجر به ساختار ساندویچی]12[ 38
شکل 2-18- شماتیک کلی بافت قیطانی ]12[ 39
شکل 2-19- الف)دو روش مرسوم بافت کشبافی ب)شماتیک چندلایه کشبافی سه بعدی ]12[ 40
شکل 2-20- شماتیک یک چندلایه دوخته شده سهبعدی ]6[ 41
شکل 2-21- نمای جانبی یک چندلایه دوخته شده و نخ دوخت آن ]12[ 42
شکل 2-22- الگوهای مختلف دوخت سهبعدی: دوخت قفلی تصحیح شده، قفلی و زنجیرهای ]12[ 42
شکل 2-23- طرح نمای فوقانی یک چندلایه دوختهشده: طرح مستقیم، قطری، زیگزاگ، دوخت جدولی]12[ 43
شکل 2-24- آسیبهای محتملی که چندلایههای دوختهشده را تهدید میکند: الف)شکست فایبرهای درون صفحهای، ب)ناهمراستایی فایبرهای درون صفحهای، ج)شکلگیری نواحی کوچک پر از رزین، د)اعوجاج فایبرهای دوخت بعلت تراکم بالای لامینای اولیه ]12[ 44
شکل 2-25- چگونگی کنترل رشد ترک توسط نخ دوخت در چندلایههای دوختهشده ]12[ 44
شکل 2-26- پروسه ساخت چندلایههای پیندار ]12[ 45
شکل 3-1-دستگاه مختصات مادی و كلی.. 51
شکل 3-2- کوچکترین جزء تکرارشونده در چندلایه دوخته شده شامل الیاف درون صفحهای (که در اینجا در جهت 45- درجه قرار دارند)، نخهای دوخت رد شده روی لایهها و حفرههای لوزی شکل حاوی رزین]19[ 55
شکل 3-3- کوچکترین جزء تکرارشونده در چندلایه دوخته شده شامل الیاف درون صفحهای در زوایای 0 و 90 درجه و کانالهای سرتاسری حاوی رزین]25[ 55
شکل 3-4- پارامترهای هندسی طول و عرض حفره رزین، گام و فاصله ردیفهای نخ دوخت در یک لامینای 45 درجه]19[ 56
شکل 3-5- مدل میکرومکانیک مونتاژ استوانه کامپوزیتی]19[ 57
شکل 3-6- مدلسازی و تحلیل نرمافزاری سلول واحد]19[ 58
شکل 4-1- مودهای مختلف شکست در مقیاس میکرو (فایبر و ماتریس)]16[ 63
شکل 5-1- مدل توصیفی آسیب… 75
شکل 5-2- نمودار تنش-جابجایی معادل در پروسه رشد آسیب در نرمافزار ABAQUS 79
شکل 5-3- نمودار رشد اندیس آسیب برحسب جابجایی معادل در نرمافزار ABAQUS 80
شکل 5-4- تغییرات اندیس آسیب بصورت تابعی از کرنش برای های مختلف 83
شکل 5-5- مساحت نمایانگر انرژی شکست… 89
شکل 6-2: تاثیرات نرخ کرنش بر نمودار تنش-کرنش قطعات کربن- اپوکسی تکجهته در سه نرخ کرنش مختلف ]27[ 98
شکل 6-3: تاثیرات نرخ کرنش بر نمودار تنش-کرنش قطعات کربن- اپوکسی بافته شده (سمت راست)، شیشه- اپوکسی بافته شده (سمت چپ) ]27[ 99
شکل 6-4: تاثیرات نرخ کرنش بر مدول کششی قطعات کامپوزیتی بافته شده از جنس الیاف کربن، کولار و شیشه با ماتریس پلیمری مشابه ]27[ 100
شکل 7-1- گسستهسازی پرتابه و جسم هدف توسط المانهای سهبعدی 106
شکل 7-2- موقعیت هدف و پرتابه در زمان اولیه. 109
شکل 7-3- موقعیت هدف و پرتابه پس از 0.012 ms. 109
شکل 7-4- موقعیت هدف و پرتابه پس از 0.027 ms. 110
شکل 7-5- موقعیت هدف و پرتابه پس از 0.03 ms. 110
شکل 7-6- موقعیت هدف و پرتابه پس از 0.04 ms. 110
شکل 7-7- موقعیت هدف و پرتابه پس از 0.05 ms. 111
شکل 7-8- موقعیت هدف و پرتابه پس از 0.059 ms. 111
شکل 7-9- نمودار سرعت خروجی پرتابه برحسب سرعت اولیه برای شش لایه متقارن با تکیهگاه تماما صلب… 113
شکل 7-10- نمودار سرعت خروجی پرتابه برحسب سرعت اولیه برای شش لایه متقارن با تکیهگاه تماما ساده 113
شکل 7-11- نمودار سرعت خروجی پرتابه برحسب سرعت اولیه برای سهلایه با تکیهگاه تماما صلب 114
شکل 7-12- نمودار سرعت خروجی پرتابه برحسب سرعت اولیه برای سهلایه با تکیهگاه تماما ساده 114
شکل 7-13- نمودار تغییرات سرعت پرتابه برحسب زمان برای شش لایه متقارن با تکیهگاه تماما صلب 115
شکل 7-14- نمودار تغییرات سرعت پرتابه برحسب زمان برای شش لایه متقارن با تکیهگاه تماما ساده 115
شکل 7-15- نمودار تغییرات سرعت پرتابه برحسب زمان برای سهلایه با تکیهگاه تماما صلب 116
شکل 7-16- نمودار تغییرات سرعت پرتابه برحسب زمان برای سهلایه با تکیهگاه تماما ساده 116
شکل 7-17- کانتور توزیع تنش ایجاد شده در قطعه شش لایه با تکیهگاه تماما صلب تحت سرعتهای اولیه مختلف 117
چکیده
این پایان نامه به بررسی رفتار مکانیکی کامپوزیتهای پیشرفته چند راستا یا NCF که یکی از انواع کامپوزیتهای سه بعدی میّباشند میپردازد. کامپوزیتهای سه بعدی در بارگذاری ضربهای در مقایسه با کامپوزیتهای دوبعدی دارای ارجحیت هستند چرا که اولا خواص مکانیکی بهتری در راستای ضخامت هستند و ثانیا تا حد امكان از جدایش لایه ها جلوگیری نموده و مقاومت در برابر ضربه را افزایش میدهند.
در پایان نامه حاضر ضربه بالستیک یک پرتابه صلب به یک سازه دوخته شده از یک کامپوزیت سه بعدی مورد بررسی قرار گرفته است. بدین منظور، ابتدا مدلی جهت درنظر گرفتن هندسه خاص ناشی از دوخت این کامپوزیتها ارائه شده است. سپس ثابتهای الاستیکِ محاسبه شده مبتنی بر رهیافت سلول واحد، مورد استفاده قرار گرفتهاست. پس از آن یک مدل آسیب و معیار شکست مناسب به مدل اختصاص داده شده و نهایتا مدلسازی عددی پدیده ضربه روی مدل بدست آمده در مراحل قبل، توسط نرمافزار تجاری انسیس شبیهسازی شده است. نتایج حاصله نشان از تاثیر اندک شرایط تکیهگاهی در برخوردهای با سرعت بالا دارد. اما در دیگرسو، بیانگر افزایش حجم تخریب سازه، با افزایش سرعت اولیه و کاهش تعداد لایههای میباشد.
مقدمه
استفاده از سازههای چندلایهای کامپوزیتی در صنایع مختلف، در سالهای اخیر روند روبه رشد و فزایندهای داشتهاست. نسبت استحکام ویژه بالا، چقرمگی، مقاومت در برابر خوردگی و خستگی، مقاومت مناسب در مقابل واکنشهای موجود در محیطهای شیمیایی، نفوذناپذیری در برابر آب، عایق مناسب حرارتی، قابلیت متنوع شکل دهی و دوخت و … از جمله دلایل قرارگیری این مواد در کانون توجه و اهمیت طراحان و صنعتکاران بشمار میآیند.
چند لایههای كامپوزیت از طریق قرار دادن لایههای حصیری و سوزنی روی هم و چسباندن آنها بوسیله رزین و با استفاده از پروسههای ساخت دستی، کیسه خلا و تزریق رزین در خلا ساخته می شوند. با وجود مزایای چند لایههای كامپوزیت، همواره معایبی نیز در بکارگیری این چند لایه ها وجود داشته است که ذهن دانشمندان و سازندگان را درگیر کرده است. مهمترین معایب آنها عبارتند از :
الف) خواص مکانیکی آنها در راستای ضخامت نسبت به خواص مكانیكی درون صفحهای پایینتر میباشد.
ب) در برابر جدایش لایه ها ضعیف میباشند.
ج) در برابر ضربه ضعیف بوده و خواص مکانیکی آنها پس از ضربه پایین میباشد.
د) هزینه ساخت آنها نسبتاً بالا میباشد.
در سالهای گذشته روشهای مختلفی برای حل مسائل فوق ارائه گردیده است. یكی از این روشها بکارگیری کامپوزیتهای سه بعدی می باشد. ساخت اولین نمونههای كامپوزیت سه بعدی به سال 1960 برمیگردد. در طی این 50 سال تحقیقات زیادی در زمینه روش های تولید كامپوزیت سه بعدی، افزایش خواص مكانیكی، تجاری سازی آنها و … انجام شده است. تنوع ساختار و روشهای تولید گوناگون، دامنه وسیعی از خواص مكانیكی را برای كامپوزیتهای سه بعدی به ارمغان آوردهاست. همچنین این کامپوزیت ها برخلاف كامپوزیتهای دو بعدی دارای رشته های فایبر در جهت ضخامت میباشند. این موضوع علاوه بر تقویت خواص مكانیكی در راستای ضخامت، از جدایش لایه ها تا حد امكان جلوگیری نموده و مقاومت در برابر ضربه را افزایش میدهد. در حقیقت كامپوزیتهای سه بعدی برخی از معایب اصلی كامپوزیت های دو بعدی را تا حد زیادی مرتفع كرده اند.
كامپوزیت های سه بعدی به چهار دسته اصلیِ Braided,Woven، Knitted و Stitched تقسیم بندی میشوند كه تفاوت آنها در نوع ساختار داخلی و قرارگیری الیاف میباشد. یكی از انواع كامپوزیت های سه بعدیِ Stitched، كامپوزیت پیشرفته چند راستا یا NCF میباشد. كامپوزیت های پیشرفته چند راستا از طریق قرارگیری الیاف تك جهته روی یكدیگر و اتصال آنها به یكدیگر به كمك الیاف عمودی (الیاف در راستای ضخامت) تولید میگردند، در حالیكه در كامپوزیت های دو بعدی رشته های فایبر بصورت تار و پود در محل خود قرار گرفتهاند. كامپوزیت های پیشرفته چند راستا در مقایسه با کامپوزیت های دو بعدی، دارای خواص مكانیكی بهتر، سختی بیشتر، مقاومت بالاتر در برابر جدایش لایه ها و استحکام بیشتر در برابر بارهای ضربه ای و انفجاری میباشند.
در ساختار داخلی سه بعدی کامپوزیت های پیشرفته چند راستا، الیاف عمودی در فواصل معین در راستای ضخامت و روی سطح لایه های بالا و پایین قرار گرفته است. با عبور الیاف عمودی از ضخامت، الیافِ لایه ها دچار انحراف شده و حفره هایی در ساختار داخلی ایجاد میگردد. این حفرهها در پروسه های ساخت کاملاً با رزین پر میشوند. با توجه به این موضوع ساختار داخلی کامپوزیتهای پیشرفته چند راستا یک ساختار ناهمگن و غیر ایزوتروپیک میباشد و خواص مکانیکی آنها با روش های متداولِ مورد استفاده در کامپوزیت های دو بعدی قابل محاسبه نیست. همچنین با توجه به وجود الیاف عمودی در راستای ضخامت، نمیتوان کامپوزیت های پیشرفته چند راستا را ایزوتروپیکِ عرضی فرض نمود]2[.
انجام بررسیهای تجربی، تئوری و عددی متعدد جهت شناخت هرچه بیشتر خصلتهای رفتاری کامپوزیتهای مختلف تحت شرایط بیرونی مختلف یکی از دلمشغولیهای عمده محققان در سالهای اخیر بوده بطوریکه نتایج به بارنشسته قبلی در کارکردهای عملی و صنعتی نیز به نمره قابل قبولی دست پیدا کردهاند.
از جمله این آزمایشات و مشاهدات که بر روی کامپوزیت ها انجام پذیرفته، پاسخ این لایه ها تحت بارگذاری ضربه است. ضربه قطعه خارجی در برخورد با قطعه کامپوزیتی از جمله مواردی است که اجزایی همچون بال و بدنه سازه های هوایی و دریایی را تهدید میکند و در صورت عدم دارایی استحکام مناسب می تواند به تخریب های گسترده و زیان آور بیانجامد. چرا که با همه این تفاسیر و تفاصیل، هنوز نیز کم و کیف پاسخ چندلایه های کامپوزیتی سه بعدی تحت بارگذاری های مساله سازی چون ضربه، محل دغدغه و اندیشه محققان است. بارهای ضربهای محتملی که در طول پروسه تولید و یا حین سرویس دهی و یا تعمیرات رخ میدهند گاهی تولید آسیب های داخلی کرده که با بازرسی های چشمی قابل تشخیص نیستند و در بارگذاریهای بعدی گسترش پیدا کرده و موجب کاهش استحکام سازه و متعاقبا وارد آمدن خسارت و صدمات به سازه و سازه های مرتبط و مجاور میشود. لذا منطقی است که در هنگام طراحی این سازه ها، جهت حصول اطمینان از میزان مقاومت شان در برابر بارهای ضربهای، استحکام آنها در این بارگذاریها مورد بررسی قرار گیرد.
تعداد صفحه : 135
قیمت : 14700تومان
