مطالعه تجربی و مدل سازی رفتار مکانیکی کامپوزیت های تقویت شده با منسوجات فاصله دار حلقوی پودی تحت ضربه ثقلی

STUDENT

DEGREE

YEAR

: The de-bonding of face-core is the main problem of the conventional sandwich composites under impact loads. The 3D preforms are suggested to solve this problem. In this study, the behavior of newly designed 3D integrated weft-knitted sandwich composites (3DIW-KSC) is investigated under drop weight impacts and is predicted by finite element method. For this purpose, the 3D spacer weft knitted fabrics are knitted with different cross-sectional shape on a Stoll flat knitting machine. The four types of 3D spacer fabrics are: rectangular single decker with two thickness, rectangular double decker and triangular single decker. The basic specifications of the fabrics such as loop density remain constant for all samples. The vacuum assisted resin transfer molding (VARTM) with unsaturated polyester resin is used for manufacture of sandwich composites. The thin face-sheets of 3DIW-KSCs are reinforced by sixth layer of E-glass woven fabrics with the same specifications in weft and warp directions and unsaturated polyester resin by hand layup method for increasing rigidity of the face-sheets. The mechanical behavior of 3DIW-KSCs is compared with a conventional sandwich composite with the same face-sheets and the PU foam core. The results of three point bending verify that the strength and stiffness of 3DIW-KSCs with triangular cross-sectional shape is higher than the other samples. Beside there is no face-core de-bonding in the 3DIW-KSCs. The failure modes of 3DIW-KSCs under bending test are compression failure of upper face, tensile failure of lower face and shear failure of core. The results of drop weight impact tests of samples show that the DDU and SDV 3DIW-KSCs have higher strength and contact force of impact. The estimated damage of samples shows that the SDV and PF samples have the lowest damage area. The failure modes of 3DIW-KSCs under impacts are: matrix cracks of face-sheet in vicinity of impact location and transverse cracks in connecting layers of core. There is no observed core-face de-bonding of 3DIW-KSCs. The results of bending after impact for evaluation of the residual tensile and compression strength of the damaged samples under drop weight impacts prove that the residual tensile strength is higher than the residual compression strength of samples. The 3DIW-KSC with triangular cross-sectional shape has the highest residual tensile and compression strength after impacts. The bending and drop weight impact behavior of 3DIW-KSCs are predicted with finite element method by a macro-mechanical model. The bending and drop weight simulation is solved with general static and dynamic explicit. The Hashin failure criterion is used in model to estimate failure initiation. The experimental results of bending and drop weight impact test for triangular cross-sectional shape have good correlation with finite element model. The finite element model has a good correlation with experimental bending results of single-decker rectangular cross-sectional shape. Furthermore the established model is able to predict the failure modes of samples under bending and impact loads. The comparison of predicted stress of s 11 , s 22 and s 12 between triangular and rectangular cross-sectional shape show the higer stiffness of triangular cross-sectional shape.

یکی از مشکلات کامپوزیت‌های ساندویچی متداول در برابر بارگذاری‌هایی مانند ضربه، تورق و جدایش پوسته از هسته است. برای حل این مشکل، استفاده از تقویت‌کننده‌های سه‌بعدی در ساخت چنین ساختارهایی پیشنهاد می شود. در این پژوهش، رفتار نوع جدیدی از کامپوزیت های سه‌بعدی تولیدشده به روش بافندگی حلقوی پودی در برابر اعمال ضربه ثقلی بررسی و توسط نرم‌افزارهای اجزای محدود شبیه‌سازی می گردد. برای دستیابی به این هدف، پارچه‌های اسپیسر سه‌بعدی دارای هسته‌های با سطح مقطع هندسی مختلف بر روی ماشین تخت باف اشتول بافته شدند. چهار نوع پارچه سه‌بعدی بافته‌شده به روش بافندگی حلقوی پودی عبارت‌اند از: پارچه‌های سه‌بعدی با سطح مقطع مستطیلی یک طبقه با دو ارتفاع مختلف 20و 30 میلیمتر، سطح مقطع مستطیلی دوطبقه و سطح مقطع مثلثی یک طبقه. مشخصات بافت همانند طول حلقه و تراکم حلقه برای تمام پارچه‌های بافته‌شده یکسان در نظر گرفته شد. برای ساخت کامپوزیت ساندویچی از روش تزریق رزین به کمک کیسه خلأ و رزین پلی‌استر غیراشباع استفاده شد. به دلیل نازک بودن پوسته کامپوزیت‌های ساندویچی ساخته‌شده، پوسته این ساختارها به‌وسیله 6 لایه پارچه تاری پودی از الیاف شیشه که دارای خواص مکانیکی یکسانی در جهات تاروپود بودند با استفاده از رزین پلی‌استر غیراشباع به روش لایه گذاری دستی تقویت شد. رفتار مکانیکی کامپوزیت‌های ساندویچی سه‌بعدی تولیدشده با یک نمونه کامپوزیت ساندویچی حاوی هسته فوم پلی یورتان و پوسته مشابه ساختارهای مذکور، مقایسه شد. نتایج آزمون خمش سه‌نقطه در سطح استاتیکی بر روی نمونه‌ها نشان داد استحکام نمونه کامپوزیت سه‌بعدی با سطح مقطع مثلثی نسبت به نمونه حاوی هسته فوم پلی یورتان و نمونه‌ها با ساختارهای دیگر بیشتر بود. همچنین کامپوزیت‌های ساندویچی با هسته سه‌بعدی حلقوی پودی مقاومت بالایی در برابر تورق و جدایش هسته از پوسته داشتند. مدهای آسیب به وجود آمده در نمونه کامپوزیت‌های ساندویچی با هسته سه‌بعدی شامل شکست فشاری پوسته رویی، شکست کششی پوسته زیرین و شکست برشی هسته بود. نتایج حاصل از آزمایش ضربه ثقلی نشان داد که نمونه‌های کامپوزیت ساندویچی ساخته‌شده از هسته‌های سه‌بعدی با سطح مقطع مثلثی و مستطیلی دوطبقه، نیروی ضربه تا شکست بیشتری را نسبت به دیگر نمونه‌ها تحمل نمودند. ارزیابی آسیب نمونه‌ها نشان داد که نمونه کامپوزیت ساندویچی با هسته سه‌بعدی با سطح مقطع مثلثی و نمونه کامپوزیت ساندویچی با هسته فومی کمترین مقدار ناحیه آسیب را داشتند. مدهای آسیب به وجود آمده در ساختارهای ساندویچی ساخته‌شده، ترک ماتریس در اثر ضربه در مجاورت ناحیه ضربه خورده در پوسته و نیز ترک‌های عرضی در هسته بود. هیچ‌گونه جدایش هسته از پوسته در کامپوزیت‌های ساندویچی با هسته‌های سه‌بعدی حلقوی پودی ساخته‌شده مشاهده نشد. نتایج آزمون خمش پس از ضربه بر روی نمونه‌های آسیب‌دیده تحت ضربه ثقلی برای ارزیابی استحکام کششی و فشاری باقی‌مانده پس از ضربه ساختارهای کامپوزیت ساندویچی، نشان داد که به‌طور عمده استحکام باقی‌مانده پس از ضربه در حالت کششی بیشتر از حالت فشاری است. نمونه کامپوزیت ساندویچی با هسته مثلثی بیشترین استحکام پس از ضربه را در حالت کششی و فشاری نسبت به دیگر نمونه‌ها به نمایش گذاشت بطوریکه درصد افت استحکام این نمونه پس از ضربه در حالت کششی 4 درصد بود. برای پیش‌بینی رفتار مکانیکی کامپوزیت‌های ساندویچی با هسته سه‌بعدی حلقوی پودی در سطح استاتیکی و دینامیکی یک مدل ماکرو مکانیکی اجزای محدود در نرم‌افزار آباکوس بکار گرفته شد. شبیه‌سازی آزمون خمش به‌وسیله حل استاتیکی و آزمون ضربه ثقلی با حل صریح انجام گرفت. برای تخمین شروع شکست در ساختار از معیار شکست هاشین در مدل اجزای محدود استفاده شد. نتایج مدل اجزای محدود در سطح استاتیکی و دینامیکی برای نمونه کامپوزیت ساندویچی با هسته مثلثی انطباق بسیار خوبی با نتایج تجربی داشت. برای ساختار با سطح مقطع مستطیلی یک طبقه، مدل اجزای محدود به‌خوبی رفتار خمشی را پیش‌بینی نمود. همچنین مدل پیشنهادی قادر است مدهای آسیب به وجود آمده تحت بارگذاری خمشی و ضربه ثقلی در ساختارها را به‌خوبی پیش‌بینی کند. مقایسه تنش‌های پیش‌بینی‌شده در جهات مختلف در ساختارهای با سطح مقطع مثلثی و مستطیلی تحت خمش به روش اجزا محدود، حاکی از سفتی برشی بسیار بیشتر ساختار با سطح مقطع مثلثی است.