Skip to main content
SUPERVISOR
Mahmoud Salimi,Mohammad Silani,MohammadReza Forouzan
محمود سلیمی (استاد راهنما) محمد سیلانی (استاد مشاور) محمدرضا فروزان (استاد راهنما)
 
STUDENT
Azam Arefi
اعظم عارفی

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1392

TITLE

Micromechanical Evaluation of the Matrix Material Damage Models in Continuous Fiber-Reinforced Polymer Composites
Micromechanical simulations not only enables to visualize the physical phenomena involved during failure, such as matrix failure, fiber/matrix debonding or ply delamination, but also can be used as very powerful tools for performing various virtual mechanical tests. Using this methodology different loading scenarios difficult and expensive to apply through experiments, can be simulated by means of numerical simulation of a representative volume element (RVE) of the microstructure. In this thesis, computational micromechanics is employed to examine the performance of the Tsai-Wu and Hashin criteria in prediction of matrix failure in composits in several multi-axial stress states. Micromechanical simulation of composite material failure requires a pressure-dependent failure model for the polymeric matrix. Available pressure-dependent damage formulations assume a certain shape of the stress-strain law under uniaxial loading. However, upon close iection none of the available formulations is able to reproduce the assumed shape. In this thesis, firstly, a new methodology for developing consistent pressure-dependent damage models for polymeric materials is presented. Secondly, macromodels are calibrated with the results from RVEs including 25 elastic fibers and a pressure-dependent damaging matrix in five basic virtual mechanical tests. Various stress combinations are applied to the RVE using PBCs and the failure envelopes from micromechanics are compared with those of Tsai-Wu and Hashin. Considering the failure envelopes obtained for longitudinal shear/longitudinal tension and also transverse tension/longitudinal tension, it is found that the stress in fiber direction has a significant effect on the predicted failure load. Although this effect is taken into account in the Tsai-Wu criterion, it is left out of consideration in the Hashin criterion. The big difference between the predictions of the two macroscopic failure criteria and micromodel response in combined loadings including transverse tension and longitudinal shear indicates that the interaction between these two stress components is very different depending on whether they are in the same plane or not. Afterwards, the performance of the model is enhanced by formulating an elastic-plastic-damage model for the matrix material and employing cohesive elements between fibers and matrix. There is a good agreement between the micromechanical simulations and experimental results. Keywords: Pressure-dependent damage model, Micromechanicas, Faiure envelope, Polymer composite, Combined loading.
میکرومکانیک محاسباتی ابزاری کارآمد برای طراحی مواد به منظور بررسی تأثیر متغیرهای مختلف بر روی خواص و رفتار مکانیکی آن ها قبل از ساخت است. به کمک شبیه سازی های میکرومکانیکی نه تنها می توان تأثیر شکل و نحوه توزیع فازهای سازنده را بر روی پاسخ مکانیکی مواد مورد بررسی قرار داد، بلکه بررسی دقیق میکروتنش ها و میکروکرنش ها منجر به تخمین دقیق نحوه شروع و رشد آسیب و استحکام شکست می شود. در نتیجه نتایج حاصل از این روش ها برای دستیابی به اعتبار معیارهای آسیب و گسیختگی و نیز غلبه بر محدودیت های روش های آزمایشگاهی بسیار مناسب است. در این رساله، هدف بررسی عملکرد برخی از معیارهای گسیختگی پرکاربرد از جمله پاک، هاشین و سای-وو برای بررسی شروع آسیب در ماده زمینه در مواد مرکب پلیمری تقویت شده با الیاف پیوسته به کمک شبیه سازی های میکرومکانیکی است. بدین منظور ورودی های مدل های گسیختگی ماکرومکانیکی که غالباً استحکام های ماده در بارگذاری های مختلف و همچنین برخی از ضرایب اصطکاک داخلی هستند، با استفاده از شبیه سازی های میکرومکانیکی محاسبه شده و سپس منحنی های گسیختگی حاصل از تحلیل های میکرومکانیکی با منحنی های ماکرومکانیکی مقایسه شده است. با توجه به این که در میان فازهای سازنده ماده مرکب، ماده زمینه رفتار پیچیده تری نسبت به سایر فازها دارد، تمرکز این رساله بر روی این فاز و معیارهای گسیختگی مربوط به آن در یک ماده مرکب از جنس شیشه/اپوکسی است. بنابراین، در مدل میکرو الیاف به صورت الاستیک و همسانگرد مدل شده اند. برای مدل سازی رفتار ماده زمینه پلیمری ابتدا یک مدل آسیب سازگار وابسته به فشار هیدرواستاتیک توسعه داده شده و سپس عملکرد معیارهای هاشین و سای-وو در بارگذاری های ترکیبی که غالباً بارگذاری در جهت الیاف را شامل می شود، با نتایج میکرومکانیکی مقایسه شده است. اگرچه برطبق معیار هاشین گسیختگی ماده زمینه مستقل از بارگذاری در جهت الیاف است، نتایج میکرومکانیکی از تسریع گسیختگی ماده زمینه درنتیجه کشش در جهت الیاف حکایت می کند. علی رغم انطباق مطلوب بین نتایج میکرومکانیکی و پیش بینی های معیار سای-وو در اکثر بارگذاری های ترکیبی، اختلاف چشمگیر نتایج در بارگذاری شامل کشش جانبی-برش طولی حاکی از لحاظ نکردن تأثیر صفحه بارگذاری در معیار سای-وو است که البته در معیار هاشین نیز به چشم می خورد. برای بهبود نتایج میکرومکانیکی در بارگذاری کشش/ فشار جانبی-برش طولی، علاوه بر فرمول بندی یک مدل الاستیک-پلاستیک-آسیب برای ماده زمینه، جدایش الیاف از ماده زمینه نیز به عنوان مود گسیختگی دیگری در مدل میکرو لحاظ شده و منحنی های گسیختگی استخراج شده است. نتایج حاصل از شبیه سازی ها در این بارگذاری ترکیبی، منحنی های گسیختگی را نزدیک به مقادیر تجربی پیش بینی می کند. کلمات کلیدی: آسیب وابسته به فشار هیدرواستاتیک، ماده مرکب پلیمری، میکرومکانیک، سطح گسیختگی، بارگذاری ترکیبی

ارتقاء امنیت وب با وف بومی