Skip to main content
SUPERVISOR
Reza Gafari nadooshan,Peiman Mosaddegh
رضا جعفری ندوشن (استاد راهنما) پیمان مصدق (استاد راهنما)
 
STUDENT
Arman Alikhani
آرمان علیخانی

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1395

TITLE

Mesoscale Finite Element Modelling of the Steel-CFRP Hybrid
Today, Composite materials with their prominent characteristics like high specific stiffness and strength have extended application in different industries. Beside these advantages, some disadvanteges like brittle fracture and low failure strain leads to enhance their properties by putting them together with other materials and joining them together in some applications. By putting carbon fiber reinforced composite beside steel, the problem of the low fracture strain of composite would be solved while the specific stiffness and strength would increase. On the other hand, the complicated behavior of composite materials as unisotropic and laminar material cause complexities and uncertainities in analytical methods using for evaluating the strength. Therefore, by development of numerical modelling and computational tools, finite element modelling in meso and micro scale is used as an effective way to investigate the strength of composites. In this research, finite element modelling of steel-continious carbon fiber composite hybrid in mesoscale will be done to investigate the ultimate strength and strain in simple uniaxial test. So, the model will be produced by using python scripting in ABAQUS software. The model has specifications like random distriburion of fibers to reach the specified volume fraction, periodic boundary condition, appropriate meshing in order to applying periodic boundary condition and other required steps to be implemented in ABAQUS. In addition, suitable constitutive equation for carbon fiber in elastic-fracture mode will be defined using ABAQUS subroutine UMAT. In the constitutive equations, the strain based fracture criterion is used and fracture evolution is evaluated based on brittle fracture. Also, carbon fiber strength distribution according to the Weibull probability distribution is considered in the modelling. According to the results, the model can predict the stiffness, fracture strength and strain of CFRP and also stiffness of steel-CFRP hybrid in fiber direction. The fracture strain of carbon fiber composite, contributing in steel-CFRP hybrid, shows meaningful increase in comparison with virgin CFRP. Current simulations could not predict this phenomenon, however, to find out the reason of this phenomenon, the effect of applied transverse strain from steel on resin, fiber and interphase behavior, the effect of production method and the effect of load carrying by fractured fibers are investigated. It can be concluded that the production method of steel-CFRP hybrid has considerable effect on the behavior of hybrid in fiber direction by applying uniaxial tension loading. Keywords: Finite element micromechanical modelling, steel-CFRP hybrid, tensile strength, Weibull distribution
امروزه کامپوزیت ها با دارا بودن مزایایی همچون سفتی واستحکام مخصوص بالا کاربرد گسترده ای در بسیاری از صنایع یافته اند. در کنار این مزایا نقاط ضعفی همچون شکست ترد و کرنش شکست پایین این مواد باعث استفاده از راهکارهایی همچون کنار هم گذاشتن مواد و اتصال آن ها با یکدیگر، در برخی از کاربردها شده است. با کنارهم قرار دادن کامپوزیت الیاف پیوسته کربن در کنار فولاد، در عین افزایش سفتی و استحکام می توان مشکل کرنش شکست پایین کامپوزیت را برطرف نمود. از سوی دیگر رفتار پیچیده این مواد در اثر ناهمسانگردی و چندلایه بودن، موجب پیچیدگی و عدم اطمینان بالا در روش های تحلیلی به منظور بررسی استحکام این مواد می شود. لذا مدل سازی های اجزای محدود در مقیاس مزو و میکرو با گسترش ابزارهای مدل سازی و محاسباتی به عنوان راهکار موثرتری برای بررسی رفتار این مواد مطرح شدند. در این پژوهش، مدل سازی اجزای محدود ماده ترکیبی فولاد-کامپوزیت الیاف پیوسته کربن در مقیاس مزو به منظور بررسی استحکام و کرنش نهایی در آزمون کشش ساده مورد بررسی قرار می گیرد. بدین منظور در نرم افزار آباکوس و با استفاده از کدنویسی زبان پایتون، مدل مدنظر تولید می شود. مدل تولید شده دارای ویژگی هایی همچون توزیع تصادفی الیاف برای کسر حجمی موردنظر، اعمال شرایط مرزی تناوبی، شبکه بندی مناسب برای اعمال شرایط مرزی تناوبی و سایر گام های مورد نیاز برای ایجاد مدل درون نرم افزار آباکوس می باشد. علاوه بر این معادلات ساختاری مناسب برای الیاف کربن تحت کشش در محدوده الاستیک-شکست با استفاده از زیربرنامه UMAT در نرم افزار آباکوس کد نویسی می شود. در این معادلات ساختاری معیار تعریف شده برای شکست لیف کربن، بر اساس کرنش بوده و پیش روی شکست نیز بر مبنای شکست ترد انجام می گیرد. با توجه به آن که الیاف کربن دارای استحکام های متفاوت در محدوده ای گسترده، منطبق بر توزیع وایبل می باشند، این مساله نیز در مدل سازی در نظر گرفته می شود. بر اساس نتایج این پژوهش، مدل سازی انجام گرفته قادر به پیش بینی سفتی، استحکام و کرنش شکست CFRP و سفتی فولاد-CFRP در جهت لیف می باشد. کرنش شکست کامپوزیت الیاف کربن مشارکت کننده در ماده ترکیبی افزایش معناداری نسبت به کامپوزیت تنها دارد، این پدیده در شبیه سازی های اولیه مشاهده نشد. به منظور بررسی دقیق تر این پدیده فرضیه های اثر کرنش عرضی اعمال شده از فولاد بر رفتار رزین، لیف و فاز میانی، اثر فرآیند ساخت و تحمل بار توسط لیف های شکسته شده مورد بررسی قرار گرفت. بر این اساس فرآیند ساخت ماده ترکیب اثر قابل توجهی بر روی رفتار این ماده در راستای کشش محوری دارد. کلمات کلیدی: مدل سازی اجزای محدود میکرو مکانیکی، ماده ترکیبی فولاد-CFRP، استحکام کششی، توزیع وایبل

ارتقاء امنیت وب با وف بومی