Skip to main content
SUPERVISOR
Hossein Hasani,Reza Gafari nadooshan
حسین حسنی (استاد مشاور) رضا جعفری ندوشن (استاد راهنما)
 
STUDENT
Navid Shekarchizadeh
نوید شکرچی زاده

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1393

TITLE

Finite Element Analysis of Damage in Weft-knitted Composites
Nowadays composites are one of the materials with broad applications. Textile composites are a new type of composites in which a textile preform is the reinforcement phase. The textile preform can be prepared directly in the form of the final composite part. The mechanical properties of a type of textile composites known as weft-knitted composite, including stiffness, strength, and failure mechanism are studied in this research. Considering the different types of knitting techniques of weft-knitted composites, two types of them known as plain weft-knitted and biaxial rib weft-knitted composites are studied. By selecting an accurate 3D geometrical model, a unit cell of the composite is modeled in Abaqus which is a finite element analysis software. Tensile tests are simulated in different directions on the unit cell and the stiffness is calculated. By applying proper failure theories to the model, the strength and critical strain of the composite are predicted and also the critical areas of the unit cell are determined. In the next step, a micromechanical analysis is utilized for estimating the same mechanical properties. This analytical method calculates the stiffness matrix in every single element of the yarns and transforms it to the global coordinates. Finally, the stiffness matrix of the unit cell in global coordinates and also the local stress and strain of all yarn elements are derived. In this method, the failure theories are also applied to predict the strength, critical strain and an estimate of the critical area in the unit cell. In order to obtain experimental results and validate the results of simulations, a number of glass/epoxy biaxial rib weft-knitted composite specimens are manufactured. For this purpose, the preform is prepared using a flat knitting machine and epoxy resin is injected to the glass preform to make a composite sheet. The mechanical properties of the composite are measured through tensile tests and the results are compared with finite element and micromechanical analyses. The predicted stiffness and strength of the two composites have acceptable consistency with the experimental results in some cases and partly acceptable consistency in some other cases. The predicted critical fracture areas are relatively consistent with the experiments and they are introduced as the failure mechanism of the composites. By virtue of the presented finite element model and micromechanical analysis and by knowing the geometrical parameters and the composite’s material, the mechanical behavior of a weft-knitted composite can be predicted prior to its production. Keywords: Biaxial weft-knitted composite, Finite element analysis, Micromechanical analysis, Experimental tests, Stiffness, Strength, Failure Mechanism
یکی از مواد پرکاربرد در دنیای امروزی کامپوزیت‌ها هستند. دراین‌بین، نوع جدیدی از آن‌ها موسوم به کامپوزیت‌های نساجی جایگاه خاص خود را پیدا کرده‌اند. در این کامپوزیت‌ها، فاز تقویت‌کننده یک پیش‌شکل‌یافته‌ی منسوج است که قبل از ساخت کامپوزیت، به‌صورت یکپارچه و منطبق با شکل نهایی قطعه بافته می‌شود. کامپوزیت‌های حلقوی-پودی نوعی از کامپوزیت‌های نساجی هستند که در این تحقیق به بررسی رفتار مکانیکی آن‌ها، شامل سفتی، استحکام و مکانیزم آسیب پرداخته می‌شود. با توجه به تنوع موجود در نوع بافت فاز تقویت‌کننده، دو نوع از کامپوزیت‌های حلقوی-پودی با نام‌های کامپوزیت حلقوی-پودی ساده و حلقوی-پودی ریب دومحوری بررسی می‌شوند. در گام اول با انتخاب مناسب‌ترین و دقیق‌ترین مدل هندسی سه‌بعدی که تاکنون ارائه شده است به مدل‌سازی یک سلول واحد از کامپوزیت موردنظر در نرم‌افزار اجزای‌محدود آباکوس پرداخته می‌شود. با انجام شبیه‌سازی آزمون کشش در راستاهای مختلف بر روی مدل ایجادشده، سفتی کامپوزیت محاسبه می‌شود. با به‌کارگیری معیارهای آسیب، استحکام و کرنش بحرانی کامپوزیت در آستانه‌ی شروع آسیب پیش‌بینی می‌شود. همچنین نقاط بحرانی و مستعد شکست در سلول واحد تعیین می‌گردند. در گام بعدی از تحلیل میکرومکانیکی برای بررسی موارد مشابه استفاده می‌گردد. این روش تحلیلی بر محاسبه‌ی سفتی در تک‌تک المان‌های نخ و انتقال آن به مختصات کلی استوار است. درنهایت می‌توان سفتی سلول واحد در مختصات کلی و تنش و کرنش محلی در تک‌تک المان‌های نخ را به دست آورد. در این روش نیز با اعمال معیارهای آسیب، استحکام و کرنش بحرانی کامپوزیت در آستانه‌ی شکست و حدود ناحیه‌ی بحرانی تعیین می‌شوند. در انتها نیز به‌منظور دستیابی به نتایج تجربی و اعتبارسنجی نتایج حاصل از شبیه سازی‌ها، نمونه‌های کامپوزیت حلقوی-پودی ریب دومحوری ساخته می‌شوند. بدین منظور پیش‌شکل‌یافته‌ی موردنظر از جنس الیاف شیشه بر روی ماشین های تخت باف حلقوی-پودی تهیه گردیده و با تزریق رزین اپوکسی به صفحه‌ی کامپوزیتی تبدیل می‌شوند. با انجام آزمون‌های کششی بر روی نمونه‌ها، خواص مکانیکی کامپوزیت اندازه‌گیری شده و با نتایج روش‌های اجزای‌محدود و میکرومکانیکی مقایسه می‌شوند. مقادیر سفتی و استحکام محاسبه‌شده برای دو نوع کامپوزیت در برخی موارد تطابق خوبی و در برخی موارد تطابق نسبی با نتایج تجربی نشان دادند. همچنین نواحی بحرانی شکست کامپوزیت‌ها نیز در روش‌های فوق همخوانی نسبی دارند و به‌عنوان مکانیزم شکست معرفی می‌شوند. به کمک مدل‌سازی‌های اجزای‌محدود و تحلیل میکرومکانیکی ارائه‌شده، با داشتن پارامترهای هندسی و جنس اجزای تشکیل‌دهنده‌ی کامپوزیت می‌توان رفتار کامپوزیت را قبل از ساخت آن، پیش‌بینی کرد. کلمات کلیدی: کامپوزیت حلقوی-پودی دومحوری، تحلیل اجزای‌محدود، تحلیل میکرومکانیکی، آزمون تجربی، سفتی، استحکام، مکانیزم آسیب

ارتقاء امنیت وب با وف بومی