Skip to main content
SUPERVISOR
MohammadReza Forouzan,Reza Gafari nadooshan
محمدرضا فروزان (استاد راهنما) رضا جعفری ندوشن (استاد مشاور)
 
STUDENT
Maedeh Hajimoradi
مائده حاجی مرادی

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1396

TITLE

Effect of Fiber Waviness on Compressive Strength of Unidirectional Fiber Reinforced Composite
Nowadays, composite materials are widely used in different industries, especially in aerospace structures, due to their particular properties like high specific stiffness and strength. One of the most popular types of composites is unidirectional fiber reinforced composites that offer high tensile strength along the fiber direction. Nevertheless, it was observed that the longitudinal compressive strength of such composites is 50-60% of their tensile strength. The most common failure mode of fiber reinforced polymer composites under longitudinal compression is kink-band formation. It causes a significant drop in the load-bearing capacity of the material. It has been shown that manufacturing defects, particularly fiber misalignment, can be the primary cause of fiber kinking and the final failure of the composite. Since experimental determination of the mechanical behavior of composites costs a lot, and because of the availability of more accurate and faster computational tools in recent years, numerical simulations, especially employing finite element methods, have become attractive. In this study, the goal is to present a two-dimensional micromechanical model for investigating the effect of fiber waviness on the behavior of unidirectional fiber reinforced composite under longitudinal compression. In this modeling, the fiber fracture, the matrix plasticity and damage, and the fiber-matrix interface crack are considered. With this model, the predicted longitudinal compressive Young's modulus, longitudinal compressive strength, and the failure pattern for AS4/8552 UD-CFRP are in good agreement with experimental results. It concludes that the increase of fiber waviness angle leads to a significant strength reduction in fiber orientation. However, the longitudinal compressive Young's modulus is less affected by the fiber misalignment angle. Besides, initial fiber misalignment and matrix shear are detected to be the main factors affecting kink-band formation. Damaged fiber-matrix interfaces can result in matrix failure initiation, and consequently, the final failure of the composite is accelerated, while fiber fracture has a minor effect on the compressive failure of the composite. The parametric study on fiber volume fraction shows an increase of this parameter can improve both the longitudinal compressive Young's modulus and strength. Keywords: Unidirectional fiber reinforced composite, Longitudinal compression, Fiber waviness, Compressive strength, Finite element method.
امروزه مواد کامپوزیتی به دلیل دارابودن خواص مکانیکی بسیار مطلوب در جهات خاص از جمله استحکام ویژه و سفتی ویژه‌ی بالا، در صنایع مختلف به ویژه صنعت هوافضا به‌طور گسترده مورد استفاده قرار می‌گیرند. یکی از متداول‌ترین انواع کامپوزیت‌ها، کامپوزیت‌های تک‌جهته‌ی تقویت‌شده با الیاف هستند. اگرچه این نوع کامپوزیت‌ها دارای استحکام کششی بالا در راستای قرارگیری الیاف هستند، استحکام فشاری آن‌ها چندان مطلوب نبوده و تنها در حدود 50 تا 60 درصد استحکام کششی آن‌ها گزارش شده ‌است. از جمله عواملی که استحکام پایین این مواد در فشار را ناشی می‌شود، مود زوال پیچ‌خوردگی الیاف است که می‌تواند باعث افت شدید استحکام ماده شود. مطالعات انجام‌شده در این زمینه نشان داده ‌است، عیوب ساخت از جمله ناهمراستایی الیاف، زمینه‌ساز شکل‌گیری نوار پیچ‌خوردگی الیاف و زوال نهایی ماده هستند. از آنجایی که بررسی رفتار مواد کامپوزیتی به کمک انجام آزمایش‌های تجربی تحت شرایط مختلف امری هزینه‌بر و زمان‌بر است و با توجه به در اختیارداشتن ابزارهای محاسباتی دقیق‌تر و سریع‌تر نسبت به گذشته، شبیه‌سازی رفتار مواد کامپوزیتی به کمک نرم‌افزارهای اجزامحدود مورد استقبال بسیاری از پژوهشگران قرار‌گرفته ‌است. از این رو در این پژوهش هدف ارائه‌ی یک مدل دوبعدی میکرومکانیکی برای بررسی اثر موج الیاف بر رفتار کامپوزیت تک‌جهته‌ی تقویت‌شده با الیاف تحت بارگذاری فشاری طولی است. بنابراین سعی شده تا با در نظر گرفتن آسیب الیاف، زوال ماتریس و آسیب در فصل مشترک الیاف و ماتریس، مدلی با جزییات دقیق ارائه شود. مقادیر استحکام و مدول یانگ فشاری طولی و الگوی زوال پیش‌بینی‌شده با استفاده از این مدل برای کامپوزیت AS4/8552 تطابق خوبی را با نتایج تجربی موجود نشان می‌داد. نتایج به‌دست‌آمده از پژوهش حاضر حاکی از آن است که افزایش زاویه‌ی موج الیاف نسبت به راستای بارگذاری باعث کاهش شدید استحکام فشاری ماده در این راستا می‌شود. این درحالی است که مدول یانگ فشاری طولی کامپوزیت کمتر متأثر از هندسه‌ی اولیه‌ی الیاف است. به‌علاوه، ناهمراستایی اولیه‌ی الیاف و تنش‌های برشی به وجودآمده در ماتریس به‌عنوان عوامل اصلی شکل‌گیری نوار پیچ‌خوردگی الیاف شناسایی شدند. ضمن این که آسیب در فصل مشترک الیاف و ماتریس می‌تواند باعث شروع زوال ماتریس و تسریع زوال نهایی کامپوزیت شود. با این حال مشاهده شد که زوال فشاری کامپوزیت کمتر تحت تأثیر آسیب در الیاف است. به‌علاوه، بررسی‌های انجام‌شده نشان می‌داد که افزایش کسر حجمی الیاف می‌تواند به افزایش استحکام ومدول یانگ فشاری طولی کامپوزیت کمک کند. کلمات کلیدی: کامپوزیت تک‌جهته‌ی تقویت‌شده با الیاف، بارگذاری فشاری طولی، موج الیاف، استحکام فشاری، روش اجزا محدود.

ارتقاء امنیت وب با وف بومی