SUPERVISOR
Saeed Ajeli,Mehdi Salmani tehrani,Mohammad Sheykhzadeh
سعید آجلی (استاد راهنما) مهدی سلمانی تهرانی (استاد مشاور) محمد شیخ زاده (استاد مشاور)
STUDENT
Shohreh Minapoor
شهره میناپور
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی نساجی
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1390
TITLE
Experimental study and modeling of bending and tensile behavior of non-crimp 3D orthogonal woven fabric
Non-crimp 3D orthogonal carbon weave is a specific type of 3D woven fabric which is expected to have high performance as composite reinforcement due to its unique architecture, high functional ability and light-weight benefits. Although there have been many attempts to study and model the mechanical behavior of composites reinforced with this fabric, a few works have been done on own non-crimp 3D orthogonal weave. Therefore, more investigations are necessary in this regards. The aim of this research is producing non-crimp 3D orthogonal carbon weave, investigating into tensile and bending behavior and finite element modeling of it. First, a proper design was proposed for the weave device by studying the advantages and disadvantages of methods were devised so far. Then developed device with the possibility of simultaneously yarn insertion was designed and made. Three different orthogonal weaves in terms of carbon fiber tow type; binder yarns insertion density and longitude yarn's pre-tension were produced The study is focused on realization bending and tensile behavior of weave and measurement of main bending and tensile parameters including stress, strain and modulus. For this purpose, three-point bending and uniaxial tensile test methods are used and the load-displacement curves are analyzed. A comprehensive study on the flexural and tensile performance of carbon composite reinforcements was accomplished and the influence of fiber and weave's parameters such as type of carbon fiber tow, geometry of weave and fiber volume fraction on mechanical behavior of non-crimp 3D orthogonal carbon fabric is investigated. It was difficult to distinguish the initial straight-line portion of the load-deflection curve of non-crimp 3D orthogonal carbon samples under bending due to their forms and analysis of such curves hasn't been done yet. So, in this work an attempt was made by fitting a trilinear model to load-deflection curve. ANOVA analysis results at 95% significant level showed that all three parameters: carbon fiber tow type, warp and weft insertion density and longitude yarn's pre-tension have significant effect on porosity, modulus of elasticity in bending and tensile stress of non-crimp 3D weaves. The results show that, the weft and warp yarn insertion density and longitude yarn's pre-tension increase lead to porosity and bending modulus of non-crimp 3D orthogonal carbon weave increase. The bending rigidity of non-crimp 3D orthogonal carbon weave is strongly depended on type of carbon tow and therefore yarn's bending rigidity. The fabric architecture changes due to different binder yarns insertion densities influencing the stress wave propagation by preventing crack growth, thus leading to improve tensile strength of 3D orthogonal reinforcement. Simulation of mechanical behavior of non-crimp 3D orthogonal woven fabric was performed in meso-scale by finite element analysis. At first, taking rectangular shape with an average size obtained by microscopic images seemed the best option for cross-section shape of yarns in modeling. Based on experimental weave parameters, a set of numerical compression tests simulated using proposed model. The results showed that the model can successfully predict the mechanical behavior of non-crimp 3D orthogonal carbon composite reinforcements. This model will be useful for composite manufacturing process and applications.
منسوجات بدون بافت متعامد، یکی از زیرمجموعههای منسوجات سهبعدی هستند که از پیوستن حداقل سه دسته نخ متعامد در جهتهای Z,Y,X بدون هیچگونه بافترفتگی و درگیری تولید میشوند. ویژگیهای خاص این منسوجات باعث بالا بودن کارآیی مکانیکی آنها شده و محققان را به سمت مطالعه، تحلیل و مدلسازی آنها سوق داده است. اهمیت کاربرد این منسوجات بهعنوان تقویتکنندهی کامپوزیتها بخصوص در صنایع هوافضا، دفاعی و نظامی، نبود امکان تولید آنها در کشور و محدود بودن مطالعات مربوط به خصوصیات مکانیکی و مدلسازی آنها سبب شکلگیری اهداف اصلی این پروژه «تولید منسوج بدون بافت متعامد سهبعدی، بررسی تجربی خواص کششی و خمشی منسوج تولیدشده و مدلسازی آن با روش اجزای محدود» گردید. بدین منظور ابتدا طرح دستگاه تولید منسوج بهصورت دستی و بامطالعهی مزایا و معایب روشهای ابداعشده تاکنون ارائه و سپس دستگاه توسعهیافتهی تولید منسوج با امکان پودگذاری همزمان در هر لایه طراحی و ساخته شد. نمونههای تولیدشده بر روی این دستگاه ازنظر یکنواختی و کسر حجمی الیاف، مطلوب و فرآیند تولید با آن نیز ازنظر زمان و راحتی کار مناسب به نظر رسید. درنهایت طراحی دستگاه با پرداختن به جزئیات دقیقتر مانند مکانیزم پودگذاری، متراکمسازی منسوج و کاهش زمان تولید نمونه، بهینه و نیمهخودکار گردید. نمونههای بدون بافت متعامد سهبعدی با متغیرهای نمرهی نخ کربن مصرفی، تراکم پودگذاری در راستای نخهای طولی و کشش نخهای طولی بر روی دستگاه ساختهشده تولید شدند و سپس تحت آزمونهای مکانیکی کشش و خمش سهنقطهای قرار گرفتند. جهت ارزیابی دقیق نتایج آزمون خمش، یک مدل سهخطی ارائه و تحلیلهای آماری بر روی نتایج تجربی انجام شد. نتایج تحلیل واریانس با سطح معنیداری 5% نشان داد اثر تمامی متغیرهای نخ و منسوج بر تخلخل، مدول خمشی و استحکام کششی منسوج معنیدار است. تحلیل دانکن نیز برای مقایسهی میانگینهای تخلخل، مدول خمشی و استحکام کششی نمونههای بدون بافت متعامد انجام و نتایج آن بر اساس متغیرهای نخ و منسوج تحلیل شد. نتایج نشان داد که میانگین تخلخل نمونههای تولیدشده بسته به متغیرهای ساختاری آنها از حدود %35 تا %50 متغیر است. افزایش تعداد فیلامنتها در نخ کربن مصرفی و درنتیجه کاهش تخلخل منسوج، لزوماً سبب افزایش مدول خمشی منسوج بدون بافت متعامد سهبعدی بافتهشده با آن نخواهد شد و نوع نخ کربن تأثیر بسیار زیادی بر رفتار خمشی آن و منسوج بافتهشده با آن دارد. مقادیر نیروی پارگی بیشتر از حد انتظار این منسوج خاص سهبعدی تحت آزمون کشش نشان میدهد که وجود نخهای عرضی با افزایش اصطکاک داخلی در حین بارگذاری کششی و همچنین جلوگیری از رشد ترک، کارآیی کششی دسته نخهای طولی را بهبود میبخشد. نتایج حاکی از آن است که با فرض یکسان بودن نخ کربن مصرفی، در رابطه با تخلخل ساختار و مدول خمشی منسوج، نقش تراکم پودگذاری در راستای طولی برجستهتر است؛ درحالیکه در مورد استحکام کششی منسوج نقش کشش نخهای طولی پررنگتر میشود. در پایان رفتار خمشی و کششی منسوج بدون بافت متعامد سهبعدی به روش اجزای محدود در مقیاس مزو و با استفاده از نرمافزار آباکوس شبیهسازی گردید. نتایج نشان داد مطابقت خوبی میان مقادیر پیشبینیشده توسط مدل اجزای محدود و مقادیر بهدستآمده از آزمونهای تجربی وجود دارد و مدل ارائهشده میتواند رفتار کششی و خمشی منسوج را در حد قابل قبولی پیشبینی نماید. این شبیهسازی جهت پیشبینی رفتار مکانیکی تقویتکنندهی بدون بافت متعامد سهبعدی و کامپوزیت تقویتشده با آن بسیار مفید خواهد بود.