مطالعه تجربی و شبیه سازی عددی رفتار خمشی و فشاری سازه های مرکب تقویت شده توسط منسوجات فاصله دار حلقوی - پودی

STUDENT

DEGREE

YEAR

Textile technologist have put enormous efforts in designing new technical fabrics as the base elements in manufacturing development advanced materials. These highly advanced fabrics due to their desirable mechanical performance as well as high formability, are the key elements in composite manufacturing. Among wide categories of technical fabrics, weft-knitted textiles so far have been rendered as inappropriate to be used in such technical area. The high degree of formability of knitted fabrics due to their loop-like structure is the main factor limiting the use of these fabrics in composite manufacturing. However, the high degree of formability and flexibility enable knitted fabrics to adapt highly complex 3D geometries which are very sought after by composite manufacturing industries. In order to materialize this industrial potential of weft knitted fabrics, this work investigates application of novel 3D composites containing spacer multi-cellular weft-knitted fabrics of various cross-sectional shapes as the reinforcement components. These reinforcements can successfully replace the conventional sandwich composites which are susceptible to delamination. In this work the effect of yarn type together with cross-sectional shape of the reinforcement component on mechanical performance of the resultant composite material under bending and compression loadings were evaluated. Three group of knitted structures with identical same cross-section were produced on a computerized modern flat knitting machine using glass, Kevlar and nylon yarns. In order to examine the effect of structural geometry, four additional group of fabrics with different cross-sectional geometry were knitted using glass yarns. Composites were made via vacuum infusion molding process using epoxy resin. The composite samples were subjected to various loading such as bending and compression. The resultant force-displacement curves pointed to high degree of success of the composite samples under the loading conditions. It was also established that mechanical performance of the composite samples is largely dependent of cross-sectional geometry and less dependent on yarn type. Results showed that while samples with triangular cross-section have higher bending resistance, the rectangular cross-section single-decker samples exhibit higher resistant against areal compression loadings. It was observed that cross-sectional shape cannot significantly affect samples performance during edgewise compression loading. Double-decker samples with rectangular cross-section were found to have high energy absorption ability. Results confirmed that the use of high modulus yarns such as glass and Kevlar, leads to maximum force at yield. Additionally, it was concluded that the use of ductile yarns such as nylon in the reinforcing element, tend to enhance samples energy absorption ability. In order to predict the performance of the samples under various loading conditions, a finite element model based on micromechanics theory was developed. In order to obtain precise model-base results, the Hashin failure criteria was also applied to the model. Comparison of the experimental and model generated results pointed to existence of high agreement between experimental and theoretical results. This was regarded validation of the developed model as a tool which can be successfully used in simulation of performance composites with weft-knitted reinforcement of various cross-sectional shape under any loading conditions.

طراحان و مهندسان صنایع نساجی، همواره سعی دارند تا با ارائهی ساختارهای جدیدی از منسوجات فنی، امکان توسعهی سازههای مهندسی- شده و پیشرفته را فراهم سازند. بهدلیل عملکرد مکانیکی مطلوب و قابلیت شکلپذیری بالا، این دسته از منسوجات را میتوان عضوی کلیدی در صنعت ساخت مواد مرکب پیشرفته با خواص ویژه برشمرد. باوجود تنوع الگوهای بافندگی در تولید منسوجات فنی، بهکارگیری دستهی منسوجات حلقوی-پودی بهدلیل ماهیت ساختاری بافت و نحوهی قرارگیری نخ در ساختمان پارچه، کمتر از سایر منسوجات به چشم می- خورد؛ اما برخی قابلیتهای منحصربهفرد نظیر انعطافپذیری بالا در طراحی و امکان تولید ساختارهای سهبعدی یکپارچه با هندسهی پیچیده، توانمندی بالقوهی منسوجات حلقوی-پودی را در تولید نسل جدیدی از سازههای مرکب سهبعدی به اثبات رسانده است. در این رساله، ساختارهای جدیدی از این منسوجات مورد هدف هستند تا بهعنوان جایگزینی مناسب برای سازههای مرکب ساندویچی متداول معرفی گردند؛ چرا که چندلایهشدگی ساختاری و پدیدهی تورق، مهمترین ضعف عملکردی آنها محسوب میشود. برای این منظور، ساختارهای مختلفی از منسوجات حلقوی-پودی تحت عنوان ساختارهای سهبعدی فاصلهدار چندسلولی متشکل از لایههای سطحی و لایههای اتصالدهندهی پارچهای، طراحی و تولید گردید. در بافت این منسوجات، از نخهای شیشه، کولار و نایلون استفاده شد تا علاوه بر بررسی رفتار و عملکرد مکانیکی سازههای نهایی از دیدگاه هندسهی ساختاری، اثرگذاری نوع نخ مصرفی نیز سنجیده شود. چهارگروه مختلف از منسوجات سهبعدی با مقاطع هندسی متنوع، بر روی ماشین حلقوی تختباف مدرن و تحت شرایط یکسان بافته شدند. فرآیند ساخت سازههای مرکب از منسوجات آمادهشده، با بهرهگیری از اصول قالبگیری تزریق رزین تحت خلاء و استفاده از رزین اپوکسی صورت گرفت. بهمنظور بررسی خواص و عملکرد مکانیکی این سازههای نوظهور، آزمونهای خمش و فشار بر روی آنها طبق استانداردهای موجود، اعمال گردید و نتایج به صورت نمودارهای نیرو- جابهجایی برای هر سازه بهدست آمد. نتایج نشان میدهد که میزان اثرگذاری هندسهی سطح مقطع سازهها بر عملکرد مکانیکی آنها بیشتر از اثرگذاری نوع نخ تقویتکننده است. در شرایط بارگذاری خمشی، سازههای با مقطع هندسی مثلثی شکل، بیشترین مقاومت را از خود نشان دادند و در مقابل، سازههای یکطبقه با مقطع مستطیلی، مقاومت بهتری در برابر نیروهای فشاری سطحی داشتند. نتایج مربوط به آزمون فشار جانبی حاکی از بیتأثیربودن شکل هندسی مقطع سازهها بر عملکرد مکانیکی آنها تحت این شرایط بارگذاری بود. علاوه بر این، پتانسیل خوب سازههای دو طبقه با مقطع مستطیلی در جذب انرژی و مقاومت آنها در برابر تغییرشکلهای بزرگ، هم در برابر نیروهای خمشی و هم نیروهای فشاری نسبت به دیگر سازههای طراحیشده در این تحقیق، به اثبات رسید. تغییردر شکل هندسی مقطع سازهها، میتواند تا حدود 15 درصد استحکام آنها را در برابر نیروهای خمشی بهبود بخشد و از سوی دیگر، تأثیرگذاری همین عامل بر استحکام فشاری سازهها تا 60 درصد برآورد شده است. بر اساس نتایج، استفاده از نخهای تقویتکننده با مدول بالا نظیر شیشه و کولار، رفتار خوبی را به لحاظ بیشترین نیروی قابلتحمل در سازهی نهایی نتیجه میدهد؛ در حالیکه بهکارگیری نخهایی با نظیر نایلون، قابلیت سازه را در جذب انرژی بهبود میبخشد. ارائهی مدل اجزای محدود از سازههای مورد نظر با هدف پیشبینی رفتار و عمکرد مکانیکی آنها در شرایط بارگذاری مختلف، نقطهی عطف این رساله بهشمار میرود. مراحل ابتدایی کار در مدلسازی، با ارائهی یک مدل از سلول واحد ساختاری آغاز گردید و در نهایت به ارائهی طرحی از سازهها مبتنی بر مدل اجزای محدود در محیط نرمافزار آباکوس منتهی شد. با توجه به اینکه سازهها در آزمونهای تجربی بارگذاری، دچار پدیدهی شکست شدند، لذا واردکردن مقادیری از معیار شکست مناسب برای بیان حالت دقیقتری از رفتار شکست سازهها در مراحل مدلسازی، حائز اهیمت است. برای این منظور، معیار شکست هاشین در مدلسازی اعمال گردید و اعتبارسنجی نتایج بهدست آمده از روش اجزای محدود در مقایسه با نتایج تجربی، مورد بررسی قرارگرفت. بهدلیل انطباق خوب میان نتایج تجربی و نتایج مدلسازی، مشخص گردید که مدل پیشنهادی برای این سازههای سهبعدی تقویت- شده با منسوجات حلقوی چندسلولی، بهخوبی میتواند رفتار واقعی آنها را تحت شرایط مختلف بارگذاری پیشبینی کند.