بررسی خواص خمشی و ضربه تحت سرعت پایین سازه های خمیده ای شکل مسلح شده با پارچه های سه بعدی تاری-پودی

STUDENT

DEGREE

YEAR

Composite panels reinforced with three dimensional woven fabrics have recently attracted researcher's attention. They could find vast applications in various industries such as aerospace, automotive and construction industry due to their intrinsic properties like high specific strength and stiffness, low weight, thermal and acoustic insulation. Three dimensional fabrics are woven using velvet technique; they consist of two woven layers which are connected to each other by means of connecting yarns called "pile". Unlike conventional sandwich composites, these new sandwich panels have superior core-skin binding. In spite of curved three dimensional woven composites, the mechanical properties of flat ones were studied comprehensively. In the present study, the effect of curvature on the flexural and low velocity impact properties of three dimensional woven composites were investigated. Therefore, three different radii of curvatures including 150, 70 and 35 centimeters, along with two different matrices were considered for preparing of curved composite samples and were compared with flat ones. Bending results show that flexural properties such as flexural strength, stiffness and toughness initially increase and then reduce as radii of curvature reduces, for both matrices. From bending results, it was found that the optimum value of curvature radii is between a150 and 70 centimeters. Low velocity impact results for polyester samples indicated that impact energy absorption increased at first and then decreased and finally increased as curvature increases. In other words, curved composite specimen with the curvature radii of 70 centimeters has absorbed the least impact energy. Thus, it could be construed from low velocity impact results that the optimum value of radii of curvature is about 70 centimeters. Two major weak points of this structure have been realized based on the flexural and low velocity impact test observations, which are: poor performance of upper skin under compression stresses and poor performance of core under shear stresses. Two solutions were offered to improve compression and shear performance of composite samples which were thickening the upper skin by using woven glass fabrics and by means of hand lay-up technique and filling the hollow core of the structure with Polyurethane foam, respectively. Bending results showed that as the upper skin thickness increases from 0.5 mm to 2 and 3 mm, for epoxy composite samples, most of the flexural properties increase initially and then decrease, while for polyester composite samples flexural properties increase. In addition, the presence of foam in the core results in better flexural properties for both matrices. Low velocity impact results indicated that the impact energy absorption reduces as the upper skin thickness increases, for both matrices, while the presence of foam in the core has not significantly reduced the impact energy absorption. Flexural and low velocity impact properties could be enhanced significantly by applying both solutions in a single sample. In other words, flexural strength of a composite sample having thickened upper skin (3 mm) and foam-filled core has been increased about a224% and also the impact energy absorption has been decreased 29/6%, when compared to the sample without foam in the core and thickened upper skin. Keywords: Three dimensional fabric, composite, curved structure, flexural and impact properties

اخیرا صفحات کامپوزیتی مسلح شده با پارچه های سه بعدی تاری-پودی توجه بسیاری از محققین را به خود جلب نموده است. این صفحات به دلیل داشتن خصوصیاتی نظیر استحکام و سفتی مکانیکی مخصوص بالا، وزن کم، عایق حرارت و عایق صوت، کاربردهای گوناگونی در صنایع گوناگونی چون هوافضا، خودروسازی و ساختمان سازی پیدا کرده اند. پارچه های سه بعدی تاری-پودی، حاوی دو پوسته بالا و پایین است که توسط نخ هایی به نام "نخ خاب" به یکدیگر متصل می شوند و با استفاده از تکنیک بافندگی مخمل تولید می شوند. کامپوزیت های سه بعدی تاری-پودی، بر خلاف کامپوزیت های ساندویچی قدیمی (ساختارهای شش وجهی، اسفنج یا بالسا) از چسبندگی بالای ما بین هسته و پوسته برخوردار می باشد. مطالعات گسترده ای بر روی ساختارهای کامپوزیتی سه بعدی در حالت تخت انجام گرفته است اما تاکنون در حالت خمیده تحت مطالعه و بررسی صورت نگرفته است. در این پروژه، ابتدا اثر انحناء بر روی خصوصیات خمشی و ضربه با سرعت پایین صفحات کامپوزیتی مسلح شده با پارچه های سه بعدی تاری-پودی مطالعه و بررسی شده است. بدین منظور سه شعاع انحناء 150، 70 و 35 سانتی متر برای ساخت نمونه های کامپوزیتی منحنی شکل با دو ماتریس اپوکسی و پلی استر، در نظر گرفته شده و با نمونه کامپوزیتی تخت مقایسه گردیده است. با توجه به نتایج حاصل شده از آزمون خمش سه نقطه ای، برای هر دو ماتریس مشاهده گردید که با افزایش انحناء در نمونه کامپوزیتی تخت، اکثر خصوصیات خمشی از قبیل نیروی خمشی، سفتی خمشی و انرژی خمش، در ابتدا افزایش و سپس کاهش پیدا می کنند. بر اساس نتایج آزمون خمشی می توان بدین گونه استنباط نمود که مقدار بهینه ی شعاع انحناء که در آن خصوصیات خمشی بیشینه هستند در محدوده شعاع انحناء 150 و 70 سانتی متر قرار دارد که در برخی از حالات به شعاع انحناء 70 سانتی متر و در برخی دیگر به شعاع انحناء 150 سانتی متر نزدیک می باشد. نتایج آزمون ضربه برای ماتریس پلی استر نیز نشان می دهد که با افزایش انحناء، مقدار انرژی جذب ضربه ابتدا افزایش و سپس کاهش و در آخر افزایش می یابد. بدین معنی که نمونه کامپوزیتی منحنی شکل با شعاع انحناء 70 سانتی متر کمترین مقدار جذب انرژی جذب ضربه پرتاب گلوله را داشته است. بنابراین می توان نتیجه گرفت که مقدار بهینه شعاع انحناء در آزمون ضربه نزدیک به شعاع انحناء 70 سانتی متر می باشد. با توجه به مشاهدات آزمایشگاهی در نحوه شکست نمونه های کامپوزیتی در هر دو آزمون، به دو نقطه ضعف اصلی این نوع کامپوزیت های سه بعدی پی برده شده است که عبارت اند از: ضعف پوسته بالا در برابر تنش فشاری و ضعف هسته در برابر تنش برشی. با علم به این دو نقطه ضعف، دو راه حل بهبود برای بهبود رفتار فشاری و برشی کامپوزیت ارائه شده است. ضخیم سازی پوسته بالا با قرار دادن دو یا چهار لایه از پارچه دو بعدی شیشه با استفاده از تکنیک لایه گذاری دستی به منظور بهبود رفتار فشاری پوسته بالا و هم چنین تزریق اسفنج پلی یورتان در هسته کامپوزیت به منظور بهبود رفتار برشی هسته، بر روی نمونه ی کامپوزیتی منحنی شکل با شعاع انحناء 70 سانتی متر انجام گرفته است. نتایج حاصل شده از آزمون خمش نشان می دهند که با افزایش ضخامت پوسته از 5/0 میلی متر به 2 و 3 میلی متر، اکثر خصوصیات خمشی نمونه های اپوکسی ابتدا افزایش و سپس کاهش پیدا می کنند در حالی که اکثر خصوصیات خمشی نمونه های پلی استر افزایش یافته اند. هم چنین حضور اسفنج در هسته منجر به افزایش خصوصیات خمشی در هر دو ماتریس می شود. نتایج آزمون ضربه نشان می دهند که با افزایش ضخامت پوسته بالا، در هر دو ماتریس، مقدار انرژی جذب ضربه در اولین پرتاب گلوله کاهش پیدا می کند. در حالی که حضور اسفنج در هسته تأثیر چندانی در مقدار انرژی جذب ضربه در اولین پرتاب گلوله نداشته است. در صورتی که هر دو راه حل پیشنهادی را در یک نمونه به کار گرفته شود، افزایش چشمگیری در خصوصیات خمشی و هم چنین ضربه ای کامپوزیت مشاهده می شود. بدین معنی که نیروی خمشی نمونه کامپوزیتی اپوکسی پوسته ضخیم شده به مقدار 3 میلی متر حاوی هسته اسفنج دار به میزان 224 درصد افزایش پیدا می کند و هم چنین مقدار انرژی جذب ضربه به میزان 6/29 درصد کاهش یافته است. کلمات کلیدی: منسوج سه بعدی، کامپوزیت، سازه خمیده، خصوصیات خمشی و ضربه