برای شبیه سازی ضـربه بایـد بـه ترتیـب مراحـل تعریـف هندس ه ه ر بخ ش از م دل۲۰، مونت اژ ک ردن ق سمته ای مختلـف۲۱، تعیـین خـواص مـواد۲۲، نحـ وهی اجـرای فراینـد ضربه۲۳، نحوهی تماس بخش های مختلف ۲۶، شرایط مـرزی۲۵، مشبندی۲۶ و در نهایت حل مسئله۲۷ را در نرمافـزار آبـاکوس اعمال کرد.
کامپوزیت به صورت پوسته۲۸ مستطیل تغییر شکل پـذیر۲۹ به طول ۱۵۰ و عرض ۱۰۰ میلیمتر تعریف شده است. سـطحمقطع پوسته به صورت کامپوزیت چهار لایه با آرایـش شـبه-ایزوتروپیک۳۰ تعریف، سپس برای هر لایه، پارامترهای ابعادیو فیزیکی شامل چگالی۳۱، ضـخامت، زاویـه و مشخـصههـایمکانیکی مورد نیاز از جمله مـدول کشـشی، مـدول برشـی وضریب پواسن در راسـتاهای طـولی و عرضـی تعریـف شـد . شـکل (۱) نحـوه تعریـف سـطح مقطـع پوسـته بـه صـورت کامپوزیت چند لایه را نشان میدهد. همـان طـور کـه در ایـنشکل مشاهده میشود ضخامت و زاویه قرارگیری هر لایـه دربخش تعریف خواص مواد تعیین شده است . به منظور تعیـینپارامترهای مکانیکی در هر لایه کامپوزیت، در بخش تعریـفخواص مواد، هـر لایـه از نـوع لمینـا۳۲ تعریـف شـده اسـت.
همچنین در این قسمت، معیار شکست۳۳ هاشین۳۴ بـا اسـتفادهاز مقادیر بیشینه استحکام کششی، فشاری و برشی تعریف شد [١۴].
ضربهزن٣۵ به شکل نیمکـره بـه شـعاع ۷/۱۲ میلیمتـر، بـهصورت پو سته سه بعدی و به شـکل جـسم صـلب۳۶ تعریـفشده است . برای اعمال شـرایط مـرزی، یـک صـفحه در زیـرنمونه کامپوزیت و چهار گیره در گوشـههـای آن بـه صـورتپوسته سه بعدی به شکل جسم صلب تعریف شده اسـت. در شکل (۲)، قسمت های مختلف تعریف شده برای شبیهسـازیآزمایش ضربه پس از مونتاژکردن نـشان داده شـده اسـت. در همه مراحل شبیهسازی فرایند ضربه، همه واحدها بـر اسـاساستاندارد سیستم بینالمللی۳۷ در نرمافزار وارد شده است.
فرایند ضربه در دو مرحله انجام شده اسـت. در گـام اول،ضربهزن از فاصله بسیار کمی تا سطح نمونه با سـرعتی ثابـتحرکت میکند. در گام دوم، ضربهزن با سطح نمونه برخورد خواهد کرد . سرعت ضربه زن در بخش نحـوه اجـرای فراینـد ضربه، به گونه ای تعی ین شد که شدت ضربه، در لحظه برخورد٣٠ ژول باش د. در ای ن بخ ش ج رم ض ربه زن براب ر ٢۵/١ کیلوگرم در نظر گرفته شده است. در طی زمان برخورد تماسبـین نمونـه کامپوزیـت و سـطح زیـرین نمونـه و گیـرههـای نگهدارنده آن، به صورت تماس اصطکاکدار از نـوع پنـالتی٣٨ و تماس بین صفحه کامپوزیت و ضربهزن بـه صـورت بـدوناصطکاک٣٩ در بخش نحوه تماس بخش های مختلـف تعریـف

شکل ۱- نحوه ی تعریف سطح مقطع پوسته به صورت کامپوزیت چند لایه

شکل ۲- قسمت های مختلف تعریف شده برای شبیهسازی آزمایش ضربه
شده است.
شکل (٢)، نحوه اعمال شرایط مرزی بر روی بخـش هـایمختلف را نشان میدهد. همان طور که مشاهده میشود شرایطمرزی صفحه کامپوزیت با اسـتفاده از قـسمت هـای زیـرین وگیرههای نگهدارنده اطراف آن تامین شده است. صـفحه زیـرنمونه کامپوزیت مانع حرکت آن در راستای حرکت ضـربهزن (راس تای ارتف اع) م یش ود. تم اس گی رهه ای نگهدارن ده باعث محدود شدن حرکت نمونه در راستای طولی و عرضی می شوند. همچنین این گیرهها در محل تماسشان مانع حرکـتنمونه در راستای ارتفاع و به سمت بالا میشوند. لازم به ذکـراست کلیه قیدهای جابه جایی و گشتاور نقطـه مرجـع صـفحهزیرین و گیرههای نگهدارنده در همه مراحل مسئله، ثابت شده است. شرایط مرزی بر روی ضربهزن به گونهای تعریف شـده که این قطعه در گام اول با سرعت ثابت به صورت عمـود بـرصفحه کامپوزیت و در گـام دوم بـا سـرعت متغیـر در همـانراستا حرکت میکند.

شکل ٣- آرایش لایههای پارچه تقویتکننده در کامپوزیتهای خالص (الف) و (ه) و هیبرید (ب)، (ج) و (د)
صفحه کامپوزیت با استفاده از ٩۵٠ المـان مربـع شـکل ۴۰ یکنواخت۴١ و منظم۴٢ با اندازه ۴ میلیمتر از نوعS4R بـر رویسطح، المـانبنـدی شـده اسـت. بـا توجـه بـه اینکـه صـفحهکامپوزیت از نوع پوسته و به صورت چهار لایه تعریـف شـدهاست ضخامت هر المان به صورت ظاهری برابر بـا ضـخامتکامپوزیت است اما در فـضای درونـی نـرمافـزار در راسـتایضخامت، هر المان به چهار بخش جداگانه تقسیم شده اسـتو میتوان نتایج را بـرای هـر المـان در هـر لایـه بـه صـورتجداگانه مشاهده کرد. با توجه به منحنی بودن سطح ضربهزن، به منظور پوشش مناسب سطح آن، اندازه المـان هـای قـسمتضربهزن برابر ٢ میلیمتر انتخاب شد. پس از مشبندی، تحلیلمسئله با استفاده از روش اکسپلیسیت۴٣ به صورت خطـی۴۴ ودر حالت اجزا با کرنش کم۴۵ انجام شده است.

۳- تجربیات
در این تحقیق الیاف بازالت و نایلون به ترتیب بـه عنـوانالیاف ترد و انعطافپذیر انتخاب شدهاند. در نمونههـای مـوردبررسی، نسبت حجمی الیاف بازالت به کل حجم در هـر لایـهبرابر۱۰۰، ۷۵، ۶۶، ۵۰ و ۰ درصـد در نظـر گرفتـه شـد. ایـنکامپوزیــت هــا بــه ترتیــب بــه صــورت B۲۵N ،۱۰۰B۷۵، B۵۰N ،۶۶B۳۳N۵۰ و N۱۰۰ کدبنـدی شـده انـد . شـکل (٣ ) آرایش لایه هـای پارچـه تقویـتکننـده را در کامپوزیـت هـایخالص، نمونه های (الف) و (ه) و هیبرید ، نمونه های (ب)،( ج ) و (د) بررسی شده نشان میدهد.
همان طور که اشاره شد برای شـبیهسـازی ضـربه بـر روینمونههای مختلف کامپوزیت، نیاز به مشخص کردن خواص

شکل ۴- نمایی از (الف) دستگاه ضربه، (ب) شکل ضربهزن و (ج) نحوه بستن نمونه در دستگاه جدول ۱- مشخصات فیزیکی، ابعادی و مکانیکی مورد نیاز برای شبیهسازی فرآیند ضربه

100N 50B50N 66B33N 75B25N 100B کد کامپوزیت
٣/١۶ ٣/٩٨ ٣/٠٣ ٣/١۴ ٣/٠٣ ضخامت (mm)

١١٧٠ ١٣٧٠ ١۶٢٠ ١۶٧٠ ١٧٣٠ چگالی تجربی 3(−(kg.m
١/٠۵ ٨/٣٢ ٩/۵٢ ١٠/۴٣ ١۵/۴٢ مدول کششی (GPa)
٠/٢٧ ٠/٢٣ ٠/١۶ ٠/١۵ ٠/١۶ ضریب پواسن
۴/٢١ ۵/١٣ ۵/٢٩ ۵/٣٠ ٩/۴۵ مدول برشی (GPa)
١٣۵ ٨۵ ١٢٢ ١٢٨ ٢۴۴ بیشینه استحکام کششی (MPa)
١٩ ۴٣ ٣٧ ٣٨ ۶۵ بیشینه استحکام فشاری (MPa)
٣۶ ٣۵ ٣۶ ۴۴ ۵٣ بیشینه استحکام برشی (MPa)

جدول ۲- نتایج نظری و تجربی برای کامپوزیتهای مختلف
درصد اختلاف نتایج تئوری و تجربی بیشینه خیز (میلیمتر) درصد اختلاف نتایج
تئوری و تجربی بیشینه نیروی برخورد (کیلونیوتن) کد نمونه
تجربی تئوری تجربی تئوری ۱۸ ١١/١۶ ٩/١۵ ٣۴ ۵/٢۴ ٧/٠۵ 100B
٢۴ ١٢/٧۶ ٩/۶٧ ٣٩ ۴/۶٠ ۶/۴۳ 75B25N
٢٢ ١٣/٣٣ ١٠/٣۵ ٣١ ۴/۶٧ ۶/۱۶ 66B33N
١٢ ١٢/٨١ ١١/٢۴ ٣٢ ۴/۵۵ ۶/٠٣ 50B50N
١۴ ٢١/٠٣ ١٧/٨٩ ٢٧ ٢/٨٣ ۳/۶۲ 100N

فیزیکی، ابعادی و مکـانیکی آنهاسـت . ایـن خـصوصیات درجدول (۱) آورده شده اسـت. مشخـصه هـای مکـانیکی آوردهشده در این جدول، با انجام آزمایشهای کشش، فشار و برش تعیین شدند.
برای ارزیابی شبیهسازی انجام شده، نمونه های کامپوزیـتکاملا مشابه با حالت نظریه، تحت آزمایش تجربی ضربه قـرارگرفتند. آزمایش های ضربه با شدت ۳۰ ژول مطابق شکل (۴) در دانشکده مکانیک دانشگاه بولونیا مطابق استاندارد ASTM D. 7136 صـورت گرفتنـد [١۵]. در ایـن آزمـایش هـا ابتـدا گوشه های نمونه، مطابق شکل (۴ -ج) با استفاده از چهار گیره پلاستیکی با قطر ۱۲ میلیمتـر کـاملا بـر روی دسـتگاه محکـمبسته میشوند آنگاه ضربهزن مطابق شکل (۴-الف) از ارتفـاع۴/۲ متری به صورت آزاد بر روی نمونههای کامپوزیـت رهـامیشود. در بازه زمانی برخورد نیروی وارد شده به ضربهزن وموقعیت ضربه زن در فاصله نزدیک به سطح نمونه به ترتیب بااستفاده از نیروسـنج۴۶ و سنـسور لیـزری۴۷ نـصب شـده رویدستگاه، اندازهگیری و در حافظه رایانه ذخیره شد. بـا اسـتفادهاز این اطلاعات میتوان خیز ایجاد شده در نمونـه را در بـازهزمانی برخورد محاسبه کـرد [١۶]. نتـایج ایـن آزمـایشهـا درجدول (۲) آورده شده است.
بحث و نتیجهگیری
۴-١- ارزیابی نتایج مدل
پس از تحلیل مدل، نتایج نظری از جمله نیـروی برخـورددر هر لحظه از زمان تعیین شد. در شکل (۵) به عنوان نمونـه،نمودار نیروی برخـورد-زمـان کامپوزیـت نـایلون خـالص درحالتهای نظری و تجربی با هم مقایسه شده است . همان طور که در این شکل مشاهده مـیشـود نمـودار نیـروی نظـری بـا
شکل ۵- نیروی برخورد نظری و تجربی برای نمونه نایلون نوسانهای کوچک همواره روندی افزایـشی دارد امـا نمـودارخالص نیروی تجربی به خصوص در اطراف ناحیه بیشینه نیرو دارای نوسانهای بزرگی است. این نوسانها در نمودار تجربی ناشی

در این سایت فقط تکه هایی از این مطلب با شماره بندی انتهای صفحه درج می شود که ممکن است هنگام انتقال از فایل ورد به داخل سایت کلمات به هم بریزد یا شکل ها درج نشود

شما می توانید تکه های دیگری از این مطلب را با جستجو در همین سایت بخوانید

ولی برای دانلود فایل اصلی با فرمت ورد حاوی تمامی قسمت ها با منابع کامل

اینجا کلیک کنید

شکل ۶- بیشینه نیروی برخورد نظری و تجربی بر حسب درصد الیاف بازالت

شکل ٧- بیشینه خیز نظری و تجربی بر حسب درصد الیاف بازالت
از جدا شدن لایهها در نمونه نـایلون خـالص اسـت [١۶]. بـاتوجه به اینکه در مدل نظری اتصال بین لایههـای کامپوزیـتکامل تعریف شده، بنابراین در این مدل جدا شدن لایـه هـا بـهوجود نیامده و نوسان های بزرگ ایجاد نمیشود.
نتایج بیشینه نیروی برخورد و بیشینه خیز در نقطـه میـانیصفحه کامپوزیت حاصل از تحلیل مدل برای کامپوزیـت هـایخالص و هیبرید بازالت و نایلون در شدت ضـربه ۳۰ ژول در جدول (۲) آورده شده است. همـان طـ ور کـه در ایـن جـدولمشاهده می شود حداکثر درصد اخـتلاف بـین نتـایج نظـری و تجربی برای بیشینه نیروی برخورد و بیشینه خیز به ترتیب ۳۹ و ٢۴ درصد بوده است. این اختلاف به دلیل خطاهای آزمایش

شکل ۸- توزیع تنش عرضی در لایههای مختلف نمونه بازالت خالص (یک چهارم هر لایه) در زمان بیشینه خیز

شکل ٩- نحوه تغییر مقدار تنش طولی در طی زمان برخورد در لایه دوم نمونه بازالت خالص

تجربی، ایـدئال در نظـر گـرفتن سـاختار کامپوزیـت در مـدلنظری و عدم تعریف دقیق خواص مکانیکی کامپوزیت است.
شکل های (۶) و (٧) به ترتیب روند تغییر بیـشینه نیـرویبرخورد و بیشینه خیز نظری و تجربی کامپوزیتهای خـالصو هیبرید را بر حسب درصد الیـاف بازالـت نـشان مـیدهنـد .
همانطور که در این شکلها مشاهده میشود هر چنـد نتـایجنظری و تجربی با هم اختلاف دارند اما روند تغییر آن ها تقریبامشابهاند. در این نمودارها با افـزایش درصـد الیـاف بازالـت،بیشینه نیروی برخورد افزایش و بیشینه خیز کاهش یافته است.
بنابراین از مدل نظری ارایه شده میتوان رونـد تغییـر بیـشینهنیــروی برخـ ورد و بیـ شینه خیــز را بـ ا تغییـ ر درصـ د الیاف بازالت و نایلون در کامپوزیتهـای مختلـف پـیشبینـیکرد.

۴-٢- نحوه ی توزیع و نوع تنش در لایههای مختلف
با استفاده از نتایج مدل میتوان نحوهی توزیع و نوع تنش و ک رنش در ه ر لحظـه از زم ان برخ ورد در ه ر لای ه از کامپوزیت را مورد بررسـی قـرار داد. شـکل (٨) توزیـع تـنشعرضی را در لایههای مختلف نمونه بازالت خـالص در زمـان بیشینه خیز نشان میدهد. بررسی شکل (٨) و شکلهای مشابه آن نشان میدهد از لایههای بالایی به سمت لایـه هـای پـایینی،گستردگی تنش در اطراف ناحیـه برخـورد و کنـارههـای نمونـهافزایش یافته است. همچنین این شکلها نشان میدهند نوع تنش در ناحیه برخورد در لایههای بالای ی (تنش فشار ی) با نوع آن درلایههای زیرین ( تنش کششی) متفاوت است.
شکل (٩) نحوه افزایش مقدار تنش طولی را در طی زمـانبرخورد در لایه دوم نمونه بازالت خالص هنگـامی کـه تحـتضربه با شدت ٣٠ ژول قرار گرفته اسـت را نـشان مـیدهـد .
همان طور که مشاهده میشود در لایه دوم ابتدا تنش در ناحیـهبرخورد افزایش مییابد اما با گذشت زمـان و ایجـاد خیـز درنمونه، تنش در کنارههای طولی نمونه (ناحیهA ) افزایش قابل توجهی یافته است.
با تحلیل شکل هایی مشابه شکل های (٨) و (٩) و دستیابیبه اطلاعاتی همچون ماکزیمم تنش و نحوه انتـشار آن در هـر
واژه نامه
.2 strain diffusion 14. unidirectional 26. mesh
.3 Fracture mode 15. finite element 27. Job
.4 Meo 16. homogeneous 28. shell
.5 Johnson 17. intraply hybrid 29. deformable
.6 Souza 18. brittle 30. quasi-isotropic
.7 Deka 19. ductile 31. density
.8 Iannucci 20. part 32. lamina
.9 Menna 21. Assembly 33. fracture criterion
.01 Luo 22. Property 34. hashin
.11 Her 23. step 35. impactor
.21 Naik 24. contact properties 36. rigid
.52 boundary condition
قسمت از سازه کامپوزیت، میتوان فراینـد ضـربه را بـر رویاین سازه ها تحلیل و اقدامات لازم برای تقویـت قـسمتهـایحساس را انجام داد.

۵- نتیجهگیری کلی
در این مقاله با استفاده از نرمافـزار آبـاکوس و بـر مبنـایروش اجزا ی محدود، مقاومت در برابر ضربه کامپوزیـت هـایخالص و مرکـب درون لایـهای تقویـت شـده بـا درصـدهایمختلف بازالـت و نـایلون بررسـی شـ ده اسـت. نتـایج نـشانمیدهد حداکثر درصد اختلاف بین نتایج نظری و تجربی برای بیشینه نیروی برخورد و بیشینه خیز به ترتیب ٣٩ و ٢۴ درصدبوده است . همچنین هر چند نتایج نظـری و تجربـی اخـتلافدارند اما مدل ارائه شده روند تغییر نیروی برخورد و ماکزیممخیز با تغییر درصد الیاف بازالت و نایلون را پیشبینی می کند.
در هر دو حالت نظـری و تجربـی بـا افـزایش درصـد الیـافبازالت، بیشینه نیروی برخورد افزایش و بیـشینه خیـز کـاهشیافته است . نتایج تحلیل نوع و نحوهی توزیع تـنش و کـرنشدر هر لایه از کامپوزیت نشان میدهد از لایههـای بـالایی بـهسمت لایـههـای پـایینی، گـستردگی تـنش در اطـراف ناحیـهبرخورد و کنارههای نمونه افزایش یافته است. همچنـین نـوعتنش در ناحیه برخورد در لایههای بالایی (تـنش فـشاری) بـانوع آن در لایههای زیرین (تنش کششی) متفاوت است.
.1 stress diffusion 13. woven
.54 small Strain
.64 load cell
.74 laser device
مراجع
.01 Menna, C., Asprone, D., Caprino, G., Lopresto, V., and Prota, A., “Numerical Simulation of Impact Tests on GFRP Composite Laminates,” Inter. J. of Impact Eng., Vol. 38, PP. 677-685, 2011.
.11 Luo, R. K., “The Evaluation of Impact Damage in a Composite Plate with a Hole,” J. Comp. Sci. and Tech., Vol. 60, PP. 49–58, 2000.
.21 Her, S. C., Liang, Y. C., “The Finite Element Analysis of Composite Laminates and Shell Structures Subjected to Low Velocity Impact,” Compo. Struct., Vol. 66, PP. 277– 285, 2004.
.31 Naik, N. K., Sekher, Y. C. and Meduri, S., “Damage in Woven-Fabric Composites Subjected to Lowvelocity Impact,” Compo. Sci. and Tech., Vol. 60, PP. 731-744, 2000.
.41 Hashin, Z., “Failure Criteria for Unidirectional Fiber Composites,” J. Appl. Mech., Vol. 47, PP. 329–334, 1980.
.51 American Society for Testing and Materials. Standard Test Method for Measuring the Damage Resistance of a Fiber-Reinforced Polymer Matrix Composite to a Drop-Weight Impact Event. ASTM D. 7136, 2005.
.61 Tehrani Dehkordi, M., Nosraty, H., Shokrieh, M. M., Minak, G., and Ghelli, D., “Low Velocity Impact Properties of Intraply Hybrid Composites based on Basalt and Nylon Woven Fabrics,” Materials and Design, Vol. 31, PP. 3835–3844, 2010.

.73 ISI
.83 penalty
.93 frictionless
.04 quadrilaterals .14 uniform
.24 structured
.34 explicit
.44 linear
.1 Ivanov, I.V. “Method Development for Finite Element Impact Simulation of Composite Materials,” Ph.D. Thesis ,University of Cincinati, 2002.
.2 Lu ,H., Material and Manufacturing Processes, Wiley, New York, 1989
.3 Sierakowski, R. L., and Chaturvedi,S. k., Dynamic Loading and Characterization of Fiber-Reinforced Composites, Wiley-Interscience, New York, 1997
.4 Abrate, S., Impact on Composite Structure, Cambridge University Press, Cambridge, 1998.
.5 Meo, M, Antonucci, E, Duclaux, P., and Giordano, M., “Finite Element Simulation of Low Velocity Impact on Shape Memory Alloy Composite Plates,” J. Comp. Struct., Vol. 71, PP. 337–342, 2005.
.6 Johnson, A. F., and Holzapfel, M., “ Modeling Soft Body Impact on Composite Structures,” J. Comp. Struct., Vol. 61, PP. 103–113, 2003.
.7 Souza, F. V., Allen, D. H., and Kim, Y. R., “Multiscale Model for Predicting Damage Evolution in Composites due to Impact Loading,” J. Comp. Sci. and Tech., Vol. 68, PP. 2624-2634, 2008.

  • 1

پاسخ دهید