روش جدید برای پیش‌بینی شیوه ترکیبی اول و دوم چقرمگی شکست در کامپوزیت‌های لایه‌ای

نوع مقاله: پژوهشی

نویسندگان

تهران، دانشگاه علم و صنعت ایران، دانشکده مهندسی مکانیک، قطب علمی مکانیک جامدات تجربی و دینامیک، آزمایشگاه تحقیقاتی کامپوزیت، صندوق پستی ۱۶۸۴۶-۱۳۱۱۴

چکیده

شیوه ترکیبی اول و دوم شکست از عمده‌ترین شیوه­ های جدایش لایه ای در کامپوزیت‌های لایه‌ای است. سرعت رهایی انرژی کرنشی بحرانی به عنوان معیاری برای پیش‌بینی شروع جدایش ­لایه‌های نمونه‌ها به ­کار می‌رود. در این پژوهش، رابطه‌ای بین چقرمگی شکست تیرهای یک ­سرگیردار دو­لبه (DCB) و یک ­سرگیردار دو­لبه نامتقارن (ADCB) ارائه شده است. قطعات DCB و ADCB به ترتیب برای ایجاد مود اول و مود ترکیبی اول و دوم چقرمگی شکست نمونه‌های کامپوزیتی به ­کار برده می‌شوند. با توجه به تنوع چیدمان لایه‌ها، انجام آزمون روی قطعات چندلایه کامپوزیتی برای اندازه‌گیری چقرمگی شکست آنها کاری دشوار، پرهزینه و زمان­بر است. هدف از ایجاد چنین رابطه‌ای این است که بتوان به بنابراین با استفاده از چنین رابطه‌ای نیاز به آزمودن نمونه‌های کامپوزیت‌های لایه‌ای ADCB ‌مرتفع می‌شود. برای ایجاد این رابطه از هندسه نمونه‌های DCB و ADCB استفاده می‌شود. به ­دست­آوردن مقدار سرعت رهایی انرژی کرنشی بحرانی برای چندلایه‌های کامپوزیتی ADCB با زاویه­ های مختلف لایه‌های اطراف ترک برای استفاده در طراحی از کاربردهای مدل ارائه شده در پژوهش حاضر است. این روش، حجم محاسبات عددی و نیز هزینه مطالعات آزمایشگاهی را کاهش می‌دهد. نتایج به­ دست آمده از روش ارائه شده در این پژوهش با نتایج تجربی و مدل‌سازی عددی مقایسه شد. نتایج نشان می‌دهد، با خطای کمتر از %۱۰، می‌توان سرعت رهایی انرژی کرنشی نمونه‌های ADCB را با استفاده از مقدار سرعت رهایی انرژی کرنشی نمونه‌های تک‌جهتی DCB (به ­دست آمده از راه آزمون) پیش‌بینی کرد. نتایج به ­دست آمده از مقایسه حاکی از دقت مطلوب روش ارائه شده در این پژوهش است.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

A Novel Procedure for Prediction of Mixed Mode I/II in Fracture Toughness of Laminate Composites

نویسندگان [English]

  • M. Mahmood Shokrieh
  • A. Zeinedin
Composites Research Laboratory, Center of Excellence in Experimental Solid Mechanics and Dynamics, School of ٰMechanical Engineering, Iran University of Science and Technology
چکیده [English]

Delamination is one of the important modes of failure in laminated composite materials. In this respect, the mixed mode I/II fracture is the most major mode of delamination incidence in laminated composite. In the present research, a relation between the fracture toughness of double cantilever beam (DCB) and asymmetric double cantilever beam (ADCB) specimens is presented. The DCB and ADCB samples are used for measuring the mode I and mixed mode I/II fracture toughness (G) of laminated composite materials, respectively. By considering the diversity of the stacking sequence of lay-ups, the test performance on all different types of lay-ups in order to measure the fracture toughness of laminated composites is a tedious, costly and time consuming task. The purpose of deriving this relation is to estimate the value of the strain energy release rate of laminated composite ADCB specimens by testing a unidirectional DCB. To develop this relationship, the geometry of DCB and ADCB specimens are considered to obtain fracture toughness of multi-directional laminate composites of ADCB samples with arbitrary ply sequence which may be used for design purposes. The procedure presented here reduces the calculation costs of the finite element modeling and its corresponding test significantly. The results obtained by this method are compared with those of experimental and numerical methods. It is shown that the fracture toughness of multi-directional lay-ups can be predicted by measuring the unidirectional ply with an error less than 10% demonstrating the accuracy of the procedure developed in the present research.

کلیدواژه‌ها [English]

  • composites
  • fracture
  • delamination
  • mixed mode
  • toughness