توسعه شيوه نوين توليد آنتروپي در ارزيابي رفتار خرابي تك لايه و چندلايه هاي متعامد كامپوزيتي زمينه پليمري تحت بارهاي خستگي تك محور

دكتري

تحقيقات اخير نشان مي¬دهد كه اندازه¬گيري ميزان آنتروپي توليد شده تا لحظه¬ي شكست مي¬تواند به عنوان معياري براي تخمين عمر خستگي به كار رود. در اين رساله مدلي بر مبناي توليد آنتروپي براي پيش¬بيني رفتار خستگي كامپوزيت¬هاي با لايه¬چيني تك¬جهته و متعامد ارائه شده است. در مدل ارائه شده دو پارامتر بحراني براي راستاي الياف و عمود بر الياف معرفي مي¬شوند. اين پارامترها به ترتيب آنتروپي شكست خستگي الياف و ماتريس (FFE-F و FFE-M) ناميده مي¬شوند كه مجموع آنتروپي حاصل از انرژي¬هاي آزاد شده به واسطه خرابي و تغيير شكل¬هاي برگشت¬ناپذير تا لحظه¬ي شكست مي¬باشند. آزمايش¬هاي استاتيكي و خستگي متعددي بر روي نمونه¬هاي كامپوزيتي كربن/اپوكسي انجام شده است. نتايج آزمايش¬هاي انجام شده به منظور مشخصه¬سازي و همچنين نتايج شبيه¬سازي¬هاي صورت گرفته در كنار نتايج آزمايش¬هاي اعتبارسنجي ارائه شده است. مقادير به دست آمده FFE-F و FFE-M براي كامپوزيت¬هاي كربن/اپوكسي T300/EPL1012 به ترتيب 6300 J.m-3.K-1 و 400 J.m-3.K-1 مي¬باشند. يك مدل خرابي بر مبناي قوانين مكانيك محيط¬هاي پيوسته با در نظر گرفتن خرابي¬هاي استاتيكي و خستگي در نظر گرفته شده است كه مي¬تواند علاوه بر رشد آسيب خستگي، رشد آسيب استاتيكي را در چرخه ابتدايي و در طول فرآيند خستگي لحاظ كند. نتايج مدل و آزمايش¬هاي تجربي نشان مي¬¬دهد كه آسيب استاتيكي با يك جهش در چرخه¬ي ابتدايي همراه است. همچنين در طول بارگذاري خستگي به واسطه كاهش خواص در اثر رشد آسيب خستگي، آسيب استاتيكي نيز رشد مي¬كند. با افزايش سطح تنش سهم آسيب استاتيكي نسبت به آسيب كل افزايش مي¬يابد. نتايج پيش¬بيني عمر مدل خرابي توسعه¬يافته نشان مي¬دهد كه در نظر نگرفتن آسيب استاتيكي باعث خطاي نتايج نسبت به نتايج تجربي مي¬شود و اين خطا با افزايش سطح تنش بيشتر مي¬شود به طوري كه در سطح تنش %80 حدود %20 اختلاف بين نتايج پيش¬بيني عمر، با لحاظ كردن آسيب استاتيكي و بدون در نظر گرفتن آن وجود دارد. روشي بر مبناي قانون اول ترموديناميك با در نظر گرفتن انرژي¬هاي آزاد شده در سيستم به واسطه خرابي، تغيير شكل¬هاي برگشت¬ناپذير و خواص ويسكوالاستيك به منظور پيش¬بيني انرژي هيسترزيس توليد شده در ماده ارائه شده است. نتايج نشان مي¬دهد سهم غالب در انرژي هيسترزيس مربوط به خواص ويسكوالاستيك رزين مي¬باشد. در نمونه¬هاي 90 درجه تحت تنش خستگي با سطح بار بالاتر از %75 علاوه بر خواص ويسكوالاستيك مقادير انرژي آزاد شده ناشي از تغيير شكل¬هاي برگشت¬ناپذير نيز قابل توجه است. همچنين انرژي آزاد شده ناشي از خرابي در لحظه¬ي شكست مقدار بسيار قابل توجهي است كه باعث افزايش ناگهاني دماي قطعات تحت آزمايش خستگي در لحظه شكست مي¬شود. دماي نمونه¬ها در حين فرآيند خستگي با استفاده از قانون اول ترموديناميك و اختلاف بين انرژي هيسترزيس و انرژي اتلافي به محيط اطراف محاسبه مي¬شود. همچيني در طي فرآيند آزمايش¬هاي خستگي، دماي نمونه¬ها با يك دوربين ترموگرافي اندازه¬گيري شده است كه نتايج آن براي اعتبارسنجي مدل ارائه شده است. نتايج نشان ¬مي¬دهد در نمونه¬هاي 90 درجه، دما از لحظه¬ي شروع فرآيند تا لحظه¬ي شكست به صورت تقريباً خطي افزايش مي¬يابد. در نمونه¬هاي صفر درجه و متعامد، دما در %20 ابتدايي عمر به سرعت افزايش مي¬يابد و پس از آن تا لحظات قبل از شكست افزايش دما شيب بسيار كمي دارد و دماي نمونه¬ها تقريباً ثابت مي¬ماند و در لحظات نزديك به شكست دما با شيب زياد افزايش مي¬يابد. با استفاده از مدل آنتروپي خرابي و با به دست آوردن مقادير FFE-F و FFE-M مي¬توان عمر نمونه¬هاي تحت بارگذاري خستگي را در سطوح تنش دلخواه با انجام تعداد محدودي چرخه بارگذاري و اندازه¬گيري مقدار آنتروپي خرابي توليد شده به دست آورد. مقايسه نتايج تجربي با نتايج پيش¬بيني عمر مدل آنتروپي-خرابي توسعه يافته براي لايه¬چيني¬هاي [02,902]s و [902,02]s مؤيد اين موضوع است كه مدل آنتروپي خرابي قابليت¬ تخمين عمر لايه¬چيني¬هاي متعامد با در نظر گرفتن اثر ترتيب لايه¬چيني را دارد. در لايه¬چيني¬هاي با لايه 90 درجه بيروني افزايش دماي قطعات در حين فرآيند خستگي بيشتر است و مدل آنتروپي-خرابي به واسطه تفاوت در دماي نمونه¬ها مقادير عمر كمتري براي اين نوع لايه¬چيني پيش¬بيني مي¬كند. همچنين مدل آنتروپي-خرابي توسعه يافته قابليت در نظر گرفتن تأثيرات فركانس بر روي دماي نمونه¬ها را دارد.

193670

دانشگاه علم و صنعت ايران

مكانيك

دكتر بيژن محمدي