علوم و فناوری کامپوزیت
سال:1394 | دوره:2 | شماره:3 |تعداد مقالات:8

در این مقاله سعی بر این است که بر اساس یک روند نظام مند در حوزه تئوری الاستیسیته، برای مساله مقدار مرزی المان حجمی معرف کامپوزیت الیاف بلند تحت بارگذاری کشش یکنواخت، یک حل بسته دقیق ارایه شود. برای این منظور المان حجمی معرف کامپوزیت های الیاف بلند در نظر گرفته شد که متشکل از دو استوانه هم مرکز با استوانه درونی از جنس الیاف و استوانه بیرونی از جنس ماتریس است. بدین ترتیب مساله مورد بررسی در این پژوهش در حوزه مسائل متقارن محوری تئوری الاستیسیته قرار می گیرد. با بهره گیری از تابع لاو برای مسائل متقارن محوری، دستگاه معادلات تعادل ناویر برای مولفه های میدان جابجایی تبدیل به یک معادله بای هارمونیک بر حسب تابع لاو می شود. سپس یک عبارت جامع برای حل های جداپذیر معادله بای هارمونیک در مختصات استوانه ای ارائه می شود. در گام بعدی، عبارات مناسب از حل های جداپذیر با الهام از شرایط مرزی و فیزیک مساله انتخاب شده و یک حل پیشنهادی استخراج می شود. در گام نهایی ثوابت مجهول موجود در حل پیشنهادی توسط شرایط مرزی به دست می آیند. بدین ترتیب حل دقیق به دست آمده قادر به ارضای تمامی معادلات میدانی تئوری الاستیسیته است. با استفاده از این حل توزیع دقیق مولفه های میدان تنش و جابجایی در المان حجمی معرف مشخص شده و برخی نتایج عددی برای آن ارایه می گردد. بر اساس این حل دقیق عبارتی برای مدول الاستیک طولی معادل کامپوزیت الیاف بلند به دست می آید و با رابطه معروف قانون اختلاط مقایسه می شود. این مقایسه نشان می دهد که قانون اختلاط می تواند تقریب مهندسی خوبی برای محاسبه مدول الاستیک طولی معادل باشد.

در این مقاله تماس لغزشی دوبعدی یک پانچ صلب استوانه ای بر روی یک سطح نیمه بی نهایت ساخته شده از مواد هدفمند در حضور و در عدم حضور یک ترک سطحی بررسی شده است. مدول الاستیسیته در لایه هدفمند طبق مدل تی-تی-او محاسبه شده است. این مدل با تعریف پارامتر q، تاثیر برهم کنش های ریزساختارها را نیز در نظر می گیرد. برای حل معادلات حاکم از کدنویسی روش تفاضلات محدود در نرم افزار متلب استفاده شده است. اثر ناهمگنی، q، شعاع پانچ، ضخامت لایه هدفمند و ضریب اصطکاک بر نمودار نیرو- جابجایی، تنش های ایجاد شده و ضرایب شدت تنش مود اول و دوم بررسی شده است. نتایج به دست آمده نشان می دهد که افزایش ضخامت لایه هدفمند، شعاع پانچ و ضریب ناهمگنی (r) برای جابجایی های یکسان پانچ افزایش نیروی تماس را در پی دارد. همچنین تغییرات این پارامترها بر توزیع تنش فشاری زیر پانچ موثر است. اما تغییرات q تاثیری بر نیروی تماس و نیز توزیع تنش فشاری ندارد. در تماس بدون اصطکاک ضریب شدت تنش مود اول همواره نامثبت است و ترک تمایلی به رشد تحت این مود ندارد. افزایش ضریب اصطکاک، ضریب شدت تنش مود اول را افزایش می دهد؛ اما موجب کاهش ضریب شدت تنش مود دوم می شود.

مدل های خرابی مبتنی بر مکانیک خرابی محیط های پیوسته در دهه های اخیر مورد توجه محققین حوزه خرابی در کامپوزیت ها قرار گرفته است. این مدل ها با درنظر گرفتن اثرات خرابی بر روی خواص مکانیکی کامپوزیت مورد بررسی و بدون مدل کردن دقیق هندسه خرابی، توانسته است که طیف وسیعی از مود های خرابی، بارگذاری ها و لایه چینی ها را تحلیل کند. این مقاله به تحلیل خرابی یک چند لایه کامپوزیتی دارای سوراخ مرکزی، با استفاده از مکانیک خرابی محیط های پیوسته می پردازد. در این مطالعه از مدل خرابی لادووز برای تحلیل خرابی استفاده شده است که در آن کرنش های ماندگار و افت سفتی ناشی از وقوع خرابی در چند لایه محاسبه می شود. این مدل به صورت زیربرنامه تعریف مدل های مادی در نرم افزار اجزاء محدود آباکوس پیاده شده و تحلیل خرابی برای چهار لایه چینی [02/902]s، [0/90/0/90]s، [452/-452]s و [0/90/45/-45]s انجام گرفته است. نتایج حاصل از تحلیل عددی شامل چگونگی رشد و گسترش پارامتر های خرابی، کرنش های ماندگار و کانتور تنش برای لایه چینی های مختلف ارائه شده است. علاوه بر این، آنالیز حساسیت نسبت به اندازه سوراخ برای بررسی تاثیر اندازه سوراخ بر استحکام چندلایه انجام شده و همچنین تاثیر تغییر پارامتر مادی کرنش ماندگار بر اندازه کرنش های ماندگار مورد بررسی قرار گرفته است. در این تحلیل مشخص شده است که با افزایش قطر سوراخ، استحکام چند لایه کاهش پیدا می کند و با بزرگ تر شدن پارامتر مادی کرنش ماندگار اندازه کرنش های ماندگار عرضی افزایش می یابد.

به منظور بررسی رفتار پس از کمانش صفحات کامپوزیتی مستطیلی با لایه چینی متعامد پادمتقارن تحت کرنش کوتاه شدگی انتهایی، یک روش عددی بر پایه چندجمله ای های مثلثاتی چبیشو دوگانه گسترش داده شده است. در این تحقیق فرض شده است که ضخامت صفحه بسیار نازک است، به همین دلیل برای تحلیل مساله از تئوری صفحات کامپوزیتی کلاسیک استفاده می شود. در این مقاله از چندجمله ای های مثلثاتی چبیشو برای حل معادلات تعادل حاکم بر صفحات کامپوزیتی با لایه چینی متعامد پادمتقارن استفاده شده است که این معادلات با در نظر گرفتن فرضیات ون-کارمن استخراج شده اند. مهم ترین دلیل به کارگیری چندجمله ای های مثلثاتی چبیشو، امکان در نظر گرفتن انواع مختلفی از شرایط مرزی بر روی صفحات است. معادلات نهایی حاصل از گسسته سازی معادلات تعادل و شرایط مرزی حاکم، تشکیل یک دستگاه معادلات غیرخطی را می دهند که همواره در آن تعداد معادلات از تعداد مجهولات بیشتر است. برای خطی سازی دستگاه معادلات غیرخطی از تکنیک برونیابی مرتبه دوم استفاده شده است. از آنجاکه تعداد معادلات از تعداد مجهولات بیشتر است از روش حداقل مربعات برای حل دستگاه معادلات استفاده خواهد شد. نتایج رفتار پس از کمانش برای صفحات ایزوتروپ، متعامد پادمتقارن ارائه شده و تا حد امکان با نتایج موجود مقایسه شده است. در استخراج تمامی نتایج با توجه به آنالیزهای همگرایی انجام پذیرفته از تعداد 13 ترم استفاده شده است.

هدف این مقاله مدل سازی پوسته استوانه ای بسته کامپوزیتی و محاسبه میدان تنش، مخصوصا تنش های برون صفحه ای در پوسته های استوانه ای کامپوزیتی با طول محدود تحت بارگذاری شعاعی می باشد. برای فرمول بندی مساله از تئوری لایه ای بر مبنای جابجایی بهره گیری شده است. با در نظر گرفتن فرم میدان جابجایی مناسب برای پوسته استوانه ای کامل، فرمول بندی تئوری لایه ای برای مساله استخراج شده است. ابتدا میدان کرنش پوسته در تئوری لایه ای به دست آمده و سپس با استفاده از اصل حداقل انرژی پتانسیل کل معادلات حرکت حاکم بر استوانه در تئوری لایه ای و شرایط مرزی متناسب برای آن استخراج شده است. معادلات حاکم بر مساله به تعداد دلخواهی معادله دیفرانسیل کوپل بر حسب توابع جابجایی تبدیل شده است. با تعریف متغییر مناسب، حل تحلیلی برای معادلات پوسته کامپوزیتی متعامد ارایه شده و شرایط مرزی در لبه های پوسته اعمال شده است. در قسمت نتایج عددی، پوسته کامپوزیتی متعامد از جنس کربن-اپوکسی با لایه گذاری متقارن و نامتقارن که تحت بارگذاری فشار داخلی یا خارجی است بررسی شده است. ابتدا همگرایی تنش ها نسبت به تعداد لایه های عددی در تئوری لایه ای مورد مطالعه قرار گرفته است و سپس توزیع میدان تنش و مخصوصا تنش های بین لایه ای در نزدیکی لبه های استوانه ارایه شده است و توزیع تنش های بین لایه ای عمودی و برشی در لایه مرزی نزدیک به لبه ها مطالعه شده است. ملاحظه شد که لایه گذاری تاثیر زیادی در اندازه و نحوه توزیع تنش های بین لایه ای دارد. همچنین مشاهده شد که اندازه بیشینه تنش بین لایه ای عمودی در لبه های آزاد پوسته از مقدار فشار داخلی اعمال شده به استوانه بزرگتر است و اندازه تنش بین لایه ای برشی در حدود اندازه فشار اعمالی می باشد.

در این پژوهش، ارتعاشات آزاد یک نانو ورق ناهمسانگرد دو لایه تقویت شده با نانولوله های کربنی به صورت تحلیلی حل شده است. نانو لوله های کربنی در راستای ضخامت ورق به صورت مدرج تابعی با دو فرم یکنواخت و کاهشی-افزایشی توزیع شده اند. محیط الاستیک اطراف ورق به صورت بستر الاستیک پاسترناک مدل سازی شده و اثرات نیروی واندروالس بین دو لایه نیز لحاظ شده است. معادلات حاکم با استفاده از روش انرژی و تئوری غیر محلی ارینگن به دست آمده و برای یک ورق مستطیلی با شرایط مرزی چهار طرف تکیه گاه ساده با استفاده از روش ناویر حل شده اند. در نهایت، اثر پارامترهای مختلف مانند ثابت فنری نوع وینکلر، ثابت برشی نوع پاسترناک، چیدمان های مختلف ذرات نانو و پارامترهای غیر محلی روی رفتار ارتعاشی نانو ورق دو لایه بررسی شده است. نتایج به دست آمده نشان می دهند با افزایش ثابت فنری نوع وینکلر فرکانس طبیعی نانو ورق افزایش می یابد در حالی که تاثیر ثابت برشی نوع پاسترناک بر فرکانس طبیعی نانو ورق دولایه بسیار کم است. همچنین با افزایش ضریب غیرمحلی در یک طول ثابت نسبت فرکانس طبیعی کاهش می یابد. با افزایش نسبت طول به ضخامت ورق (L/h) فرکانس طبیعی غیر محلی کاهش پیدا کرده و در (L/h) ثابت، فرکانس طبیعی چیدمان کاهشی-افزایشی بیشتر از توزیع یکنواخت می باشد. نتایج حاصل از این تحقیق می تواند در ساخت وسایل نانو استفاده شده و همچنین الگویی برای ادامه کارهای دیگر باشد.

در تحقیق حاضر به بررسی استحکام کششی و سختی نانوکامپوزیت های پایه پلیمری حاوی نانولوله های کربنی چند دیواره پرداخته شده است. به این منظور، پلیمر پلی-آمید 6 و نانولوله های کربنی چند دیواره در درصدهای وزنی مختلف به روش ذوبی در دستگاه اکسترودر دو ماردونه با هم اختلاط پیدا کردند. به منظور بررسی تاثیر افزودن نانولوله های کربنی چند دیواره و شرایط فرآیندی تزریق بر روی استحکام کششی و سختی، نمونه ها در درصدهای وزنی مختلف نانولوله کربنی شامل 0، 0.5، 1 و 1.5 درصد و شرایط فرآیندی مختلف شامل فشار تزریق و دمای تزریق بر پایه طراحی آزمایشات به روش تاگوچی، قالب گیری شدند. نمونه ها پس از قالب گیری تزریقی، تحت آزمایش کشش و سختی قرار گرفتند. مطابق نتایج به دست آمده از آنالیز سیگنال به نویز، درصد وزنی نانولوله های کربنی موثرترین پارامتر بر روی استحکام کششی و سختی نمونه های نانوکامپوزیتی می باشد. نتایج همچنین نشان داد که با افزودن 1% وزنی نانولوله کربنی، استحکام کششی نمونه ها تقریبا به میزان 31% و با افزودن 1.5% وزنی نانولوله کربنی، سختی به میزان 15% بهبود یافت. نتایج آنالیز واریانس داده ها نشان داد که درصد وزنی نانولوله کربنی با 68% و 76% تاثیرگذاری به ترتیب روی داده های استحکام کششی و سختی، موثرتر از شرایط فرآیندی می باشد.

کامپوزیت های آلومینیم- منیزیم در صنایع مختلفی همچون خودروسازی و هوا-فضا مورد استفاده می شود. در این پژوهش نحوه رفتار جامد-مذاب-گاز و مشخصات فصل مشترک متالورژیکی در تولید کامپوزیت فلزی آلومینیم- منیزیم به روش ریخته گری گریز از مرکز عمودی، و عوامل تاثیرگذار بر روی آن بررسی شد. چهار دمای پیش گرم 30، 100، 150 و 200 درجه سانتی گراد بررسی شد. ریخته گری نمونه ها در سرعت دوران ثابت 1200 دور بر دقیقه و نسبت حجمی مذاب- جامد ثابت حدود 1 انجام شد. بدین منظور آلومینیم مذاب در دمای 700 درجه سانتی گراد درون استوانه های توخالی از جنس منیزیم، ریخته گری شد. نمونه های تهیه شده از جهات مناسب برش داده شده و با استفاده از میکروسکوپ نوری، الکترونی و پراش اشعه ایکس مورد مطالعه قرار گرفت. نتایج نشان داد که ترکیبات بین فلزی Al3Mg2،Al12Mg17 و ترکیب یوتکتیک در فصل مشترک تشکیل می شود. هم چنین نتایج نشان می دهد که محتوای حرارتی مذاب آلومینیم، با انحلال نقاط برجسته مرجح در سطح فلز جامد، به تشکیل مناطق غنی از منیزیم منجر شده و در یک قسمت مشخص بین جامد- مذاب متمرکز می شود. همچنین با توجه به حضور گاز یا هوا در سطح ناهمواری های جامد، واکنش بین مذاب و گاز باعث تشکیل حباب های گازی در فصل مشترک شده و سپس در مقطعی دور از مکان واکنش اولیه مشاهده می شوند. نحوه و شرایط تشکیل این حباب ها و حفره های گازی مورد بحث قرار گرفته است.