علوم و فناوری کامپوزیت
سال:1395 | دوره:3 | شماره:3 |تعداد مقالات:12

در این تحقیق اثر انحنای دولایه فولاد- پلی اوریا در مقابل بار ضربه ای به صورت عددی و تجربی بررسی شده است. در مدل عددی، ورق تک لایه فولادی و دولایه فولاد- پلی اوریا در 12 شعاع انحنای مختلف تحت اثر بار ضربه ای قرار گرفته و تحلیل شده است. برای صحه گذاری روش عددی، از مدل تجربی برای سه انحنا از 12 انحنای اشاره شده استفاده شده است. برخورد بصورت سقوط آزاد وزنه بوده و ارتفاع پرتاب وزنه30 سانتی متر می باشد. نمونه دو لایه از ورق فولادی اس تی 14 و لایه پلیمری از جنس پلی اوریا تشکیل و مورد آزمایش قرار گرفته است. پارامترهای مهم که اندازه گیری شده اند شامل تغییر شکل ماندگار دولایه و همچنین تغییرات شتاب ضربه زننده در لحظه شروع برخورد تا زمان توقف کامل قطعه می باشد. در روش تجربی شتاب ضربه زننده، توسط سنسور شتاب سنج اندازه گیری شده , و تغییر شکل ماندگار ورق دولایه اندازه گیری شده است. در مدل عددی تحلیل با استفاده از نرم افزار ال- اس- داینا انجام شده است. نتایج روش تجربی و مدل عددی سازگاری خوبی با یکدیگر داشته اند لذا نتایج هر دو روش تجربی و عددی تحقیق نشان می دهد با افزایش شعاع انحنای ورق، مقدار حداکثر تغییر شکل ماندگار کاهش یافته ولی شتاب برخورد افزایش می یابد. البته با افزایش بیشتر شعاع ورق (نزدیک شدن رفتار قطعه به ورق مسطح) حداکثر شتاب ضربه زننده و همچنین حداکثر تغییر شکل ماندگار، ثابت می مانند.

از جمله مهمترین مزیت کامپوزیت ها، نسبت مقاومت و سفتی به وزن بالای آنهاست که باعث کاربرد گسترده این مواد در صنایع مختلف شده است. کامپوزیت ها به دلیل وجود مکانیزم های آسیب مختلف و نرخ متفاوت رشد و تأثیر این مکانیزم ها بر یکدیگر نسبت به فلزات دارای پیچیدگی بیشتری می باشد. در این مقاله، به منظور پیش-بینی عمر خستگی و شبیه سازی افت سفتی در چندلایه های کامپوزیتی تحت بارگذاری خستگی مدلی مبتنی بر مکانیک خرابی محیط های پیوسته توسعه داده شده است. متغیرهای آسیب جهت شبیه سازی افت خواص الاستیک در رزین، الیاف و جهت برشی در نظر گرفته می شوند. ثوابت مادی در قوانین رشد آسیب رزین، الیاف و جهت برشی، از آزمایشات روی چند لایه های تک جهته 90o، 0o و چندلایه متعامد s[0/90] قابل استخراج می باشد. به منظور ارزیابی مدل در بارگذاری چندجهته، نسبت های تنش متفاوت و وضعیت های تنش دلخواه از نتایج تجربی در دسترس بر روی چند لایه های تک جهته کامپوزیتی 90o، 0o و 30o تحت بارگذاری کششی استفاده شده است. همچنین به منظور ارزیابی مدل برای چندلایه های کامپوزیتی دارای تمرکز تنش از نتایج آزمایشی بر روی چندلایه متعامد s[04/904] و تحت بارگذاری پین استفاده شده است. نتایج حاصل بیانگر توانایی مدل در پیش بینی عمر خستگی چند لایه های تک جهته و متعامد کامپوزیتی تحت بارگذاری تک جهته و چند جهته و در وضعیت های مختلف تنش می باشد.

امروزه استفاده از مواد کامپوزیتی به ویژه در صنایع هوافضا و خودروسازی به طور روز افزونی در حال افزایش می باشد. سوراخکاری فرآیند اصلی برای مونتاژ کردن اجزای کامپوزیتی می باشد. آسیب های فرایند سوراخکاری مانند جدایش بین لایه ای و ترک خوردگی ماتریس در اطراف سوراخ، در نهایت ممکن است باعث افت در استحکام باقیمانده ی اجزای سوراخکاری شده، شود. در این مقاله اثر پارامترهای سوراخکاری نظیر نرخ پیشروی، سرعت اسپیندل و قطر مته سوراخکاری بر نیروی محوری و فاکتور جدایش بین لایه ای برای نمونه های کامپوزیتی با درصدهای مختلف نانو لوله کربنی اصلاح شده، بررسی شده است. همچنین در این تحقیق از روش تاگوچی برای طراحی آزمایش به منظور تجزیه و تحلیل تاثیر پارامترهای ماشینکاری بر نیروی محوری، فاکتور جدایش بین لایه ای استفاده شده است. نتایج نشان می دهد که با افزودن نانو لوله کربنی تا درصد مشخصی، (در حدود 0.5 درصد وزنی) نیروی محوری و جدایش بین لایه ای کاهش می یابد. همچنین با کاهش نرخ پیشروی و افزایش سرعت اسپیندل، نیروی محوری و فاکتور جدایش بین لایه ای کاهش می یابد. همچنین قطر مته بر روی فاکتور جدایش بین لایه ای اصلاح شده بی تاثیر می باشد.

در این تحقیق خزش و توزیع کرنش های خزشی و مماسی و نسبت تنش موثر بر فشار داخلی در یک استوانه جدار ضخیم شیشه/ونیل استر برای زمان های طولانی-مدت مورد مطالعه قرار گرفته است. با استفاده از معادلات ساختاری شپری، ثوابت این معادلات در دماها و تنش های مختلف مورد استفاده قرار گرفته است. استوانه کامپوزیتی نیز با هندسه متقارن، طول بلند و زوایای چیدمان 0، 45 و 90 درجه به شکل چندلایه تک جهته مدلسازی شده است. بارگذاری استوانه شامل فشار داخلی و اختلاف درجه حرارت برای دماهای متفاوت مورد نظر بوده و از تئوری کلاسیک لایه ای استفاده شده است. مدل ویسکوالاستیک مورد نظر با استفاده از روابط پرانتل- روس و روش تقریب عددی مندلسون تحلیل گردید و توزیع کرنش های خزشی و تنش موثر در ضخامت جداره برای چندلایه های گوناگون و اختلاف درجه حرارت متفاوت برای مدت زمان 15 سال ترسیم و تحلیل شده است. نتایج این پژوهش افزایش میزان نسبت تنش موثر بر فشار داخلی و کرنش خزشی شعاعی و مماسی با افزایش دما در چندلایه های تک جهته با زاویه الیاف 0 و 90 درجه را نشان می دهد. همچنین در چیدمان با زاویه الیاف 45 درجه با افزایش تغییرات دمایی نسبت تنش موثر بر فشار داخلی کاهش یافته و مقادیر کرنش خزشی شعاعی و مماسی در جداره درونی از نظر قدرمطلقی افزایش و در جداره خارجی از نظر قدرمطلقی کاهش می یابند.

در کار حاضر، ضربه کم سرعت عرضی خارج از مرکز بر روی مکان های مختلف از ورق کامپوزیتی شیشه/اپوکسی به صورت تجربی و عددی مورد بررسی قرار می گیرد. آزمایش های ضربه کم سرعت توسط دستگاه وزنه افتان صورت می پذیرد و در ساخت نمونه های کامپوزیتی از روش تزریق به کمک خلا استفاده می شود. در شبیه سازی رفتار ورق کامپوزیتی تحت ضربه، از نرم افزار المان محدود آباکوس/ صریح استفاده شده وکد نویسی آسیب با استفاده از زیر برنامه وی.یو.مت انجام می گیرد. به منظور توصیف موثر آسیب درون لایه ای ورق کامپوزیتی، دو مدل سه بعدی آسیب پیشرونده به صورت خطی و نمایی بکار گرفته می شود و برای پیش بینی شروع آسیب در لایه ها، از معیار تخریب هاشین سه بعدی استفاده می شود. در هر دو مدل ارائه شده، پیشروی آسیب به صورت توابعی از انرژی های شکست، ضمن معرفی طول مشخصه برای المان های جامد در نظر گرفته می شود. تاریخچه نیرو- زمان و بالاترین حد نیروی تماسی در سطوح انرژی ضربه ی مختلف و بر روی سه مکان با مختصات متفاوت روی ورق، برای مقایسه بین نتایج تجربی و عددی ارائه می شوند. علاوه بر بررسی این نتایج، با قیاس شکل و اندازه آسیب پیش بینی شده عددی و مشاهدات تجربی می-توان به سودمندی و کارایی روش های ارائه شده صحه گذاشت.

در این پژوهش، یک لایه کامپوزیتی بر پایه آلیاژ برنج با ذرات تقویت کننده گرافیت با اندازه ذرات 7 میکرومتر توسط فرآیند اصطکاکی همزن تولید شده است. شیاری به عمق و پهنای 2.5 و 0.3 میلیمتر بر روی سطح یک نمونه از آلیاژ برنج با ضخامت 3 میلیمتر توسط دستگاه وایرکات ایجاد و توسط ذرات گرافیت کاملا پر شده است. فرآیند اصطکاکی همزن با سرعت چرخشی و سرعت پیشروی ابزار 800 دور بر دقیقه و 100 میلیمتر بر دقیقه تحت 1 و 3 پاس انجام شده و ریز ساختار و خواص مکانیکی قبل و بعد از فرآیند نیز مورد بررسی قرار گرفته است. مشاهدات میکروسکوپ نوری و میکروسکوپ الکترونی روبشی نشان داد که افزایش تعداد پاس ها منجر به توزیع یکنواخت تر ذرات خواهد شد. حداکثر سختی در لایه کامپوزیتی، حدود 141 ویکرز بدست آمد. این درحالی است که سختی زیرلایه تقریبا 84 ویکرز محاسبه گردید. رفتار سایشی زیرلایه، لایه فرآوری شده بدون حضور ذرات تقویت کننده و لایه کامپوزیتی با ذرات تقویت کننده گرافیت با استفاده از یک دستگاه پین روی دیسک مورد بررسی قرار گرفت. نتایج نشان داد که مقاومت سایشی لایه های کامپوزیتی حاوی ذرات مولیبدنیوم دی سولفید تا حدود 1.5 برابر زیرلایه افزایش پیدا کرده است. نتایج آزمون خوردگی تافل نشان داد که پتانسیل خوردگی لایه کامپوزیتی با ذرات گرافیت نزدیک به مقادیر مربوط به فلز پایه بوده و تغییر محسوسی دیده نمی شود.در حالی که پتانسیل خوردگی در لایه فرآوری شده بدون حضور ذرات تقریبا 48 میلی ولت بیشتر از فلز پایه محاسبه شد.

در این مقاله فصل مشترک کامپوزیت ریختگی دوفلزی آلومینیم-چدن خاکستری مورد بررسی قرار گرفته است. جهت دستیابی به یک محصول دو فلزی مناسب و قابل قبول از دو فلز، بررسی مشخصات فصل مشترک آنها ضروری به نظر می رسد. ریخته گری به روش ثقلی انجام شد و به این منظور مذاب آلومینیم در دماهای 700 و 750 درجه سانتیگراد پیرامون مغزه های چدن خاکستری درون حفره های استوانه ای قالب با نسبت حجمی 3، 5 و 8 ریخته گری گردید. مطالعات بعدی توسط میکروسکوپی نوری، میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) و طیف سنجی تفکیک انرژی (EDS) نشان از تشکیل لایه ی ترکیب بین قلزی در فصل مشترک دو فلز داشت. این لایه از ترکیب بین فلزی Fe2Al5 تشکیل یافته است که بر ناهمواری های روی سطح مغزه جامد چدن جوانه می زند. بررسی های ریزساختاری نشان می دهند که افزایش دمای بارریزی و نسبت حجمی مذاب/ جامد سبب تشکیل لایه های ضخیم تر و یکنواخت تر از ترکیب بین فلزی می گردند. ریز سختی فاز بین فلزی برابر 824 سختی ویکرز به دست آمد. پهنای لایه ی واکنش از 5 میکرومتر برای نمونه ی ریخته شده در دمای 700 درجه سانتیگراد و نسبت حجمی 3 تا 20 میکرومتر برای نمونه ریخته شد در دمای 750 درجه سانتیگراد و نسبت حجمی 8 متفاوت بود. در این تحقیق مکانیسمی برای رشد و جوانه زنی این فاز بین فلزی در فصل مشترک دوفلزی پیشنهاد شده است همچنین نحوه حل شدن فاز زمینه چدن در آلومینیم مذاب و دربرگیری گرافیت موجود در چدن خاکستری در مذاب آلومینیم نشان داده شده است.

سازه های مشبک کامپوزیتی از سازه های نوین هستند که به دلیل دارا بودن فوایدی همچون استحکام ویژه بالا، سبکی و مقاومت به خوردگی، کاربرد روزافزونی در صنایع مختلف دارند. از جمله کاربرد این سازه ها در صنایع موشکی، ماهواره برها، بدنه هواپیماها و صنایع دریایی می باشد. این سازه ها معمولا از دو بخش پوسته و بخش مشبک تشکیل می شوند. بخش مشبک این سازه ها از سیستم ریب های مورب، حلقوی و طولی تشکیل شده است. در هنگام بارگذاری، انتقال نیرو از پوسته به ریب ها اتفاق می افتد و ریب ها بار را در کل سازه پخش می کنند. در این مقاله ابتدا به نحوه ساخت نیم استوانه مشبک کامپوزیتی اشاره می شود. در ادامه با استفاده از نرم افزار المان محدود آباکوس به بررسی رفتار کمانشی سازه نیم استوانه مشبک کامپوزیتی پرداخته شده است. به منظور تحلیل شرایط مختلف تأثیر پارامترهای مختلف از جمله ضخامت پوسته و زاویه لایه های پوسته نیز در تحلیل عددی بررسی شده است. همچنین میزان تأثیر پارامترهای مختلف از جمله الگوهای گوناگون و ارتفاع ریب توسط تحلیل المان محدود بدست آمده است. علاوه بر این، برای اعتبارسنجی نتایج حاصل از نرم افزار، آزمایش تجربی نیز انجام پذیرفته و مقایسه ای بین نتایج تجربی و عددی انجام شده است.

در این پژوهش، نمونه های کامپوزیتی Al-Mn+Al2O3+MnAl6 به روش ریخته گری گردابی با استفاده از مواد اولیه ی Al و MnO2 تولید شده و سپس ریزساختار و خواص مکانیکی آن مورد مطالعه قرار گرفته است. به این منظور نمونه مخلوط پودری Al و MnO2 به نسبت وزنی MnO2/Al=7 در یک آسیا همگن سازی شده و به میزان 1، 3، 4 و 7 درصد وزنی به همراه 5 درصد وزنی منیزیم به عنوان عامل افزایش ترشوندگی، به آلومینیوم مذاب در حال تلاطم در دمای 900 درجه سانتی گراد افزوده شدند و در نهایت ریخته گری در قالب فولادی پیشگرم شده انجام گرفت. آنالیز حرارتی ( DTA ) بر روی مخلوط های پودری اولیه مورد نظرجهت مطالعه واکنش آلومینوترمیک و دیگر واکنش ها و یا تغییرات فازی احتمالی، آنالیز XRD جهت تعیین ترکیب فازی، مشاهدات میکروسکوپ الکترونی (SEM) و نوری جهت بررسی ریزساختار و اندازه گیری خواص مکانیکی ( سختی، استحکام و چقرمگی) نمونه های کامپوزیتی انجام گرفت. نتایج نشان می دهد که فاز های نهایی برای تمامی کامپوزیت ها، محلول جامد Al-Mn، آلومینا و ترکیب بین فلزی MnAl6 است، اما با افزایش درصد وزنی MnO2 ورودی به مذاب، مقدار ترکیب بین فلزی MnAl6 در کامپوزیت افزایش می یابد. همچنین یک مقدار بهینه از MnO2 وجود دارد که در آن خواص مکانیکی چون سختی و استحکام و چقرمگی در حد مطلوبی ایجاد می شود.

حضور میکروترک های عمقی در سازه های کامپوزیتی از جمله آسیب هایی به شمار می رود که در صورت مشاهده باید سازه را جایگزین نمود. پدیده خودترمیمی که از سیستم های بیولوژیکی همانند شبکه آوندی در گیاهان یا شبکه مویرگی در جانوران الهام گرفته شده است روشی مناسب برای رفع عیوب و ترمیم میکروترک ها است. در این پژوهش با بهره گیری از سیستم خودترمیمی، به ترمیم میکروترک ها و آسیب های ایجاد شده در یک سازه کامپوزیتی پرداخته شده است. بدین منظور از یک سری میکرولوله های شیشه ای برای ایجاد مکانیزم ترمیم شوندگی استفاده شد. این میکرولوله ها با نوعی ماده ترمیم کننده که شامل رزین به همراه هاردنر انیدریدی بود، پر شدند. زمانی که سازه تحت بارگذاری قرار گیرد و در اثر آن آسیب یا میکروترک در نمونه مشاهده شود، با برخورد این ترک ها به میکرولوله ها، لوله ها شکسته شده و ماده درون آن ها در محل آسیب جریان پیدا می کند که با گذشت زمان باعث حذف آسیب می شود. هدف از پژوهش حاضر بررسی کسر حجمی مناسب و زمان مطلوب برای مشاهده پدیده ترمیم شوندگی است. بدین منظور میکرولوله های شیشه ای حاوی مواد ترمیمی انیدریدی با کسرهای حجمی 2، 4 و 6 درصد در کامپوزیت های اپوکسی تقویت شده با الیاف کربن تعبیه شدند. خواص خمشی نمونه ها با گذشت زمان های مختلف پس از ایجاد آسیب مورد بررسی قرار گرفت. بیشترین مقدار بازیابی استحکام خمشی به میزان 84 درصد برای نمونه حاوی 4 درصد حجمی ماده ترمیمی با گذشت 8 روز پس از ایجاد آسیب مشاهده شد.

به دلیل کاربرد گسترده مواد پلیمری، لازم است مدلی ساختاری وابسته به نرخ کرنش برای پیش بینی رفتار مکانیکی وابسته به نرخ کرنش این دسته از مواد ارائه شود. در این تحقیق، ابتدا مدل ساختاری دینامیکی تعمیم یافته بر اساس نتایج آزمایشگاهی برای پلیمرهای مختلف ارائه شده است. بدین منظور نتایج آزمایشی پلیمرهای گرما سخت و گرمانرم مختلف مورد استفاده قرار گرفته است تا مدل فوق ارزیابی گردد. این مدل شامل سه بخش است، که بخش اول برای پیش بینی رفتار الاستیک پلیمرهای مختلف ارائه شده است. ضمنا، مدل در بخش دوم رفتار غیرخطی پلیمرها را با اصلاح مدل ساختاری جانسون-کوک پیش بینی می کند. همچنین در بخش سوم، مدل حاضر استحکام نهایی پلیمر را پیش بینی می کند. در ادامه با ترکیب مناسب مدل ساختاری دینامیکی تعمیم یافته حاضر و مدل مایکرومکانیکی پلاستیسیته هوانگ، رفتار برشی کامپوزیت تک جهته شیشه/اپوکسی پیش بینی می شود. مدل فوق که مدل دینامیکی ساختاری-مایکرومکانیکی نامیده می شود، توانایی پیش بینی رفتار ماده در مقادیر دلخواه از کسرحجمی الیاف و نرخ کرنش را داراست و بدین ترتیب نیاز به انجام آزمایش های مشخصه سازی را به نحو چشمگیری کاهش می دهد. در انتها نشان داده می شود که مدل ساختاری دینامیکی تعمیم یافته و مدل دینامیکی ساختاری-مایکرومکانیکی به ترتیب رفتار وابسته به نرخ کرنش پلیمرهای خالص و کامپوزیت ها را به خوبی پیش بینی می کنند.

در این مقاله یک راه حل تحلیلی دقیق برای هدایت گرمایی درون یک ماده مدرج تابعی که خواص مواد آن دارای تابعیت نمایی نسبت به مکان و تابعیت خطی نسبت به دما داشته باشد، ارائه شده است. به دلیل وابستگی خواص مواد به دما، معادله حاکم غیر خطی شده است و نمی توان آن را مستقیما حل کرد. اساس روش حل تحلیلی پیشنهاد شده با استفاده از یک تبدیل انتگرالی می باشد، که این تبدیل معادله میدان دمای غیر خطی را به یک معادله خطی تبدیل می کند. همچنین شرایط مرزی نیز لازم است توسط تبدیل مورد استفاده تبدیل شوند. سپس معادله خطی شده حل می شود و از حل آن میدان دمای تبدیل یافته بدست می آید. پس از آن از تبدیل معکوس استفاده می شود تا میدان دمای فیزیکی بدست آید. در نهایت از این روش دو مساله حل می شود که مساله اول هدایت درون یک استوانه یک بعدی در جهت شعاع و مساله دوم هدایت درون پوسته کروی می باشد. برای اعتبارسنجی و اطمینان از حل ریاضی انجام شده، نتایج با حل عددی مساله مقایسه و تطابق کاملی مشاهده شد.