علوم و فناوری کامپوزیت
سال:1395 | دوره:3 | شماره:4 |تعداد مقالات:12

با توجه به کاربرد گسترده ی مواد مرکب در صنایع مختلف، شناخت مدل های شکست سازه های مرکب از این مواد در برابر بار های وارده حائز اهمیت است. در این مقاله رفتار و مدل های شکست لوله های کامپوزیت ساخته شده به روش رشته پیچی با الیاف شیشه، دارای لاینر داخلی و ذرات نانو سیلیکا، تحت بار ضربه محلی مورد آزمایش و بررسی قرار گرفته است. با استفاده از دستگاه رشته پیچی نیمه اتوماتیک، عمل رشته پیچی الیاف انجام شده است. ذرات نانو سیلیکا در ساخت نمونه ها مورد استفاده قرار گرفتند و طی فرآیند مخلوط کردن با ماده ی زمینه برای همگن سازی بهتر با بهره گیری از دستگاه فراصوت مخلوط شدند. 16 نمونه ی لوله ی کامپوزیت با زاویه ی پیچش الیاف ±55 ساخته شد. آزمایش ضربه، با استفاده از دستگاه تفنگ گازی و با سرعت های 118، 113، 108 و 100 متر بر ثانیه انجام شده است. افزودن ذرات نانو سیلیکا باعث افزایش مدول الاستیک و استحکام در ماده ی زمینه می شود. این در حالی است که وجود لاینر ترد رفتار پوسته ی کامپوزیت را تحت تاثیرخود قرار می دهد. در تمام آزمایش های انجام شده نفوذ پرتابه به داخل لوله رخ داده و مشاهدات تجربی شامل سطح شکست به وجود آمده در اثر برخورد و همچنین شکست ماده ی زمینه اصلی و پارگی الیاف مورد بحث و بررسی قرار گرفته است.

روش المان محدود توسعه یافته (XFEM) یکی از قوی ترین روش های عددی در مدل سازی ناپیوستگی بوده و بر پایه المان محدود می باشد. در این روش با غنی سازی گره ها و افزایش درجات آزادی آن ها از 2 به 4 و حتی در شرایط خاص به 10 به طور مجازی و بدون نیاز به تطبیق مش با هندسه ناپیوستگی، امکان مدل سازی فراهم می شود. در المان محدود لزوم تطابق کامل لبه المان ها با لبه ترک، تغییر المان بندی در هر مرحله از رشد ترک را نیازمند است که روند تحلیل رشد ترک را با صرف وقت و محاسبات زیادی روبرو می کند. یکی از اهداف اصلی در این تحقیق بیان روشی نوین برای مدل سازی ساده تر رشد ترک خستگی و دستیابی به عمر سازه از طریق محاسبه ضرایب تمرکز تنش می باشد. با روش المان محدود توسعه یافته برای هر نوع ترک تنها با یک المان بندی ساده می توان نتایج مورد نظر را با دقت بالایی محاسبه نمود. در این تحقیق با قابلیت المان محدود توسعه یافته در محیط نرم افزار آباکوس، مدل سازی مود ترکیبی سه بعدی رشد واقعی ترک در ترمیم نامتقارن پنل، انجام شده است. در این روش تغییرات پارامترهای شکست در راستای ضخامت در لایه چینی های متفاوت بررسی شده است. نمونه ها در این تحقیق شامل رشد ترک در مود ترکیبی است. با بررسی نتایج XFEM حاصل از این تحقیق و نتایج FEM و تجربی تحقیقات گذشته، مشخص شد که نتایج روش XFEM خطای کمتری نسبت به نتایج تجربی دارند.

سازه های مشبک به علت خواص مکانیکی ایده آل، سفتی مخصوص و استحکام بالا؛ یکی از سازه های پرکاربرد در صنایع هوایی، موشکی و دریایی می باشد. در این تحقیق به بررسی تجربی و عددی اثر تقویت کننده های طولی و عرضی بر رفتار خمشی ورق های کامپوزیتی مشبک پرداخته شده است. برای این منظور چهار نوع ورق مشبک با تقویت کننده های مثلثی، لوزی، مربعی درشت و ریز در نظر گرفته شد. برای ساخت این ورق ها، قالب سیلیکونی طراحی و ساخته شد. سپس از روش لایه چینی و لایه پیچی دستی برای ساخت ورق ها استفاده شد. نمونه های ساخته شده تحت آزمایش خمش سه نقطه ای قرار گرفتند که برای این منظور نیز فیکسچری طراحی و ساخته شد. از حل عددی مساله و مقایسه با نتایج تجربی مشاهده شد که اختلاف بسیار کمی بین نتایج تجربی و عددی وجود دارد. نتایج نشان می دهد که تقویت کننده های طولی اثر بسیار زیادی بر بار بیشینه مخصوص ورق دارا می باشند، به طوری که با اضافه کردن یک تقویت کننده ی طولی، استحکام ورق 594% افزایش می یابد. این در حالی است که تقویت کننده های عرضی به دلیل افزایش وزن، نه تنها باعث افزایش بار بیشینه مخصوص و سفتی مخصوص نمونه نمی شوند بلکه باعث کاهش 7.14% استحکام و 26.9% سفتی مخصوص می گردند. اولویت قرار گرفتن تقویت کننده ها از لحاظ بیشینه استحکام به ترتیب نمونه مربعی درشت، مربعی ریز، نمونه مثلثی و نمونه لوزی شکل و از لحاظ حداکثر سفتی مخصوص به ترتیب نمونه مربعی درشت، مربعی ریز، نمونه لوزی و نمونه مثلثی شکل می باشد.

هدف از این تحقیق بررسی فصل مشترک کامپوزیت آلومینیم- مس حاصله از ریخته گری گریز از مرکز مذاب آلومینیم درون بوش جامد مسی است. در این تحقیق مقدار مشخصی مذاب آلومینیم خالص تجاری (100 گرم) درون بوش مسی پیش گرم شده تا دمای 150 درجه ی سانتی گراد و در حال چرخش با سرعت های دوران 700، 900، 1500 و 3000 دور بر دقیقه درون دستگاه ریخته گری گریز از مرکز عمودی ریخته گری شد. به منظور بررسی فصل مشترک واکنشی از میکروسکوپ نوری (OM) و میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) مجهز به سیستم آنالیز EDS استفاده و نیز سنجش میکروسختی فازها انجام شد. افزایش سرعت چرخش با افزایش نیروی گریز از مرکز موجب افزایش آهنگ سردکنندگی شده و به این ترتیب شرایط را برای ظریف تر شدن ساختار و نازک تر شدن فصل مشترک واکنشی فراهم می آورد. نتایج آنالیز نقطه ای (EDS) نشان داد فازهای شکل گرفته به ترتیب از سمت مس شامل: لایه های پیوسته ی AlCu2، AlCu، Al2Cu، رسوبات Al2Cu پراکنده در ساختار یوتکتیک غیرعادی و نهایتا ساختار یوتکتیک غیرعادی a-Al/Al3Cu در مجاورت آلومینیم است. نتایج تغییرات میکروسختی، از فازهای حاضر در فصل مشترک واکنشی، نیز گویای روند کاهشی سختی در دو سمت آلومینیم و مس و بروز حداکثر سختی در ترکیبات بین فلزی بیشتر از 500 ویکرز، نزدیک به رینگ مس جامد، است.

در مقایسه با گرمانرم ها، فرآیندهای گرماسخت ها و کامپوزیت های ماتریس گرماسخت به خاطر واکنش پذیری آن ها پیچیده تر بوده و کنترل پذیری کمتری دارند. مکانیزم و سینتیک پخت، مورفولوژی شبکه را تعیین می کند که در آن خواص مکانیکی و فیزیکی محصول پخت شده قابل ارزیابی است. بنابراین، فهم سینتیک پخت گرماسخت ها برای توسعه فرآیند، کنترل کیفیت و کسب محصولات با خواص فیزیکی و مکانیکی مطلوب ضروری می باشد. از این رو، در این پژوهش، به بررسی سینتیک پخت سامانه رزین اپوکسی  EPON/828عامل پخت دی سیان دی آمید/ شتاب دهنده دیوران برای تولید پیش آغشته اپوکسی/ الیاف شیشه مورد استفاده در پره توربین بادی پرداخته شده است. برای این منظور، پخت سامانه اپوکسی با آزمون گرماسنج روبشی تفاضلی (DSC) هم دما انجام و تاثیر افزایش دما و درصد وزنی نانوذرات سیلیکا بررسی شده است. برای بررسی اثر دما، آزمون DSC هم دما در پنج دمای مختلف بدون حضور نانوذره انجام شده و برای بررسی تاثیر نانوذره این آزمون در حضور مقادیر 0، 4 و 6 درصد وزنی نانوسیلیکا انجام شده است. نمودارهای به دست آمده توسط برازش منحنی نرم افزار متلب به خوبی با مدل خودکاتالیزوری کمال برازش شده و پارامترهای مدل برای هر نمونه مورد آزمون به دست آمده است. نتایج نشان داد افزایش دمای آزمون هم دما، موجب افزایش نرخ واکنش و نیز کامل تر شدن فرآیند پخت می شود. افزودن نانوسیلیکا نیز منجر به افزایش سرعت پخت در a پایین شده اما تاخیر در لحظه شروع واکنش داشته و گرمای کل واکنش را به طور قابل توجهی کاهش داده است.

در این مقاله به بررسی تاثیر استفاده از لایه ی هوشمند مغناطیسی در کاهش و سرکوب ارتعاشات ناخواسته در تیرهای هوشمند پرداخته شده است. تیری سه لایه متشکل از یک لایه ی الاستومر مگنتورئولوژیکال که به صورت ساندویچی بین دو لایه ی الاستیک قرار دارد، در نظر گرفته شده است. با مدل سازی رفتار لایه ی مگنتورئولوژیکال به صورت ماده ی ویسکوالاستیک در ناحیه ی قبل از تسلیم، معادلات حاکم بر حرکت تیر ساندویچی به همراه شرایط مرزی متناظر با استفاده از اصل همیلتون به دست آمده است. به علت وابسته بودن مدول برشی لایه ی مگنتورئولوژیکال به میدان مغناطیسی، با تغییر میدان وارد بر هسته، سختی و میرایی تیر هوشمند می تواند به سرعت تغییر کند و از این قابلیت برای کنترل و میراسازی ارتعاشات ناخواسته ی وارد بر سیستم استفاده شده است. انتخاب میدان مغناطیسی مناسب برای رسیدن به پاسخ گذرای مطلوب، توسط یک کنترلر فازی با استفاده از جابه جایی و سرعت مودال، به عنوان ورودی های کنترلر انجام می شود. پارامترهای مودال تیر ساندویچی شامل فرکانس های طبیعی و شکل مودهای متناظر به دست آمده و با نتایج موجود مقایسه و صحه گذاری شده است. در ادامه از روش گلرکین برای رسیدن به معادله ی زمانی حاکم بر تیر، با در نظر گرفتن اثر میدان مغناطیسی، استفاده شده است. نتایج حاصل از شبیه سازی نشان می دهد که لایه ی هوشمند مغناطیسی به همراه کنترلر طراحی شده بر اساس منطق فازی می تواند به طور موثری در میراسازی ارتعاشات ناخواسته ی وارد بر سیستم مورد استفاده قرار گیرد. نتایج حاصل از این پژوهش می تواند در طراحی و تحلیل تیرهای هوشمند، به عنوان اجزای اصلی سازه های پیشرفته ی مهندسی برای بهبود عملکرد دینامیکی این سیستم ها استفاده شود.

در این تحقیق فصل مشترک دو فلزی آلومینیم- برنج، تولیدشده با دستگاه ریخته گری گریز از مرکز عمودی، مورد بررسی متالورژیکی قرار گرفت. ابتدا بوش های برنجی در محدوده دمایی 100-300 درجه ی سلسیوس پیش گرم شده و سپس مذاب آلومینیم با نسبت حجمی 1.5 برابر جامد برنجی درون بوش های در حال دوران با سرعت 800، 1600 و 2000 دور بر دقیقه ریخته گری شد. نمونه های حاصله به ازای متغیرهای مختلف، با استفاده از میکروسکوپ نوری (OM)، میکروسکوپ الکتررونی (SEM) مجهز به حسگر طیف سنجی پراش انرژی پرتو ایکس (EDS) و نرم افزار Image J بررسی شد. تشکیل اتصال متالورژیکی در این تحقیق، می تواند ناشی از شرایط انحلالی ویژه ای باشد که توسط نیروهای چندگانه مکانیکی دخیل و همچنین نفوذ در انتهای فرآیند انجماد تامین می شود. مطالعه طیف سنجی نشان می دهد که لایه های تشکیل شده در این دوفلزی، به ترتیب از سمت برنج شامل Al3Cu5Zn4، Al3Cu3Zn، رسوبات Al3Cu توزیع شده در زمینه ی محلول جامد آلومینیم و نهایتا ساختار یوتکتیک غیرعادی a-Al/Al3Cu در مجاورت آلومینیم است.

پانل های ساندویچی فلزی و کامپوزیتی تقویت شده با هسته مشبک یکی از جدیدترین نوع ساختارهای کاربردی در سازه های هوافضا می باشند که از دو رویه نازک متصل شده به یک هسته مشبک از بالا و پایین تشکیل می شوند و به دلیل مزیت هایی مانند نسبت استحکام به وزن بالا، نه تنها در صنایع هوافضا بلکه در دیگر کاربردهای مهندسی از قبیل صنایع نظامی، کشتی سازی، حمل و نقل ریلی، سکوهای نفتی و غیره استفاده می شوند. در تحقیق حاضر، سه نمونه کامپوزیت، با جنس و ضخامت مختلف با روش لایه گذاری دستی در قالب سیلیکونی و آغشته سازی با رزین اپوکسی ساخته شده اند. همچنین یک نمونه آلومینیومی ساندویچی و یک صفحه یکپارچه آلومینیومی نیز با ابعاد مشابه ساخته شده اند. به منظور بررسی رفتار آن ها در برابر بارهای شبه استاتیکی عرضی، تحت تست خمش سه نقطه ای قرار گرفته اند. نتایج آزمایش تجربی نشان داد که حتی بعد از واماندگی رویه ها، هسته مشبک به تحمل بار ادامه می دهد. همچنین هیچ گونه جدایشی بین رویه ها و هسته، به دلیل چسبندگی و عمل آوری مناسب رزین، مشاهده نشد. نتایج نشان می دهد که تغییر جنس الیاف رویه ها از شیشه به کربن با ضخامت یکسان نتیجه بهتری از افزایش ضخامت رویه ها با جنس یکسان، بر پارامتر استحکام به وزن پانل ساتدویچی کامپوزیتی دارد.

معمولا با افزایش دما، پخت اپوکسی کامل تر انجام می شود و مدول و استحکام کششی نیز افزایش می یابد اما به دلیل اتصالات عرضی زیاد، پلیمر ترد شده و چقرمگی شکست آن کاهش می یابد. در این پژوهش، به منظور افزایش چقرمگی شکست، از تکنیک کاهش دمای پخت استفاده شده و نانوذرات سیلیکا در اندازه های مختلف، برای جلوگیری از کاهش استحکام به اپوکسی اضافه شد. به منظور مطالعه اثر دما، نمونه های اپوکسی با کسر حجمی های مختلف از نانوذرات سیلیکا، در دو دمای پخت 105 و 90°C تهیه شده و میزان چقرمگی شکست، استحکام و مدول کششی آن ها توسط آزمون های مکانیکی اندازه گیری شد. در نمونه های فاقد نانوذرات، با کاهش دمای پخت، افزایش قابل توجه در چقرمگی شکست مشاهده شد اما مدول کششی و استحکام نمونه، به دلیل پخت ناقص اپوکسی، کاهش یافت. اما در نمونه های حاوی نانوذرات سیلیکا، تقویت کنندگی نانوذرات بر نقص پخت غلبه کرده و برآیند دو مکانیزم موجب افزایش استحکام و مدول کششی شد. در عین حال افزایش چقرمگی و انرژی شکست، نشان از هم افزایی قابل قبول تکنیک های پخت ناقص و حضور نانوذرات سیلیکا در کامپوزیت، دارد. هر چند چقرمگی شکست نمونه های پخت شده در دمای 90°C همواره از نمونه های پخت شده در دمای 105°C بیشتر است اما با افزایش سطح نانوذرات سیلیکا (کاهش اندازه نانوذرات) نقش نانوذرات غالب بوده و تفاوت متاثر از دمای پخت کمتر می شود. محاسبات نشان داد مکانیزم های تغییر شکل پلاستیک، گسترش حباب و شکسته شدن کلوخه ها، نقش اصلی را در افزایش چقرمگی شکست داشته و تحت تاثیر یکدیگر تشدید می شوند.

در این مقاله، پاسخ دینامیکی تیر ساندویچی مرکب با هسته ی ویسکوالاستیک و انعطاف پذیر جانبی با شرایط تکیه گاهی ساده به صورت تحلیلی بررسی شده است. برای تحلیل تیر تئوری سه لایه ساندویچی به کار رفته است. معادلات حاکم بر مساله با استفاده از اصل هامیلتون استخراج شده است. به دلیل عدم توانایی مدل های کلاسیک در توصیف جامع عملکرد دینامیکی مواد ویسکوالاستیک، از مدل GHM برای مدل سازی هسته ی ویسکوالاستیک استفاده شده است. مزیت این مدل در برگرفتن وابستگی خواص مادی به فرکانس در مواد ویسکوالاستیک می باشد. معادلات دیفرانسیل جزئی حاکم بر تیر با استفاده از روش جمع آثار مدها به معادلات دیفرانسیل معمولی با ضرایب متغیر با زمان تبدیل می شوند. حل معادلات دیفرانسیل معمولی به صورت عددی با استفاده از روش نیومارک انجام شده است. نتایج تحلیل دینامیکی با نتایج موجود در ادبیات موضوع صحه گذاری شده است. نوآوری مقاله حاضر، در نظر گرفتن خواص مادی وابسته به فرکانس هسته ی ویسکوالاستیک با استفاده از مدل GHM و انعطاف پذیری هسته با به کارگیری تئوری سه لایه ساندویچی در تحلیل دینامیکی تیر ساندویچی مرکب می باشد. هدف مقاله، بررسی پاسخ دینامیکی تیر با هسته ی ویسکوالاستیک طبق مدل GHM و بیان مزیت این مدل نسبت به مدل کلاسیک کلوین- ویت می باشد. همچنین به بررسی تاثیر پارامترهای مختلف از جمله ضخامت، چگالی هسته و سفتی رویه های تیر ساندویچی مرکب بر فرکانس و نرخ میرایی پاسخ دینامیکی تیر پرداخته شده است. بررسی ها نشان می دهد، مدل GHM با در نظر گرفتن خواص مادی وابسته به فرکانس مواد ویسکوالاستیک نسبت به مدل کلوین- ویت توصیف دقیق تری از پاسخ دینامیکی تیر با هسته ی ویسکوالاستیک دارد.

در چند دهه ی اخیر کامپوزیت های پایه پلیمری به دلیل داشتن خواص فوق العاده از محبوبیت فراوانی برخوردار بوده اند. با وجود این موضوع، پلیمرها در دماهای پایین، حتی در دمای محیط دچار خزش می شوند که معمولا پدیده ای نامطلوب محسوب می شود. به منظور پیش بینی خزش و در نظر گرفتن اثرات آن تاکنون روش های متعددی پیشنهاد شده است. در این مطالعه بعد از اشاره ای به مفاهیم خزش در پلیمرها و دسته بندی روش های پیش بینی خزش کامپوزیت های پایه پلیمری، به توسعه روشی برای پیش بینی خزش بلند مدت در کامپوزیت های پلیمری چند لایه حاوی الیاف بلند با تکیه بر داده های آزمایشگاهی آزمون خزش کوتاه مدت روی رزین خالص پرداخته می شود. مدل مورد اشاره، تنها نیازمند مشخصه سازی رفتار ویسکوالاستیک کوتاه مدت رزین بوده، پس از مدل سازی خزش در سطح رزین، به مدل سازی خزش در سطح تک لایه کامپوزیت پرداخته، در نهایت نتایج را به چندلایه کامپوزیت با آرایش دلخواه تعمیم می دهد. همچنین امکان استفاده از روابط مایکرومکانیک برای تخمین رفتار ویسکوالاستیک کامپوزیت بر اساس رفتار رزین و الیاف سازنده چندلایه کامپوزیت بررسی می شود. مقایسه نتایج حاصل از مدل سازی تئوری خزش بلند مدت با مشاهدات آزمایشگاهی انجام شده توسط دیگران و تطابق خوب نتایج، حاکی از کارآیی مناسب مدل توسعه داده شده می باشد.

در این پژوهش، محلول های سل حاوی نانوذرات سیلیکا، با آبکافت تترا متوکسی سیلان (TMOS) در حضور متانول تهیه شدند. سپس محلول سل حاوی نانوذرات سیلیکا در درصدهای 0 تا 40 وزنی به پلی استر ایزوفتالییک افزوده شد. نانوکامپوزیت های تهیه شده در شرایط آزمایشگاهی و در دمای محیط قالب گیری و فراوری شدند. در این پژوهش تاثیر نانوذرات سیلیکا همچنین تاثیر دمای پخت ثانویه بر خواص مکانیکی نانو کامپوزیت های پلی استری ارزیابی شد. نتایج آزمون طیف سنجی زیر قرمز تبدیل فوریه FT-IR نشان داد پیوند Si-O-Si در نانوکامپوزیت پلی استر سیلیکا تشکیل شده است. نتایج آزمون کشش نشان می دهند نمونه های پخت شده در دمای محیط کرنش بیشتر و استحکام کششی کمتری نسبت به نمونه های نانو کامپوزیتی پخت ثانویه در 100°C دارند. نتایج آزمون دینامیکی- مکانیکی (DMA) نمونه های نانو کامپوزیتی حاوی (%20 TMOS) یک افزایش در دمای انتقال شیشه ای و مدول حقیقی (E") را با افزایش دمای پخت نشان می دهند. همچنین نتایج تفرق دینامیکی نور لیزر (DLS) و تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) نشان می دهد که در نمونه نانوکامپوزیتی (%20 TMOS) متوسط اندازه ذرات به ترتیب 40-35 nm و 53 nm است با اینحال با حرارت دادن ثانویه در 100°C اندازه نانوذرات تشکیل شده به 87 nm افزایش می یابد.