براي شبيه سازي ضـربه بايـد بـه ترتيـب مراحـل تعريـف هندس ه ه ر بخ ش از م دل۲۰، مونت اژ ک ردن ق سمته اي مختلـف۲۱، تعيـين خـواص مـواد۲۲، نحـ وهي اجـراي فراينـد ضربه۲۳، نحوهي تماس بخش هاي مختلف ۲۶، شرايط مـرزي۲۵، مشبندي۲۶ و در نهايت حل مسئله۲۷ را در نرمافـزار آبـاکوس اعمال كرد.
کامپوزيت به صورت پوسته۲۸ مستطيل تغيير شکل پـذير۲۹ به طول ۱۵۰ و عرض ۱۰۰ ميليمتر تعريف شده است. سـطحمقطع پوسته به صورت کامپوزيت چهار لايه با آرايـش شـبه-ايزوتروپيک۳۰ تعريف، سپس براي هر لايه، پارامترهاي ابعاديو فيزيکي شامل چگالي۳۱، ضـخامت، زاويـه و مشخـصههـايمکانيکي مورد نياز از جمله مـدول کشـشي، مـدول برشـي وضريب پواسن در راسـتاهاي طـولي و عرضـي تعريـف شـد . شـکل (۱) نحـوه تعريـف سـطح مقطـع پوسـته بـه صـورت کامپوزيت چند لايه را نشان ميدهد. همـان طـور کـه در ايـنشکل مشاهده ميشود ضخامت و زاويه قرارگيري هر لايـه دربخش تعريف خواص مواد تعيين شده است . به منظور تعيـينپارامترهاي مکانيکي در هر لايه کامپوزيت، در بخش تعريـفخواص مواد، هـر لايـه از نـوع لمينـا۳۲ تعريـف شـده اسـت.
همچنين در اين قسمت، معيار شکست۳۳ هاشين۳۴ بـا اسـتفادهاز مقادير بيشينه استحکام کششي، فشاري و برشي تعريف شد [١٤].
ضربهزن٣٥ به شکل نيمکـره بـه شـعاع ۷/۱۲ ميليمتـر، بـهصورت پو سته سه بعدي و به شـكل جـسم صـلب۳۶ تعريـفشده است . براي اعمال شـرايط مـرزي، يـک صـفحه در زيـرنمونه کامپوزيت و چهار گيره در گوشـههـاي آن بـه صـورتپوسته سه بعدي به شكل جسم صلب تعريف شده اسـت. در شکل (۲)، قسمت هاي مختلف تعريف شده براي شبيهسـازيآزمايش ضربه پس از مونتاژکردن نـشان داده شـده اسـت. در همه مراحل شبيهسازي فرايند ضربه، همه واحدها بـر اسـاساستاندارد سيستم بينالمللي۳۷ در نرمافزار وارد شده است.
فرايند ضربه در دو مرحله انجام شده اسـت. در گـام اول،ضربهزن از فاصله بسيار کمي تا سطح نمونه با سـرعتي ثابـتحرکت ميکند. در گام دوم، ضربهزن با سطح نمونه برخورد خواهد کرد . سرعت ضربه زن در بخش نحـوه اجـراي فراينـد ضربه، به گونه اي تعي ين شد که شدت ضربه، در لحظه برخورد٣٠ ژول باش د. در اي ن بخ ش ج رم ض ربه زن براب ر ٢٥/١ کيلوگرم در نظر گرفته شده است. در طي زمان برخورد تماسبـين نمونـه کامپوزيـت و سـطح زيـرين نمونـه و گيـرههـاي نگهدارنده آن، به صورت تماس اصطکاکدار از نـوع پنـالتي٣٨ و تماس بين صفحه کامپوزيت و ضربهزن بـه صـورت بـدوناصطکاک٣٩ در بخش نحوه تماس بخش هاي مختلـف تعريـف

شکل ۱- نحوه ي تعريف سطح مقطع پوسته به صورت کامپوزيت چند لايه

شکل ۲- قسمت هاي مختلف تعريف شده براي شبيهسازي آزمايش ضربه
شده است.
شکل (٢)، نحوه اعمال شرايط مرزي بر روي بخـش هـايمختلف را نشان ميدهد. همان طور که مشاهده ميشود شرايطمرزي صفحه کامپوزيت با اسـتفاده از قـسمت هـاي زيـرين وگيرههاي نگهدارنده اطراف آن تامين شده است. صـفحه زيـرنمونه کامپوزيت مانع حرکت آن در راستاي حرکت ضـربهزن (راس تاي ارتف اع) م يش ود. تم اس گي رهه اي نگهدارن ده باعث محدود شدن حرکت نمونه در راستاي طولي و عرضي مي شوند. همچنين اين گيرهها در محل تماسشان مانع حرکـتنمونه در راستاي ارتفاع و به سمت بالا ميشوند. لازم به ذکـراست کليه قيدهاي جابه جايي و گشتاور نقطـه مرجـع صـفحهزيرين و گيرههاي نگهدارنده در همه مراحل مسئله، ثابت شده است. شرايط مرزي بر روي ضربهزن به گونهاي تعريف شـده که اين قطعه در گام اول با سرعت ثابت به صورت عمـود بـرصفحه کامپوزيت و در گـام دوم بـا سـرعت متغيـر در همـانراستا حرکت ميکند.

شکل ٣- آرايش لايههاي پارچه تقويتکننده در کامپوزيتهاي خالص (الف) و (ه) و هيبريد (ب)، (ج) و (د)
صفحه کامپوزيت با استفاده از ٩٥٠ المـان مربـع شـکل ۴۰ يکنواخت٤١ و منظم٤٢ با اندازه ٤ ميليمتر از نوعS4R بـر رويسطح، المـانبنـدي شـده اسـت. بـا توجـه بـه اينکـه صـفحهکامپوزيت از نوع پوسته و به صورت چهار لايه تعريـف شـدهاست ضخامت هر المان به صورت ظاهري برابر بـا ضـخامتکامپوزيت است اما در فـضاي درونـي نـرمافـزار در راسـتايضخامت، هر المان به چهار بخش جداگانه تقسيم شده اسـتو ميتوان نتايج را بـراي هـر المـان در هـر لايـه بـه صـورتجداگانه مشاهده كرد. با توجه به منحني بودن سطح ضربهزن، به منظور پوشش مناسب سطح آن، اندازه المـان هـاي قـسمتضربهزن برابر ٢ ميليمتر انتخاب شد. پس از مشبندي، تحليلمسئله با استفاده از روش اکسپليسيت٤٣ به صورت خطـي٤٤ ودر حالت اجزا با کرنش کم٤٥ انجام شده است.

۳- تجربيات
در اين تحقيق الياف بازالت و نايلون به ترتيب بـه عنـوانالياف ترد و انعطافپذير انتخاب شدهاند. در نمونههـاي مـوردبررسي، نسبت حجمي الياف بازالت به کل حجم در هـر لايـهبرابر۱۰۰، ۷۵، ۶۶، ۵۰ و ۰ درصـد در نظـر گرفتـه شـد. ايـنکامپوزيــت هــا بــه ترتيــب بــه صــورت B۲۵N ،۱۰۰B۷۵، B۵۰N ،۶۶B۳۳N۵۰ و N۱۰۰ کدبنـدي شـده انـد . شـکل (٣ ) آرايش لايه هـاي پارچـه تقويـتکننـده را در کامپوزيـت هـايخالص، نمونه هاي (الف) و (ه) و هيبريد ، نمونه هاي (ب)،( ج ) و (د) بررسي شده نشان ميدهد.
همان طور که اشاره شد براي شـبيهسـازي ضـربه بـر روينمونههاي مختلف کامپوزيت، نياز به مشخص کردن خواص

شکل ٤- نمايي از (الف) دستگاه ضربه، (ب) شکل ضربهزن و (ج) نحوه بستن نمونه در دستگاه جدول ۱- مشخصات فيزيکي، ابعادي و مکانيکي مورد نياز براي شبيهسازي فرآيند ضربه

100N 50B50N 66B33N 75B25N 100B کد کامپوزيت
٣/١٦ ٣/٩٨ ٣/٠٣ ٣/١٤ ٣/٠٣ ضخامت (mm)

١١٧٠ ١٣٧٠ ١٦٢٠ ١٦٧٠ ١٧٣٠ چگالي تجربي 3(−(kg.m
١/٠٥ ٨/٣٢ ٩/٥٢ ١٠/٤٣ ١٥/٤٢ مدول کششي (GPa)
٠/٢٧ ٠/٢٣ ٠/١٦ ٠/١٥ ٠/١٦ ضريب پواسن
٤/٢١ ٥/١٣ ٥/٢٩ ٥/٣٠ ٩/٤٥ مدول برشي (GPa)
١٣٥ ٨٥ ١٢٢ ١٢٨ ٢٤٤ بيشينه استحکام کششي (MPa)
١٩ ٤٣ ٣٧ ٣٨ ٦٥ بيشينه استحکام فشاري (MPa)
٣٦ ٣٥ ٣٦ ٤٤ ٥٣ بيشينه استحکام برشي (MPa)

جدول ۲- نتايج نظري و تجربي براي کامپوزيتهاي مختلف
درصد اختلاف نتايج تئوري و تجربي بيشينه خيز (ميليمتر) درصد اختلاف نتايج
تئوري و تجربي بيشينه نيروي برخورد (کيلونيوتن) کد نمونه
تجربي تئوري تجربي تئوري ۱۸ ١١/١٦ ٩/١٥ ٣٤ ٥/٢٤ ٧/٠٥ 100B
٢٤ ١٢/٧٦ ٩/٦٧ ٣٩ ٤/٦٠ ۶/۴۳ 75B25N
٢٢ ١٣/٣٣ ١٠/٣٥ ٣١ ٤/٦٧ ۶/۱۶ 66B33N
١٢ ١٢/٨١ ١١/٢٤ ٣٢ ٤/٥٥ ٦/٠٣ 50B50N
١٤ ٢١/٠٣ ١٧/٨٩ ٢٧ ٢/٨٣ ۳/۶۲ 100N

فيزيکي، ابعادي و مکـانيکي آنهاسـت . ايـن خـصوصيات درجدول (۱) آورده شده اسـت. مشخـصه هـاي مکـانيکي آوردهشده در اين جدول، با انجام آزمايشهاي کشش، فشار و برش تعيين شدند.
براي ارزيابي شبيهسازي انجام شده، نمونه هاي کامپوزيـتکاملا مشابه با حالت نظريه، تحت آزمايش تجربي ضربه قـرارگرفتند. آزمايش هاي ضربه با شدت ۳۰ ژول مطابق شکل (۴) در دانشکده مکانيک دانشگاه بولونيا مطابق استاندارد ASTM D. 7136 صـورت گرفتنـد [١٥]. در ايـن آزمـايش هـا ابتـدا گوشه هاي نمونه، مطابق شکل (۴ -ج) با استفاده از چهار گيره پلاستيکي با قطر ۱۲ ميليمتـر کـاملا بـر روي دسـتگاه محکـمبسته ميشوند آنگاه ضربهزن مطابق شکل (۴-الف) از ارتفـاع۴/۲ متري به صورت آزاد بر روي نمونههاي کامپوزيـت رهـاميشود. در بازه زماني برخورد نيروي وارد شده به ضربهزن وموقعيت ضربه زن در فاصله نزديک به سطح نمونه به ترتيب بااستفاده از نيروسـنج۴۶ و سنـسور ليـزري۴۷ نـصب شـده رويدستگاه، اندازهگيري و در حافظه رايانه ذخيره شد. بـا اسـتفادهاز اين اطلاعات ميتوان خيز ايجاد شده در نمونـه را در بـازهزماني برخورد محاسبه کـرد [١٦]. نتـايج ايـن آزمـايشهـا درجدول (۲) آورده شده است.
بحث و نتيجهگيري
٤-١- ارزيابي نتايج مدل
پس از تحليل مدل، نتايج نظري از جمله نيـروي برخـورددر هر لحظه از زمان تعيين شد. در شکل (٥) به عنوان نمونـه،نمودار نيروي برخـورد-زمـان کامپوزيـت نـايلون خـالص درحالتهاي نظري و تجربي با هم مقايسه شده است . همان طور که در اين شکل مشاهده مـيشـود نمـودار نيـروي نظـري بـا
شکل ٥- نيروي برخورد نظري و تجربي براي نمونه نايلون نوسانهاي کوچک همواره روندي افزايـشي دارد امـا نمـودارخالص نيروي تجربي به خصوص در اطراف ناحيه بيشينه نيرو داراي نوسانهاي بزرگي است. اين نوسانها در نمودار تجربي ناشي

در این سایت فقط تکه هایی از این مطلب با شماره بندی انتهای صفحه درج می شود که ممکن است هنگام انتقال از فایل ورد به داخل سایت کلمات به هم بریزد یا شکل ها درج نشود

شما می توانید تکه های دیگری از این مطلب را با جستجو در همین سایت بخوانید

ولی برای دانلود فایل اصلی با فرمت ورد حاوی تمامی قسمت ها با منابع کامل

اینجا کلیک کنید

شکل ٦- بيشينه نيروي برخورد نظري و تجربي بر حسب درصد الياف بازالت

شکل ٧- بيشينه خيز نظري و تجربي بر حسب درصد الياف بازالت
از جدا شدن لايهها در نمونه نـايلون خـالص اسـت [١٦]. بـاتوجه به اينکه در مدل نظري اتصال بين لايههـاي کامپوزيـتکامل تعريف شده، بنابراين در اين مدل جدا شدن لايـه هـا بـهوجود نيامده و نوسان هاي بزرگ ايجاد نميشود.
نتايج بيشينه نيروي برخورد و بيشينه خيز در نقطـه ميـانيصفحه کامپوزيت حاصل از تحليل مدل براي کامپوزيـت هـايخالص و هيبريد بازالت و نايلون در شدت ضـربه ۳۰ ژول در جدول (۲) آورده شده است. همـان طـ ور کـه در ايـن جـدولمشاهده مي شود حداکثر درصد اخـتلاف بـين نتـايج نظـري و تجربي براي بيشينه نيروي برخورد و بيشينه خيز به ترتيب ۳۹ و ٢٤ درصد بوده است. اين اختلاف به دليل خطاهاي آزمايش

شکل ۸- توزيع تنش عرضي در لايههاي مختلف نمونه بازالت خالص (يک چهارم هر لايه) در زمان بيشينه خيز

شکل ٩- نحوه تغيير مقدار تنش طولي در طي زمان برخورد در لايه دوم نمونه بازالت خالص

تجربي، ايـدئال در نظـر گـرفتن سـاختار کامپوزيـت در مـدلنظري و عدم تعريف دقيق خواص مکانيکي کامپوزيت است.
شکل هاي (٦) و (٧) به ترتيب روند تغيير بيـشينه نيـرويبرخورد و بيشينه خيز نظري و تجربي کامپوزيتهاي خـالصو هيبريد را بر حسب درصد اليـاف بازالـت نـشان مـيدهنـد .
همانطور که در اين شکلها مشاهده ميشود هر چنـد نتـايجنظري و تجربي با هم اختلاف دارند اما روند تغيير آن ها تقريبامشابهاند. در اين نمودارها با افـزايش درصـد اليـاف بازالـت،بيشينه نيروي برخورد افزايش و بيشينه خيز کاهش يافته است.
بنابراين از مدل نظري ارايه شده ميتوان رونـد تغييـر بيـشينهنيــروي برخـ ورد و بيـ شينه خيــز را بـ ا تغييـ ر درصـ د الياف بازالت و نايلون در کامپوزيتهـاي مختلـف پـيشبينـيکرد.

٤-٢- نحوه ي توزيع و نوع تنش در لايههاي مختلف
با استفاده از نتايج مدل ميتوان نحوهي توزيع و نوع تنش و ک رنش در ه ر لحظـه از زم ان برخ ورد در ه ر لاي ه از کامپوزيت را مورد بررسـي قـرار داد. شـکل (٨) توزيـع تـنشعرضي را در لايههاي مختلف نمونه بازالت خـالص در زمـان بيشينه خيز نشان ميدهد. بررسي شکل (٨) و شکلهاي مشابه آن نشان ميدهد از لايههاي بالايي به سمت لايـه هـاي پـاييني،گستردگي تنش در اطراف ناحيـه برخـورد و کنـارههـاي نمونـهافزايش يافته است. همچنين اين شکلها نشان ميدهند نوع تنش در ناحيه برخورد در لايههاي بالاي ي (تنش فشار ي) با نوع آن درلايههاي زيرين ( تنش کششي) متفاوت است.
شکل (٩) نحوه افزايش مقدار تنش طولي را در طي زمـانبرخورد در لايه دوم نمونه بازالت خالص هنگـامي کـه تحـتضربه با شدت ٣٠ ژول قرار گرفته اسـت را نـشان مـيدهـد .
همان طور که مشاهده ميشود در لايه دوم ابتدا تنش در ناحيـهبرخورد افزايش مييابد اما با گذشت زمـان و ايجـاد خيـز درنمونه، تنش در کنارههاي طولي نمونه (ناحيهA ) افزايش قابل توجهي يافته است.
با تحليل شکل هايي مشابه شکل هاي (٨) و (٩) و دستيابيبه اطلاعاتي همچون ماکزيمم تنش و نحوه انتـشار آن در هـر
واژه نامه
.2 strain diffusion 14. unidirectional 26. mesh
.3 Fracture mode 15. finite element 27. Job
.4 Meo 16. homogeneous 28. shell
.5 Johnson 17. intraply hybrid 29. deformable
.6 Souza 18. brittle 30. quasi-isotropic
.7 Deka 19. ductile 31. density
.8 Iannucci 20. part 32. lamina
.9 Menna 21. Assembly 33. fracture criterion
.01 Luo 22. Property 34. hashin
.11 Her 23. step 35. impactor
.21 Naik 24. contact properties 36. rigid
.52 boundary condition
قسمت از سازه کامپوزيت، ميتوان فراينـد ضـربه را بـر روياين سازه ها تحليل و اقدامات لازم براي تقويـت قـسمتهـايحساس را انجام داد.

٥- نتيجهگيري کلي
در اين مقاله با استفاده از نرمافـزار آبـاکوس و بـر مبنـايروش اجزا ي محدود، مقاومت در برابر ضربه کامپوزيـت هـايخالص و مرکـب درون لايـهاي تقويـت شـده بـا درصـدهايمختلف بازالـت و نـايلون بررسـي شـ ده اسـت. نتـايج نـشانميدهد حداکثر درصد اختلاف بين نتايج نظري و تجربي براي بيشينه نيروي برخورد و بيشينه خيز به ترتيب ٣٩ و ٢٤ درصدبوده است . همچنين هر چند نتايج نظـري و تجربـي اخـتلافدارند اما مدل ارائه شده روند تغيير نيروي برخورد و ماکزيممخيز با تغيير درصد الياف بازالت و نايلون را پيشبيني مي کند.
در هر دو حالت نظـري و تجربـي بـا افـزايش درصـد اليـافبازالت، بيشينه نيروي برخورد افزايش و بيـشينه خيـز کـاهشيافته است . نتايج تحليل نوع و نحوهي توزيع تـنش و کـرنشدر هر لايه از کامپوزيت نشان ميدهد از لايههـاي بـالايي بـهسمت لايـههـاي پـاييني، گـستردگي تـنش در اطـراف ناحيـهبرخورد و کنارههاي نمونه افزايش يافته است. همچنـين نـوعتنش در ناحيه برخورد در لايههاي بالايي (تـنش فـشاري) بـانوع آن در لايههاي زيرين (تنش کششي) متفاوت است.
.1 stress diffusion 13. woven
.54 small Strain
.64 load cell
.74 laser device
مراجع
.01 Menna, C., Asprone, D., Caprino, G., Lopresto, V., and Prota, A., “Numerical Simulation of Impact Tests on GFRP Composite Laminates,” Inter. J. of Impact Eng., Vol. 38, PP. 677-685, 2011.
.11 Luo, R. K., “The Evaluation of Impact Damage in a Composite Plate with a Hole,” J. Comp. Sci. and Tech., Vol. 60, PP. 49–58, 2000.
.21 Her, S. C., Liang, Y. C., “The Finite Element Analysis of Composite Laminates and Shell Structures Subjected to Low Velocity Impact,” Compo. Struct., Vol. 66, PP. 277– 285, 2004.
.31 Naik, N. K., Sekher, Y. C. and Meduri, S., “Damage in Woven-Fabric Composites Subjected to Lowvelocity Impact,” Compo. Sci. and Tech., Vol. 60, PP. 731-744, 2000.
.41 Hashin, Z., “Failure Criteria for Unidirectional Fiber Composites,” J. Appl. Mech., Vol. 47, PP. 329–334, 1980.
.51 American Society for Testing and Materials. Standard Test Method for Measuring the Damage Resistance of a Fiber-Reinforced Polymer Matrix Composite to a Drop-Weight Impact Event. ASTM D. 7136, 2005.
.61 Tehrani Dehkordi, M., Nosraty, H., Shokrieh, M. M., Minak, G., and Ghelli, D., “Low Velocity Impact Properties of Intraply Hybrid Composites based on Basalt and Nylon Woven Fabrics,” Materials and Design, Vol. 31, PP. 3835–3844, 2010.

.73 ISI
.83 penalty
.93 frictionless
.04 quadrilaterals .14 uniform
.24 structured
.34 explicit
.44 linear
.1 Ivanov, I.V. “Method Development for Finite Element Impact Simulation of Composite Materials,” Ph.D. Thesis ,University of Cincinati, 2002.
.2 Lu ,H., Material and Manufacturing Processes, Wiley, New York, 1989
.3 Sierakowski, R. L., and Chaturvedi,S. k., Dynamic Loading and Characterization of Fiber-Reinforced Composites, Wiley-Interscience, New York, 1997
.4 Abrate, S., Impact on Composite Structure, Cambridge University Press, Cambridge, 1998.
.5 Meo, M, Antonucci, E, Duclaux, P., and Giordano, M., “Finite Element Simulation of Low Velocity Impact on Shape Memory Alloy Composite Plates,” J. Comp. Struct., Vol. 71, PP. 337–342, 2005.
.6 Johnson, A. F., and Holzapfel, M., “ Modeling Soft Body Impact on Composite Structures,” J. Comp. Struct., Vol. 61, PP. 103–113, 2003.
.7 Souza, F. V., Allen, D. H., and Kim, Y. R., “Multiscale Model for Predicting Damage Evolution in Composites due to Impact Loading,” J. Comp. Sci. and Tech., Vol. 68, PP. 2624-2634, 2008.


پاسخ دهید