بررسی میکرومکانیکی توزیع تنش در مواد مرکب تک جهته با رزین پلیمری تحت تاثیر ترک

تاریخچه استفاده از کامپوزیت‎های تقویت شده الیافی به جهار دهه اخیر باز می‎گردد، استفاده از این مواد در صنایع مختلف مانند هوا و فضا، خودرو، ساختمان و ... از رشد چشمگیری برخوردار بوده است.

تحقیقات بسیاری در زمینه رفتار مواد مرکب در مقیاس میکرو انجام گرفته است. یکی از کاملترین بررسی ها و جمع آوری اطلاعات توسط جونز[1] انجام گرفته است. میکرو مکانیک و ماکرو مکانیک یک تقسیم بندی مناسب جهت بررسی رفتار مواد مرکب می باشد

. به عبارتدیگر میکرومکانیک، تحلیل رفتار ماده مرکب در تعامل با مواد سازنده بوده، در حالیکه ماکرومکانیک، تحلیل رفتار ماده مرکب در مقیاس سازه بکار گرفته شده می باشد. خواص یک لایه می تواند با استفاده از نتایج تست در حالت ساخته شده تعیین و یا به صورت ریاضی بر پایه خواص مواد سازنده تخمین زده شود. به عبارت دیگر می توان خواص لایه را از طریق روش های میکرومکانیکی پیشگویی کرد و یا خواص لایه را از طریق وسایل فیزیکی و در مقیاس ماکرو مکانیکی اندازه گیری نمود. علم میکرومکانیک وقتی به علم ماکرومکانیک ترجیح داده می شود که خصوصیات موادی به خصوصیات سازه ای در آنالیز ترجیح داده شود. در صورت طراحی دقیق و کامل می توان نشان داد که پیشگویی های میکرومکانیکی از خواص یک لایه مبتنی بر خصوصیات اجزای تشکیل دهنده، با خواص اندازه گیری شده مطابقت دارند. تحلیل میکرومکانیکی، دارای محدودیت های می باشد که لازم است فرضیه های میکرومکانیکی با ازمایش دقیق مورد تایید قرار گیرند.

باند[2] و همکارانش تست‎هایی بر روی الیاف‎هایی با مقاطع مستطیلی و دایره‎ای انجام دادند و نتایج نشان نشان دادند که کامپوزیت‎های متشکل از الیاف با سطح مقطع دایره‎ای دارای استحکام کششی 20 درصدی بیشتر نسبت به کامپوزیت‎ها با الیاف دایره ای شکل هستند. با استفاده از تست های میکرومکانیکی انجام شده نیز مشاهده شده است که کامپوزیت‎های متشکل از مقاطع مستطیل شکل در حال فشار دارای استحکام 60 درصد بیشتری نیز می باشند. همچنین تست‎های مکانیکی کششی و فشاری بر روی مواد پلاستیکی  تقویت شده با الیاف شیشه انجام شده است که این الیاف نیز دارای سطح مقطع های مستطیلی و دایره ای می‏باشند. نتایح نشان داده شده است که در حالت کشش و فشار الیاف‎های مستطیلی به ترتیب دارای 20 و 40 درصد استحکام بیشتری می‏باشند. با توجه به تست‎های برشی صورت گرفته نشان داده شده است که مقطع مستطیلی دارای 5 درصد استحکام بیشتری می‏باشد.

عطار و رباطی مقادیر تمرکز تنش در نزدیکی حفره‎های ناشی از پین‏ها در کامپوزیت‎های چندلایه ساخته شده از الیاف های ششیه با سطح مقطع‎های مستطیلی و دایره ای و شش ضلعی را بررسی نمودند. در این مقالات اثر پارامترهای هندسی از قبیل نسبت فاصله شکاف از لبه به قطر شکاف، نسبت عرض ورق به قطر شکاف و نسبت فاصله بین 2 حفره به قطر شکاف بر روی توزیع تنش در یک ورق کامپوزیتی تک جهته با دو شکاف ناشی از پین، به صورت تحلیلی و عددی بررسی شده است. در این بررسی‎ها فرض شده است تمامی الیاف‎ها در یک جهت قرار گرفته‎اند در حالیکه بارگذاری به صورت یک بار P در بینهایت تعریف شده است. معادلات دیفرانسیل بر اساس مدل لنگی برشی، برای یک مدل با هندسه‎های مختلف تعریف شده است. همچنین نتایج روش‏های تحلیلی با روش اجزا محدود سه بعدی مقایسه شده است و پاسخ‎های بسیار نزدیکی مشاهده شده است. در انتها اثر قطرهای مختلف پین بر روی توزیع تنش برشی در کامپوزیت‎های لایه‎ای بررسی شده است.

جوشی[3] و همکاران با روش المان محدود اثرات جهت نانیوپ کربنی را بر خواص الاستیک نانوکامپوزیت بدون در نظر گرفتن اثرات فاز میانی بررسی کردند. در این مظالعه میکرومکانیکی توزیع نانوتیوب کربنی در زمینه به صورت منظم مدل‎سازی شد. باکسچر[4] و رابینسون[5] با مدل‏سازی میکرومکانیکی بر پایه روش سلولی اثرات مدول یانگ فاز میانی را بر خواص الاستیک نانوکامپوزیت با توزیع منظم نانوذرات مورد بررسی قرار دادند. جوشی و یوپادیای[6] اثرات فاز میانی را بر خواص الاستیک نانوکامپوزیت متشکل از نانوتیوب چندجداره با توزیع منظم به روش میکرومکانیکی المان محدود مورد مطالعه قرار دادند. یاس و هشمتی با استفاده از مدل میکرومکانیکی موری-تاناکا خواص الاستیک پلیمر تقویت شده با نانوتیوب کربنی را جهت تحلیل رفتار دینامیکی نانوکامپوزیت بدست آورند.

[1] Jones

[2] Bond

[3] Joshi

[4] Baxter

[5] Robinson

[6] Upadhyay

در مدل های میکرومکانیکی به دلیل پیچیدگی های مدلسازی، به طور کلی بعضی از فرضیات رایج می‎باشند، که فرضیات استفاده شده در این پژوهش عیارتند از :

1- فایبر و ماتریس بصورت جداگانه ایزوتروپیک در نظر گرفته می شود

2- در نظر گرفتن اتصال کامل بین الیاف و ریزین

3- رفتار سخت شوندگی به صورت سینماتیک در نظر گرفته شده است.

8 . اهداف تحقيق ( شامل اهداف علمي, كاربردي و ضرورت‌هاي خاص انجام تحقيق

هدف ذاتی بررسی‌های میکرومکانیکی، طراحی‎ بهینه و تقویت خواص مواد مرکب می‏باشد، که این هدف نیازمند فهم کامل رفتار تغییر شکل و شکست مواد مرکب می‎باشد. همچنین می‎بایست هندسه‎های مختلفی از سطح الیاف‎هابررسی شود تا تاثیر هر هندسه بر روی خواص مکانیکی ماده مرکب بررسی شود. در نهایت با معرفی خواص مکانیکی برای هر یک از هندسه‎ها بتوان با توجه به شرایط کاری و خواص مکانیکی مورد نیاز، الیاف ایده‎آل را انتخاب نمود.