۶- ضربه در چندلایههای کامپوزیتی
۶-۱- مقدمه
هر سازهای در بازه عمر خود، چه در پروسه ساخت و چه در زمان سرویسدهی و تعمیرات، پدیده ضربه توسط یک جسم خارجی را تجربه میکند. بعنوان مثالی از ضربه حین سرویس میتوان به سنگریزهها و اجسام زائد و کوچکی که در زمان برخاستن و نشستن هواپیما از و بر باند پرواز با سرعت زیاد به سمت آن پرتاب میشود اشاره کرد. در هنگام ساخت و یا تعمیر و نگهداری نیز افتادن ابزارآلات روی سازه با سرعت پایین و جرم قابل توجه، میتواند بعنوان ضربه تلقی شود. سازههای چندلایه کامپوزیتی در مقابل آسیب ناشی از ضربه به مراتب از مشابه فلزی خود آسیبپذیرترند. در این سازهها ضربه میتواند سرمنشأ آسیبهای داخلی باشد که در بازرسی چشمی قابل تشخیص نیستند اما تحت بارگذاریهای بعدی رشد کرده و استحکام سازه را بشدت کاهش میدهند. لذاست که بررسی تاثیر ضربه و تعیین معیارهایی جهت طراحی سازه تحت ضربه موضوعیت مییابد]۱۵[.
۶-۲- انواع ضربه
یکی از معیارهای دسته بندی نیروهای وارده بر سازههای صنعتی و مکانیکی، سرعت اعمال و یا نرخ کرنش حاصل از اعمال آن نیروها به سازه مورد نظر است. چه اینکه مواد مختلف اعم از فلزات و پلیمرها و کامپوزیتها پاسخهای متفاوتی در قبال این طیف گستردهی بارگذاری با سرعتهای مختلف از خود نشان میدهند. هرچند که محققان متعدد، حدود بالایی و پایینی مختلفی را برای محدودههای تقسیمبندی انواع سرعت برخورد در نظرگرفتهاند اما این حدود برای کلاسههای مشابه، تقریبا از یک مرتبهاند. به عنوان مثال یکی از این دستهبندیها بدین ترتیب است که:
(( اینجا فقط تکه ای از متن درج شده است. برای خرید متن کامل فایل پایان نامه با فرمت ورد می توانید به سایت feko.ir مراجعه نمایید و کلمه کلیدی مورد نظرتان را جستجو نمایید. ))
: ضربه سرعت پائین[۱۲۴] که بعنوان مثالی از آن میتوان به افتادن ابزار روی سازه در کارگاه ساخت اشاره کرد.
: ضربه سرعت متوسط[۱۲۵] که برخورد قطعات زاید پرتابی ناشی از حرکت هواپیما روی باند فرودگاه نمونهای از آنست.
: ضربه بالستیک یا سرعت بالا[۱۲۶] ناشی از برخورد اجسام کموزنی همچون گلوله.
: ضربه با سرعت خیلی بالا[۱۲۷]
یا بهعنوان مثالی دیگر میتوان به این دستهبندی اشاره کرد ]۳[:
: ضربه سرعت پائین
: ضربه سرعت متوسط
: ضربه بالستیک یا سرعت بالا
: ضربه با سرعت خیلی بالا
دلیل این کلاسه بندی این است که به موازات افزایش مقدار سرعت اولیه، انرژی انتقال یافته بین گلوله و هدف، اتلاف انرژی و میزان و مکانیزم های توسعه و رشد تخریب بشدت متفاوت از یکدیگر اند]۴۵[.
وقتی پرتابه به هدف ضربه میزند، در جسم هدف توزیع سه بعدی تنش اتفاق میافتد و در لحظه تماس، امواج فشاری، برشی و سطحی از نقطه تماس نشأت می گیرند و شروع به رشد میکنند. برای ضربه سرعت پایین تخریب قابل توجهی در مراحل اولیه ضربه رخ نمی دهد اما برای ضربات با سرعت های بالاتر امواج فشاری بازتاب شده از سطح پشتی جسم هدف میتوانند با تولید تنش کششی موجب شکست در آن ناحیه شوند]۱۵[.
بررسی مساله ضربه و رشد و توسعه مکانیزم های متعدد شکست احتمالی ناشی از آن، مساله ای به غایت پیچیده است که پارامترهای مختلفی در آن نقش بازی می کنند. به عبارت دیگر پاسخ دینامیکی سازه به ضربه وارده متاثر از مولفه هایی همچون ویژگیهای مکانیکی ماتریس و فایبر، ضخامت کامپوزیت، سایز و شرایط مرزی پنل هدف، چگالی و ویژگیهای الاستیک و سرعت اولیه و شکل هندسی و زاویه برخورد پرتابه، نحوه چینش و لایه چینی، شرایط محیطی از لحاظ دما و رطوبت می باشد.
آزمایشات نشان داده که برای ضربه های سرعت پائین، انرژی جنبشی آستانه تخریب بشدت متاثر از ویژگیهای ماتریس است و مستقل از خصوصیات فایبر، لایه چینی و بافته بودن یا نبودن آنها میباشد (علت این امر، بالاتر بودن مدول فایبر نسبت به ماتریس است که در انرژی های پایین تر صلب تر از ماتریس رفتار میکنند)؛ اما برای ضربات با سرعت بالاتر، فایبر و ترتیب لایه چینی نیز اهمیت مییابد. لذاست که در انرژی های بالاتر با بهره گرفتن از فایبرهای با کرنش شکست بیشتر و تکنیک هایی همچون دوخت در جهت عمودی (در راستای ضخامت لایه چینی)، مقاومت کامپوزیتها را افزایش می دهند. البته دوختن نیز بدون عیب نیست و مثلا سوزنی که در جهت z به کار دوختن الیاف نگهدارنده عمودی مشغول است باعث تخریب الیاف قبلی میشود و یا اینکه فایبرهای صفحه ای بعلت رد شدن فایبر عمودی از موقعیت اولیه خود تغییر مکان می دهند و حجم هایی تماما حاوی رزین را بوجود میآورند که این امر خود به تمرکز تنش و کاهش مقاومت لامینیت می انجامد]۵۱[.
۶-۲-۱- ضربه سرعت پایین
اولین قدم در شناخت ماهیت مساله، استفاده از مدلهای ریاضی جهت پیشبینی نیروی وارده توسط پرتابه بر سازه در طول پروسه ضربه است. برای یافتن چگونگی تغییرات نیروی تماسی، این مدل بایستی حرکت سازه، حرکت پرتابه و تغییر فرم موضعی در محل برخورد را لحاظ کند. توصیف دقیق و جزئی آنچه در واقعیت در تماس بین پرتابه و سازه در طول ضربه رخ میدهد بسیار مشکل است و در آنالیز دینامیکی ضربه مدنظر قرار نمیگیرد. بجای آن، آنچه اهمیت مییابد قانون تماسی است که رابطه بین نیروی تماسی و میزان نفوذ را بازای حرکت پرتابه نسبت سازه هدف تعریف میکند. بخاطر نوع موادی که مورد استفادهاند، تاثیر نرخ کرنش بر قوانین تماس استاتیکی و دینامیکی قابل صرفنظر کردن است.
در بسیاری از مسائل ضربه با سرعت کم، مقداری تخریب در اطراف ناحیه ضربه حادث میشود اما بقدری نیست که بر پاسخ دینامیکی سازه تاثیر بگذارد. لذا آنالیز دینامیک ضربه سرعت پائین، درصدد مدلکردن تخریب و تاثیرات آن در طول پروسه ضربه نیست]۱۵[.
۶-۲-۲- ضربه سرعت بالا
همانگونه که پیشتر نیز گفتهشد در لحظه برخورد، امواج فشاری در ناحیه برخورد ایجاد شده و در جهت ضخامت و همچنین در جهت عرضی درون صفحهای منتشر میشوند. بدیهی است که چون بعد ضخامت نسبت به سایر ابعاد کمتر است، امواج این مسیر را سریعتر از مسیرهای دیگر میپیمایند و به انتهای ضخامت ورق میرسند. اما پس از رسیدن به انتها، در جهت عکس و بصورت امواج کششی منعکس شده و برمیگردند. اگر نسبت سرعت پرتابه به سرعت امواج فشاری که در طول ضخامت گسترش مییابند از کرنش شکست در آن جهت بزرگتر باشد، به آن ضربه، ضربه سرعت بالا اطلاق میشود]۱۵[.
ضربه بالستیک عموما در ضربه یک گلوله با جرم کم و سرعت بالا که توسط یک منبع به سمت سازه هدف شلیک یا پرتاب می شود موضوعیت مییابد. از آنجایی که این پدیده در سرعت بالا اتفاق میافتد میتوان انتظار داشت تاثیراتی که که بر روی جسم هدف میگذارد محدود به همان ناحیه تماس و ضربه باشد. ضربات سرعت بالا قدرت تخریبی زیادی دارند و لذا در مورد آنها، بررسی آسیبهای جدی وارد شده به سازه حساسیت فراوانی مییابد.
در طول پروسه ضربه بالستیک انتقال انرژی از گلوله به جسم هدف صورت می گیرد که بسته به جنس هدف و پارامترهای پرتابه، حالت های زیر محتمل است:
پرتابه جسم هدف را سوراخ کرده و با یک سرعت مشخص از آن خارج میشود[۱۲۸] که این امر بدین معناست که انرژی اولیه پرتابه بیشتر از انرژیای بوده که در طول پروسه ضربه به شکل های دیگر انتقال یافته است. در این حالت محاسبه سرعت باقیمانده خروجی، از آنجا که می تواند موجبات آسیب رسانی به سازهها یا انسانهای مجاور را فراهم کند، اهمیت مییابد.
پرتابه فقط تا قسمتی از ضخامت جسم هدف نفوذ کرده اما آن را بصورت کامل سوراخ نمیکند[۱۲۹] و این در حالتی اتفاق میافتد که انرژی اولیه آن کمتر از انرژی جذب شده در طول مسیر ضربه باشد. که البته بسته به ویژگیهای جسم هدف این گلوله میتواند در سازه بماند یا اینکه در خلاف مسیر ورودش، به خارج پرتاب شود.
و یا اینکه کل انرژی اولیه پرتابه در طول مسیر حرکت آن بعد از ضربه گرفته شده و پرتابه با سرعت صفر، کامپوزیت را ترک میکند که در این حالت آن سرعت اولیهای را که به سرعت صفر خروجی منتج شده، سرعت حد بالستیک مینامند.
برای درک بهتر پدیده ضربه بالستیک بر روی کامپوزیتها مکانیزمهای جذب انرژی و تخریب متعددی بایستی به درستی فهمیده و مورد بررسی قرار گیرند. مکانیزمهای محتمل جذب انرژی عبارتند از: تغییر فرم الیاف، شکست الیاف، لایه لایه شدن، شکست ماتریس و اصطکاک مابین پرتابه و جسم هدف. حال بسته به مواد مختلف مثل کربن، گلاس یا کولار یک یا چندتا از این مکانیزمها میتوانند حاضر و غالب باشند]۵۳[.
در این میان، لایه لایه شدن که جدایش لایه های مجاور یکدیگر است بخاطر اثر کاهشی که بر استحکام کامپوزیت دارد، بسیار مورد توجه میباشد. مطالعات تجربی نشان داده که این پدیده در سطوح داخلی چندلایه ها و بین لایه های مجاور باهم که جهتگیری مختلفی از لحاظ زاویه فایبرهایشان دارند رخ میدهد. تعیین میزان انرژی جنبشی آستانه تخریب و لایه لایه شدن بسیار مشکل است و بجای آن گاهی نیروی تماسی بحرانی آستانه تخریب در نظر گرفته میشود.
اما بعد از وقوع ضربه، شکست ماتریس در الگوهای بسیار نامنظم رخ میدهد که مقدمهای بر لایه لایه شدن و نهایتا تخریب است. در بررسی ها دوگونه شکست ماتریس مشاهده شده که در صفحات نازک، ترک عمودی ناشی از رسیدن تنش نرمال صفحهای به مقدار ماکزیمم و در صفحات ضخیم، ترک برشی بخاطر رسیدن تنش برشی عرضی به ماکزیمم میزان خود اتفاق میافتند.
در کامپوزیت های ضخیم تر، شکست ماتریس از نزدیکترین لایه تحت ضربه شروع میشود چون در آنجا تنش تماسی بسیار بالا و موضعی وجود دارد و توسعه تخریب بصورت درختی از لایههای اول به سمت لایه های پایین تر میرود. اما در کامپوزیتهای نازکتر تنش خمشی در لایه پشتی باعث شکست ماتریس در آن ناحیه میشود و رشد درختی بصورت عکس حالت قبل اتفاق میافتد. وقتی این ماتریس ترک خورده به سطح بین لایههای مجاور که دارای جهات مختلف فایبری هستند میرسد لایه لایه شدن شروع میشود.
در یک لامینای تک جهته، چون فایبرها همه در یک جهت واقع اند هیچگونه لایه لایه شدنی رخ نمیدهد اما برای دو لامینیت با ضخامت یکسان اما با ترتیب لایه چینی متفاوت، آنکه دارای لایه های مجاور با تفاوت زاویه ای بیشتری است مساحت جدایش بیشتری را نیز تجربه می کند. ضمن اینکه این مساحت با ضخامت چندلایه رابطه مستقیمی دارد]۱۵[.
۶-۳- نرخ کرنش
بدیهی است که متناسب با افزایش سرعت اعمال بار، نرخ کرنش ایجاد شده در سازه تحت بار نیز افزایش مییابد. که همین امر نیز موجب شده تا گاهی از میزان نرخ کرنش جهت تعیین نوع بارگذاری استفاده شود. مثلا یکی از تعاریف موجود برای نرخ کرنش بدینگونه است:
: خزش
: نرخ کرنش پائین یا شبه استاتیکی[۱۳۰]
: نرخ کرنش متوسط[۱۳۱]
: نرخ کرنش بالا[۱۳۲]
: نرخ کرنش خیلی بالا[۱۳۳]
سازههای کامپوزیتی در کاربردهای هوافضایی به کرات تحت بحت بارگذاریهای با نرخ کرنش بالا قرار میگیرند. بدین منظور شناخت ویژگیهای آنها در این شرایط ضروری مینماید. آزمایشات تجربی مختلفی جهت تعیین رفتار کامپوزیتها تحت نرخ کرنش بالا و بارگذاریهای مختلف انجام شدهاست. هر روش تست قابل اعمال به محدوده مشخصی از نرخ کرنشهایی است که در بالا به آن اشاره شد. غالب ماشینهای تست معمولی برای تست نرخ کرنشهایی کمتر از بکار میروند؛ برای نرخ کرنشهای متوسط مابین ماشینهای سرووهیدرولیک و برای نرخ کرنشهای بالا در محدوده از میله فشاری هاپکینسون[۱۳۴] و همچنین برای نرخهای بالاتر از دستگاه تفنگ گازی[۱۳۵] استفاده میشود. هر کدام از این روشهای تست، محسنات و محدودیتهای خاص خودش را دارد که پژوهشگران را به تلاش جهت بهینه سازی این روشها ترغیب کردهاست]۵۵[.
لذا با گسترش کاربرد کامپوزیت های ماتریس پلیمری تقویت شده با فایبر در صنایع هوا-فضایی و امکان و احتمال بالقوهای که در مواجهه با ضربات دارای نرخ کرنش بالا برای آنها وجود دارد، تلاش برای دستیابی به یک مدل کامپوزیتی مناسب که قابلیت لحاظ کردن تغییر فرم های غیر خطی و وابسته به نرخ کرنش را داشته باشد جهت تحلیل اجزاء محدود ضروری می نماید.
اما از سویی دیگر و در مقایسه با فلزات که مطالعات و بررسی های متعددی روی خصوصیات مکانیکی آنها صورت گرفتهاست، اطلاعات به مراتب کمتری از جزئیات رفتار و ویژگیهای دینامیکی فایبرکامپوزیتها در دست است. انجام آزمایشات روی کامپوزیتها نیز بخاطر پیچیدگیهای ناشی از صورت بندیهایشان و همچنین اثرات متقابل بین فایبر و ماتریس بسیار هزینه بر و مشکل می نماید. لذاست که تا حد امکان سعی میشود از مدلسازی اجزاء محدود بعنوان راهی جایگزین و موثر در طراحی سازههای کامپوزیتی استفاده شود.
تغییر فرم کامپوزیتهای پلیمری تحت ضربه بعضا بصورت الاستیک خطی و مستقل از نرخ کرنش در کدهای اجزاء محدود و بصورت مسائل گذرای دینامیک تحلیل میشود. اما بررسیهای محققان نشان دادهاست که مقادیر الاستیک، معادله مشخصه، روال زوال و چگونگی کاهش مقادیر الاستیک آنها متاثر از نرخ کرنش است و بعنوان مثال مدول الاستیسیته و مقاومت برخی کامپوزیتها با افزایش نرخ کرنش افزایش مییابد.
پارامترهای متعددی در وابستگی نرخ کرنشی کامپوزیتها موثراند که مهمترین آنها وابستگی و حساسیت مجزای هرکدام از مواد تشکیل دهنده به نرخ کرنش است. مثلا اگر بخواهیم فقط فایبرها را مدنظر قرار دهیم بسته به اینکه جنس فایبر چه باشد، وضعیت متفاوت است. بطوریکه فایبرهای شیشه به نرخ کرنش وابستهاند و فایبرهای کربنی نیستند. ماتریسهای پلیمری نیز دارای تغییر فرمهایی وابسته به نرخ کرنش اند که در کرنشهای بالاتر از یک الی دو درصد، این تغییرات غیرخطی نیز میشود. در گذشته مدلهای ویسکوالاستیک برای توصیف رفتار پلیمرها استفاده میشد که استفاده روبهگسترش کامپوزیتهای پایه پلیمری در صنعت روابط دقیقتری در مدلسازی خصوصیات رفتاری این مواد را ضروری مینماید]۲۷[.
۶-۳-۱- تاثیر نرخ کرنش بر سختی و استحکام کامپوزیتها
آزمایشات نشان میدهد که برای قطعات کامپوزیتی کربن- اپوکسی تکجهته که در راستای فایبرهای خود تحت تنش کششی قرار گرفتهاند، تغییر سرعت بارگذاری که به تغییر نرخ کرنش در محدودهی میانجامد، اثر قابل توجهی بر مدول کششی، استحکام کششی یا کرنش شکست آنها ندارد.
شکل ۶-۲: تاثیرات نرخ کرنش بر نمودار تنش-کرنش قطعات کربن- اپوکسی تکجهته در سه نرخ کرنش مختلف ]۲۷[
اما تستهای مشابه که در همان محدوده نرخ کرنش بر روی قطعات کربن- اپوکسی بافته شده انجام شده، حاکی از افزایش اندکی در مدول و استحکام کششی و کاهش کمی در کرنش شکست آنها میباشد. حال اگر در قطعات بافته شده بجای کربن از الیاف شیشه به همراه اپوکسی استفاده شود، افزایش مدول و استحکام کششی بیشتر نیز خواهد شد؛ البته کرنش شکست نیز با افزایش نرخ کرنش افزایش مییابد.
شکل ۶-۳: تاثیرات نرخ کرنش بر نمودار تنش-کرنش قطعات کربن- اپوکسی بافته شده (سمت راست)، شیشه- اپوکسی بافته شده (سمت چپ) ]۲۷[
لذا با همه این اوصاف میتوان چنین نتیجه گرفت که استحکام مکانیکی فایبر کربن مستقل از نرخ کرنش حاصل از بار وارده به آن است و آن تغییراتی هم که در مورد قطعات بافته شده رخ داده ناشی از مقاومت ماتریس پلیمری در برابر کشآمدن تحت بارگذاری کششی بودهاست. اما از سویی دیگر بنظر میرسد که استحکام الیاف شیشه با افزایش نرخ کرنش، افزایش مییابد.
در نمودار زیر نیز تابعیت مدول کششی به نرخ کرنش برای سه قطعه بافته شده از کربن، کولار و الیاف شیشه، با ماتریس پلیمری مشابه، تحت بارگذاری کششی و در محدودهی نرخ کرنش بصورت مقایسهای بین جنس مختلف فایبرها بررسی شدهاست.
شکل ۶-۴: تاثیرات نرخ کرنش بر مدول کششی قطعات کامپوزیتی بافته شده از جنس الیاف کربن، کولار و شیشه با ماتریس پلیمری مشابه ]۲۷[
[دوشنبه 1400-09-29] [ 01:45:00 ق.ظ ]
|