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[