فهرست مطالب

علوم و فناوری کامپوزیت - سال دوم شماره 2 (پیاپی 4، تابستان 1394)

نشریه علوم و فناوری کامپوزیت
سال دوم شماره 2 (پیاپی 4، تابستان 1394)

  • تاریخ انتشار: 1394/06/29
  • تعداد عناوین: 8
|
  • محمود مهرداد شکریه، محسن قاجار، مظاهر سلامت طلب، رضا معدولیت صفحات 1-8
    در این تحقیق، شروع و پیش روی آسیب در چندلایه های کامپوزیتی AS4/PEEK با سوراخ مرکزی تحت بار کششی درون صفحه ای با استفاده از تحلیل اجزا محدود بررسی شده است. به منظور بررسی شروع آسیب در لایه های کامپوزیتی از معیارهای هشین استفاده شده است. همچنین به منظور تعیین مکانیزم های گوناگون تخریب درون صفحه ای مدل آسیب پیش رونده هشین در چندلایه های کامپوزیتی مذکور استفاده شده است. مدل سازی شروع و رشد تورق در بین لایه های کامپوزیت با استفاده از مدل ناحیه چسبناک صورت گرفته است. در این تحلیل، شبیه سازی ها با به کارگیری نرم افزار آباکوس انجام شده که تمامی مدل های تخریب استفاده شده نیز در آن موجود است. نکته قابل توجه در این روش این است که با استفاده از معیارهای تخریب به طور هم زمان تمام مکانیزم های تخریب درون صفحه ای و همچنین تورق مدل شده اند. مقایسه نتایج عددی مدل اجزاء محدود حاضر، با نتایج آزمایشگاهی محققین دیگر نشان می دهد که با به کارگیری مدل ناحیه چسبناک به منظور شبیه سازی تورق، می توان منحنی بار-جابه جایی استخراج شده در آزمایش مذکور را با دقت بیشتری پیش بینی نمود. همچنین الگوهای آسیب درون لایه ای و بین لایه ای بین لایه ها، به دست آمده از مدل حاضر، در حین بارگذاری ارایه شده است.
    کلیدواژگان: مدل سازی آسیب پیش رونده، مدل ناحیه چسبناک، تورق، معیارهای هشین
  • محمدرضا محمدعلیها، عاطفه موسوی، نبی مهری خوانساری، مجید صفرآبادی صفحات 9-16
    استفاده از کامپوزیت های دندانی و استخوانی پایه پلیمری از جنس پلی متیل متا اکریلات به سبب سازگاری مناسب بیولوژیکی با بدن و استحکام نسبتا خوب، وزن کم و قیمت پایین در کاربردهای بیومکانیکی و پزشکی به عنوان پروتز و یا برای جایگزینی و ترمیم استخوان ها و دندان های آسیب دیده کاربرد فراوانی یافته است. یکی از نقاط ضعف این مواد، چقرمگی شکست نسبتا کم و مقاومت پایین در برابر رشد ترک در مقایسه با ماده دندانی و استخوانی می باشد که این امر می تواند نهایتا منجر به بروز و رشد ترک از محل فصل مشترک کامپوزیت – دندان و یا از داخل ماده کامپوزیت دندانی و پروتزهای جایگزین یا ترمیمی دندانی - استخوانی شود. استفاده از نانو موادی نظیر هیدروکسی آپاتیت و آلومینا برای مقاوم سازی این کامپوزیت های دندانی– استخوانی گزینه مناسبی می باشد. در این پژوهش، اثر افزودن درصدهای مختلفی از نانو ذرات هیدرواکسی آپاتیت و آلومینا بر مقدار چقرمگی شکست (مود I) ماده کامپوزیت پروتز دندانی پایه پلیمری پلی متیل متا اکریلات (PMMA) با انجام آزمایش های شکست مورد بررسی قرار می گیرد. نشان داده می شود که چقرمگی شکست ماده PMMA، با افزودن نانوذرات فوق تا حدودی باعث بهبود مقاومت در برابر رشد ترک می شود. البته اثر نانو ذرات آلومینا در افزایش چقرمگی شکستPMMA از هیدروکسی آپاتیت بیشتر می باشد. بیشترین افزایش چقرمگی شکست مربوط به ماده کامپوزیت دندانی حاوی 10 درصد هیدروکسی آپاتیت و 6 درصد آلومینا است.
    کلیدواژگان: کامپوزیت دندانی، هیدروکسی آپاتیت، آلومینا، چقرمگی شکست، مطالعه آزمایشگاهی
  • بهروز رحمانی، محمدرضا نغمه سنج صفحات 17-30
    در این مقاله، کنترل مقاوم ارتعاشات عرضی تیر یک سرگیر دار ساخته شده از مواد مدرج تابعی دارای سطح مقطع متغیر مورد بررسی قرار گرفته است. برای رسیدن به این هدف، از صفحات پیزوالکتریک به منظور اندازه گیری میزان ارتعاشات عرضی تیر و هم چنین اعمال نیروهای کنترلی بهره برده شده است. در این راستا، با به کار بردن روش تجزیه ی متعامد مناسب، حداقل مدهای بهینه ی ارتعاشی سیستم برگزیده و سپس از روش تصویرسازی گالرکین برای استخراج حداقل معادله های دیفرانسیل معمولی زمانی تشریح کننده ی رفتار دقیق آن استفاده شده است. از آنجا که در پیاده سازی واقعی یا شبیه سازی عددی، تنها در بازه های زمانی مشخصی ورودی کنترلی ولتاژ محرک پیزوالکتریک را می توان تغییر داد، و همچنین کنترل کننده سیستم تحت کنترل را تنها در زمان های نمونه برداری می بیند، بنابراین سیستم حلقه بسته را می توان معادل با یک سیستم زمان گسسته دانست. برای حل مشکلات ناشی از تناوب های نمونه برداری و همچنین عدم قطعیت های مربوط به مدل سازی، روش بازخورد خروجی مبتنی بر رویت گر حالت گسستهمی مقاوم برای کنترل این سیستم پیشنهاد می شود. به این منظور، طراحی بهره های کنترل کننده و رویت گر حالت به کمک قضیه ی مستقیم لیاپانوف که منجر به حل مجموعه ای از نامعادلات ماتریسی خطی می شود، انجام می شود. در پایان با انجام چند شبیه سازی، کارایی روش پیشنهادی نشان داده شده است
    کلیدواژگان: کنترل ارتعاشات عرضی، تیر یک سرگیردار مدرج تابعی با سطح مقطع متغیر، تجزیه متعامد بهینه، کنترل دیجیتال مقاوم
  • مجتبی حیدری، داود سلیمی مجد، بیژن محمدی صفحات 31-40
    مواد کامپوزیتی چندلایه با توجه به استحکام و سفتی بالا نسبت به وزن، کاربرد بسیار وسیعی در صنایع مختلف از جمله هوافضا دارند. لذا تشخیص مکانیزم های خرابی این مواد اهمیت بسیار زیادی در پیش بینی رفتار مکانیکی آن ها دارد. یکی از اصلی ترین مود های خرابی اصلی این مواد، جدایی بین لایه ای است که در بین لایه های کامپوزیتی و در نقاط اتصال قطعات مختلف به یکدیگر مشاهده می شود. در این پژوهش به منظور پیش بینی رشد آسیب در اتصالات چسبی بال کامپوزیتی، مدل ناحیه چسبنده به کار گرفته می شود. مزیت این روش، امکان مدل سازی رشد جدایی بین لایه ای بدون نیاز به وجود ترک اولیه و المان بندی مجدد می باشد. به علاوه به منظور پیش بینی آسیب احتمالی در لایه های کامپوزیتی، مدل آسیب پیش رونده لادوز در نرم افزار آباکوس با استفاده از کد نوشته شده توسط کاربر (Umat) پیاده سازی شده و میزان اهمیت در نظر گرفتن تخریب درون لایه ای در لایه های کامپوزیتی بر تسریع شروع تخریب و رشد آن در اتصال چسبی مورد ارزیابی قرار گرفته است. نتایج حاصل از اعتبارسنجی نشان از دقت مناسب روش به کار گرفته شده، دارد. به علاوه نتایج تحلیل نشان داد، استفاده از المان های سه بعدی به مراتب دقت بهتری در تشخیص شروع تخریب و رشد آن نسبت به مدل های دوبعدی دارد. در ادامه اثرات مشخصات اتصال چسبی مثل ضخامت و کیفیت اتصال در استحکام سازه بال مورد بررسی قرار گرفته است.
    کلیدواژگان: مدل ناحیه چسبنده، مکانیک محیط پیوسته، تئوری خرابی لادووز، پوسته، تقویت کننده
  • علیرضا ترابی، شهاب امینی نژاد صفحات 41-54
    در پژوهش حاضر، ابتدا تعداد 48 آزمایش شکست روی نمونه های آزمایشگاهی دیسک برزیلی دارای شیار مرکزی V شکل با سوراخ انتهایی از جنس پلیمر شبه ترد پلی متیل متاکریلات زیر بارگذاری ترکیبی کشش- برش و برای نسبت های ترکیب مختلف از کشش و برش انجام و بار شکست و زاویه شروع شکست از مرز شیارهای V شکل با سوراخ انتهایی به صورت تجربی اندازه گیری شد. سپس، دو معیار شکست ترد بر مبنای مفاهیم تخریب حداکثر تنش محیطی (MTS) و تنش متوسط (MS) به منظور پیش بینی بار شکست و زوایای شروع شکست نمونه های پلیمری توسعه یافته و نتایج آن ها در قالب نمودارهای شکست و زاویه شروع شکست ارائه شد. مقایسه نتایج تئوری با نتایج تجربی نشان داد که هر دو معیار با دقت بالایی قادر به پیش بینی چقرمگی شکست و زوایای شروع شکست در نمونه های پلیمری، به ازای ترکیب های مختلف کشش و برش بوده و نتایج هر دو معیار، تقریبا منطبق بر یکدیگر است.
    کلیدواژگان: شیار V شکل با سوراخ انتهایی، بار شکست، زاویه شروع شکست، معیار MTS، معیار MS
  • مرتضی طیبی، حسن شریفی، حمید غیور صفحات 55-62
    اگرچه در حال حاضر کامپوزیت Al/SiC موضوع تحقیق های زیادی است اما توجه کمتری به خواص فیزیکی و به ویژه پایداری ابعادی آن شده است. به همین دلیل سعی بر آن شده است که در این پژوهش به بررسی خواص حرارتی-فیزیکی این کامپوزیت ها و مدل های ارائه شده برای این خواص پرداخته شود. به این منظور ابتدا آلیاژ Al/4%Cu به روش آلیاژسازی مکانیکی تولید شد و سپس کامپوزیت آلومینیوم با درصدهای مختلف کاربید سیلیسیم (با اندازه ذرات متفاوت) به روش متالورژی پودر ساخته شد. با انجام آزمون حرارتی بر روی کامپوزیت های Al-4%Cu/SiC مشخص شد که با افزایش کسر حجمی ذرات SiC تا 25 درصد، ضریب انبساط حرارتی کامپوزیت به صورت خطی کاهش یافته است که این امر حاکی از حضور ذرات سرامیکی با ضریب انبساط حرارتی بسیار کم در کامپوزیت است و همچنین نتایج بیانگر این بوده است که با افزایش دما تا 500 درجه سانتی گراد ضریب انبساط حرارتی تا 6/20 برای کامپوزیت دارای 15 درصد ذرات تقویت کننده افزایش یافته ولی این افزایش خطی نبوده است. آزمون های حرارتی به منظور بررسی تاثیر اندازه ذرات تقویت کننده بر ضریب انبساط حرارتی کامپوزیت Al-4%Cu/SiC انجام گرفت. با توجه به آزمایش ها مشخص شد که اندازه ذرات تقویت کننده تاثیر محسوسی بر ضریب انبساط حرارتی کامپوزیت ندارد ولی به میزان % 8/0 سبب کرنش حرارتی کامپوزیت می شود.
    کلیدواژگان: انبساط حرارتی، سیکل های حرارتی، مدل ترموالاستیک، کامپوزیت های زمینه آلومینوم
  • جعفر عبادی رجلی، مجید مختاری صفحات 63-70
    اتصالات به علت حساسیت بیشتر در برابر انتقال بار، تمرکز تنش و ناهمگونی طرفین اتصال (جنس، هندسه و شرایط مرزی)، یکی از مهم ترین اجزا در سازه های کامپوزیتی هستند. تحلیل عددی تمامی اتصالاتی که در یک سازه ی بزرگ وجود دارد کار زمان بر و پر هزینه ای است. استفاده از معیارهای مناسب برای یافتن بحرانی ترین اتصال مکانیکی در مدل سازی دقیق اتصالات سازه های بزرگ، از اهمیت بالایی برخوردار است. در این مقاله به بررسی و مقایسه سه مدل المان محدود مختلف برای تحلیل تخریب پیش رونده در اتصالات تک لبه ی تحت بار کششی در نرم افزار المان محدود آباکوس 6.11.1 پرداخته شد و مقادیر سفتی (شیب قسمت خطی منحنی بار-جابه جایی)، استحکام (بیشینه نیرو)، منحنی های بار-جابه جایی در مدل های مختلف با مقادیر تجربی مقایسه شد. همچنین زمان محاسباتی مدل های مختلف با هم مقایسه شد. پس از بررسی نتایج به دست آمده از این تحقیق مشاهده شد که مدل آجری-پوسته ای(اصلاح شده) سفتی و استحکام را به خوبی پیش بینی می کند. همچنین مدل تیر-پوسته سفتی را نسبتا خوب و استحکام را کمتر از واقعیت برآورد می کند. بنابراین پیشنهاد شد که اتصالات یک سازه ی بزرگ، با استفاده از مدل تیر-پوسته مدل سازی شود و پس از تحلیل،اتصالاتی که دچار خرابی شدند با مدل آجری-پوسته ای اصلاح شده جایگزین گردند و سازه دوباره تحلیل شود.
    کلیدواژگان: اتصالات مکانیکی، سازه های بزرگ، تخریب پیش رونده، هزینه محاسباتی، روش المان محدود
  • هادی خرمی شاد، سجاد نصیری صفحات 71-78
    در این تحقیق، عوامل تاثیرگذار بر استحکام اتصال ترکیبی چسبی-پرچی مورد بررسی قرار گرفت. برای این منظور ابتدا مدل اجزای محدود با استفاده از نتایج آزمایشگاهی اعتبار سنجی شد، سپس عوامل تاثیرگذار هندسی و مادی با استفاده از تحلیل های اجزای محدود صریح با قابلیت مدل سازی آسیب در پرچ ها و لایه چسب به صورت پیش رونده بررسی شد. نتایج نشان دادند، در یک اتصال ترکیبی بهترین حالت برای ایجاد سوراخ به منظور قرار دادن پرچ، حالتی است که کمترین کاهش استحکام را در اتصال چسبی ایجاد نماید یا به عبارت دیگر سوراخ ها از لبه های اتصال فاصله بیشتری داشته باشند که این بر خلاف اتصال پرچی تنها می باشد که نزدیک تر بودن پرچ ها به لبه های اتصال موجب افزایش استحکام می شود. به طور کلی افزودن پرچ به یک اتصال چسبی به منظور ایجاد اتصال ترکیبی، می تواند تحت شرایط مختلف باعث افزایش یا کاهش استحکام اتصال شود که در این تحقیق مورد بررسی قرار گرفته است. این مطلب باید مورد توجه طراحان قرار گیرد. قابل ذکر است اگر استحکام لایه چسب در مقایسه با پرچ ها پایین تر باشد پرچ ها بهتر است در نزدیکی لبه های اتصال قرار گیرند.
    کلیدواژگان: اتصال چسبی، اتصال پرچی، اتصال ترکیبی چسبی، پرچی، استحکام، مدل ناحیه چسبناک
|
  • Mahmood Mehrdad Shokrieh, Mohsen Ghajar, Mazaher Salamattalab, Reza Madoliat Pages 1-8
    In this study، initiation and evolution of damages in AS4/PEEK laminated composites with center open hole under in-plane loading are investigated using finite element analysis. Hashin failure criteria are used to obtain the damage initiation of composite laminates. In addition، in order to capture the various in-plane failure mechanisms in this laminate، Hashin progressive damage model، which is an energy based model، is used. As delamination is one of the most critical damage mechanisms in composite materials، initiation and propagation of delamination in the mentioned laminate are modeled utilizing cohesive zone model. In order to simulate progressive damages of laminated composites، Abaqus software is used and all applied damage models are available in this commercial software. It is worth to note that، in the proposed model، interlaminar and intralaminar damages are considered simultaneously. Comparison of the present numerical results and experimental ones shows that by using the cohesive zone model to simulate the delamination، experimental load-displacement curve can be predicted more accurately. Also different in-ply damages and delamination patterns that obtained by the proposed model are presented to clarify different damage mechanisms in composite materials..
    Keywords: Progressive damage modeling, Cohesive zone model, Delamination, Hashin criteria
  • Mohammad Reza Aliha, Atefeh Mousavi, Nabi Mehri Khansari, Majid Safarabadi Pages 9-16
    Polymethylmethacrylate (PMMA) based dental and bone composites are used frequently in biomedical applications as implants، bone cements، restorative materials and etc. This is mainly because of some characteristics of PMMA such as biocompatibility، good mechanical properties and its low cost. However، in comparison with bone and dentin، PMMA based dentures or implants have lesser fracture toughness (i. e. smaller crack growth resistance) which makes them very susceptible to brittle and sudden failures. The use of nano additive materials like hydroxyapatite and alumina as filler particles may probably increase the crack growth resistance of such composites. Hence in this research the effects of adding different weight percentages of these two nano particles are examined on mode I fracture toughness of PMMA based denture composites. The experimental fracture toughness results demonstrated that the fracture resistances of manufactured nano-composites are increased in general relative to neat PMMA. The influence of alumina was more pronounced than the use of hydroxyapatite particle. The highest increase in fracture toughness was observed for composite containing 10% hydroxyapatite and 6% alumina.
    Keywords: Dental composite, Hydroxyapatite, Alumina, Fracture toughness, Experimental study
  • Behroz Rahmani, Mohamma Reza Naghmehsanj Pages 17-30
    In this paper، robust vibration control of a thin functionally graded beam with a variable cross-section has been investigated. For this purpose، piezoelectric patches are used as sensors to measure the displacement of the beam and as actuators to apply control forces. In this way، firstly، Euler-Bernoulli theory is used to derive the governing dynamical partial differential equation، through the Hamilton’s principle. Approximate solution of these equations is achieved using finite difference method، and the proper orthogonal decomposition is then used to obtain vibration mode shapes. After that، time-dependent ordinary differential equations are attained using Galerkin projection scheme and then represented in the state-space form. Since the data measurement is done in sampling intervals، the system is considered as sampled-data. In this way، direct digital control design methodology is used. For this purpose، based on its zero-order hold equivalent model، a robust discrete-time، observer-based، output feedback controller is designed. In this regard، controller and observer gains are designed by a Lyapunov-based method. This procedure is done by solving a set of linear matrix inequalities. Simulation studies show the effectiveness of the proposed method.
    Keywords: Vibration control, Functionally graded clamped beam, Proper orthogonal decomposition, Optimal digital control
  • Mojtaba Heidari, Davood Salimi-Majd, Bijan Mohammadi Pages 31-40
    Due to high strength and stiffness in comparison with their weights، laminated composite materials are widely used in many structures such as aerospace. Therefore to predict their mechanical response، the understanding of their failure mechanisms is very important. The delamination between composite layers and adhesive joints is one of the main damage modes of these materials. In this research، the cohesive zone model is used to predict the damage evaluation of composite wing adhesive joints. The advantage of this method is the modeling of delamination growth without any requirements to the presence of initial crack and remeshing. Moreover to predict the probable damage in composite layers the Ladeveze progressive damage model has been implemented in Abaqus using user defined code (Umat) and also the importance of considering the intralaminar failure on the acceleration in damage initiation and propagation in adhesively bonded joints have been evaluated. The results verify the proper accuracy of implemented method. Furthermore، the results of solid cohesive elements showed to be more accurate in predicting damage initiation and evaluation in comparison to shell elements. Finally effects of adhesive properties such as thickness and quality of bonding in load capability of wing structure have been investigated.
    Keywords: Cohesive zone model, Continuum damage mechanics, Ladeveze damage theory, Skin, Stringer
  • Alireza Torabi, Shahab Amininejad Pages 41-54
    In the present investigation، first، 48 fracture tests were conducted on the Brazilian disk specimens made of the quasi-brittle polymer Polymethyl-methacrylate and weakened by central V-notches with end holes (VO-notches) under combined tensile-shear loading with different mode mixity ratios. The fracture loads and the fracture initiation angles (FIAs) were experimentally measured. Then، two brittle fracture criteria were developed on the basis of the failure concepts of the maximum tangential stress (MTS) and the mean stress (MS) for predicting the experimental fracture loads and the FIAs، and the theoretical results were obtained in the form of the fracture curves and curves of fracture initiation angle. A very good agreement was shown to exist between the theoretical and the experimental results. Moreover، it was found that both the criteria provide almost identical predictions to the experimental results.
    Keywords: V, notch with end hole, Fracture load, Fracture initiation angle, MTS criterion, MS criterion
  • Morteza Tayebi, Hasan Sharifi, Hamid Ghayour Pages 55-62
    Although Al/SiC composite has attracted much attention of the researchers، no due attention has been paid so far to its physical properties particularly its dimensional stability. Therefore، the objective of this research is to investigate the thermal-physical properties of these composites and the presented models of these properties. Initially، the Al/4%Cu alloy was prepared by mechanical alloying، and then the aluminum composite was synthesized with different percentages of silicon carbide (with different particle sizes). To characterize the composite hardness and density tests were performed. Thermal test on the Al-4%Cu/SiC composites revealed that with increase of volume fraction of SiC particles up to 25%، thermal expansion coefficient of the composite has decreased linearly، which indicates the presence of ceramic particles with very low thermal expansion coefficient in the composite. Also، these results reveal that with increase of temperature up to 500°C، thermal expansion coefficient has increased up to 20. 6 for the composite with 15% of reinforcement particles، although this increase is not linear. In order to investigate the effect of the reinforcement particles size on thermal expansion coefficient of the Al-4%Cu/SiC composite thermal tests were performed which indicated that the reinforcement particles size has no conspicuous effect on thermal expansion coefficient of the composite but causes a thermal strain of 0. 8% in the composite to some extent.
    Keywords: As: Thermal expansion, Thermal cycles, Thermo, elastic model, Aluminum matrix composites
  • Jafar Ebadi-Rajoli, Majid Mokhtari Pages 63-70
    Joints are the most important parts of composite structures، because of their more sensitivity to load transmission، stress concentration and adherents differences (in materials، geometries and boundary conditions). Numerical analysis of all mechanical joints in big structures is costly in time and memory usage. In big structures، precise numerical analysis of mechanical joints needs to an appropriate criterion to find the critical joint. In this paper different modeling methods on analysis of mechanical joints are compared to each others. The numerical analysis is done by means of ABAQUS-6. 11. 1 finite element (FE) code. Predicted elastic modulus، the joint strength (maximum force) and load-displacement trends are compared with experimental results and time cost of modeling are compared to each others. Result study shown that the elastic modulus and the joint strength are better predicted in the improved Solid-Shell model. Beam-Shell model predicted a good elastic modulus in the joint، although the joint strength is predicted less than experiments. The final suggestion of this paper to time saving purpose in joint analysis of a big structure with many joints is to start the analysis of all joints with Beam-Shell model and finding the failed mechanical joints. In second step، just the failed joints should be re-model with improved Shell-Solid model and the structure should be checked for joint failure again
    Keywords: Mechanical joints, big structures, progressive damage, the computational cost, finite elements method
  • Hadi Khoramishad, Sajjad Nasiri Pages 71-78
    In this paper، the influencing factors on hybrid adhesive-riveted joints were investigated. For this purpose، first a finite element model was validated based on experimental results، then the effects of influencing material and geometrical factors on the strength of the hybrid joints were studied using the explicit finite element analyses. The numerical model was able to simulate damage in the adhesive layer and in the rivets. The results showed that in a hybrid adhesive-riveted joint، it is better to position the rivets where a minimum reduction in the adhesive joint due to the rivet holes obtained i. e. as far as possible from the joint ends. This is in contrary to the riveted joints in which placing the rivets closer to the joint ends resulted higher joint strength. In general، incorporating rivets in an adhesive joint for manufacturing a hybrid joint can result higher or lower joint strength in comparison with the adhesive joint in different conditions that were studied in this research. It should be noted that in case that a low-strength adhesive is utilized in a hybrid adhesive-riveted joint then placing the rivets closer to the joint ends can results higher strength for the joint similar to the riveted joints.
    Keywords: Adhesive joint, Riveted joint, Hybrid adhesive, riveted joint, Strength, Cohesive zone model