فهرست مطالب

علوم و فناوری کامپوزیت - سال هشتم شماره 2 (پیاپی 28، تابستان 1400)

نشریه علوم و فناوری کامپوزیت
سال هشتم شماره 2 (پیاپی 28، تابستان 1400)

  • تاریخ انتشار: 1400/12/15
  • تعداد عناوین: 14
|
  • مهدی جعفری وردنجانی*، محسن صفوی، مهدی کاروان صفحات 1479-1493
    امروزه پنجره های هوشمند پایه پلیمری به واسطه قابلیت های نوری و دمایی خود به منظور کاهش مصرف انرژی در ساختمان مورد توجه قرار گرفته اند. موضوع مهم در مورد این محصولات هوشمند، طراحی و ساخت بهینه آنها می باشد که محور اصلی مقاله حاضر را تشکیل می دهد. پنجره پیشنهادی به گونه ای عمل می کند که درصد عبور نور از پنجره به میزان تطابق ضریب شکست نانوسیال داخل پنجره و صفحات پلیمری وابسته است. همچنین فیلم نانوکامپوزیت جهت فراهم آوردن ویژگی خودتمیزشوندگی و رفتار فوتوکاتالیستی در سطوح خارجی مورد استفاده قرار گرفته است. مواد مورد استفاده شامل پلیمر پلی متیل متاکریلات (صفحات)، سیال متیل سالیسیلات، و نانوذرات اکسید روی است. این مواد برای ساخت فیلم نانوکامپوزیت (نانوذرات و پلیمر) و نانوسیال (نانوذرات و سیال) نیز مورد استفاده قرار گرفته اند. پس از انجام مراحل طراحی و ساخت، آزمایشات مشخصه یابی به منظور تعیین خواص مکانیکی (استحکام کششی، چقرمگی، استحکام خمشی)، فیزیکی (زاویه تماس)، ساختاری (اندازه و شکل نانو ذرات)، نوری (میزان عبور نور)، و حرارتی (محدوده های دمایی، ضریب انتقال حرارت) بیان شده است. همچنین عملکرد پنجره از لحاظ میزان مصرف انرژی و عبور نور، در یک تحلیل کمی و به کمک دو پارامتر بی بعد نسبت عبور نور و تفاضل دما، مورد تحلیل و مقایسه با سایر پنجره های هوشمند قرار گرفته است. با توجه به نتایج حاصل از این تحلیل، بازه تغییر شفافیت پنجره پیشنهادی بیش از 2 برابر حداکثر این مقدار برای سایر پنجره های هوشمند بوده، راندمان آن در حیطه مصرف انرژی و تعدیل دما در فصول گرم و سرد 2.1 برابر سایر پنجره های هوشمند بوده است.
    کلیدواژگان: پنجره هوشمند، نانوکامپوزیت، عبور نور، خودتمیزشوندگی، ضریب شکست نور
  • سهراب پیروی، محمدرضا نخعی امرودی*، پدرام صفرپور، قاسم نادری صفحات 1494-1502

    در سال های اخیر نانوکامپوزیت های مبتنی بر پایه پلیمر به دلیل خواص مکانیکی، شیمیایی و حرارتی خوب، کاربردهای گسترده ای در صنایع مختلف مثل کشتی سازی، هوا فضا، خودرو سازی و پزشکی داشته است. هدف از انجام این تحقیق مطالعه و بررسی تاثیر نانوذرات نانولوله هالوسایت (HNTs) و لاستیک اکریلونیتریل بوتادین رابر (NBR) بر خواص مکانیکی و ریز ساختار ترموپلاستیک الاستومر بر پایه پلی وینیل کلراید/لاستیک اکریلونیتریل بوتادین رابر است. روش پاسخ سطح RSM با استفاده از طرح مرکب مرکزی (CCD) برای بررسی خواص مکانیکی مثل استحکام کششی و ازدیاد طول در هنگام شکست مورد استفاده قرار گرفت. ریز ساختار نمونه ها با استفاده از میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) مورد بررسی قرار گرفت. نتایج نشان داد که بیشترین استحکام کششی در 4.7 درصد وزنی نانو لوله های هالوسایت بدست می آید و برای درصد های بالا، استحکام کششی کاهش می یابد. افزایش مقدار لاستیک NBR از 20 تا 40 درصد وزنی، باعث کاهش مداوم استحکام کششی می شود. ازدیاد طول در هنگام شکست با افزایش مقدار NBR افزایش می یابد درحالی که ازدیاد طول در هنگام شکست با افزایش مقدر HNT کاهش می یابد. نتایج میکروسکوپ الکترونی روبشی نشان می دهد که سطح شکست نمونه ها با افزایش استحکام، زیرتر می شود.

    کلیدواژگان: نانوکامپوزیت، نانولوله هالوسیت، ترموپلاستیک الاستومر، مدول کششی، ازدیاد طول
  • احمد گرامی، علی داور*، جعفر اسکندری جم صفحات 1503-1513
    در این تحقیق، رفتار استحکام اولیه سازه استوانه مشبک کامپوزیتی تحت نیروی محوری فشاری در بارگذاری مرتبه اول و استحکام باقی مانده آن در بارگذاری مرتبه دوم، مورد مطالعه قرار گرفته است. برای این منظور، در روش تجربی، ابتدا سازه استوانه ای مشبک، با الگوی شبکه شش ضلعی، با استفاده از قالب سیلیکونی و دستگاه رشته-پیچی، ساخته شده است. در آزمون بارگذاری تجربی مرتبه اول، سازه تحت نیروی محوری فشاری قرار گرفته و استحکام اولیه آن در آستانه فروریزش (اولین آسیب)، بدست آمده است. سپس، به منظور مطالعه استحکام باقی مانده، سازه آسیب دیده. پس از باربرداری کامل و بازگشت به طول اولیه، تحت بارگذاری مرتبه دوم قرار گرفته است. اعتبارسنجی نتایج نیرو-جابجایی حاصل از نرم افزار المان محدود آباکوس با مقایسه با نتایج آزمون های بارگذاری تجربی صورت گرفته است. در ادامه، تحلیل عددی اثر انواع الگوهای شبکه لوزی و مثلثی بر استحکام اولیه و استحکام باقی مانده سازه انجام پذیرفته است. نتایج نشان می دهند که بیشترین نسبت نیروی تحمل شده به وزن (استحکام ویژه) در آستانه فروریزش سازه، به ترتیب مربوط به الگوهای شبکه مثلثی، شش ضلعی و لوزی در بارگذاری مرتبه اول و الگوهای شبکه شش ضلعی، مثلثی و لوزی در بارگذاری مرتبه دوم است. به طوری که در مرتبه دوم بارگذاری، الگوهای شبکه شش ضلعی، مثلثی و لوزی، به ترتیب 80.5، 69.11 و 54.01 درصد از استحکام اولیه خود را حفظ کرده اند. همچنین، الگوهای شبکه شش ضلعی، مثلثی و لوزی، به ترتیب از بیشترین انرژی جذب شده ویژه تا آستانه فروریزش برخوردارند.
    کلیدواژگان: استحکام باقی مانده، استوانه مشبک کامپوزیتی، بارگذاری محوری فشاری متوالی، روش المان محدود، روش تجربی
  • سید محمدصالح موسوی بفروئی، رضا اسلامی فارسانی*، عبدالرضا گرانمایه صفحات 1514-1521

    در این مطالعه تاثیرات دماهای مختلف محیطی و لایه چینی الیاف بر رفتار خمشی کامپوزیت های هیبریدی متشکل از رزین اپوکسی، الیاف بازالت و الیاف نازک تک جهته کربن مورد بررسی قرار گرفت. کامپوزیت های هیبریدی با استفاده از روش لایه گذاری دستی 2 لایه الیاف نازک تک جهته کربن و 6 لایه الیاف بازالت ساخته شدند. نمونه ها با سه نوع مختلف لایه چینی به طوری که موقعیت الیاف نازک تک جهته کربن از مرکز به سطوح نمونه ها تغییر می کرد، آماده شدند. همچنین، تاثیر دما بر رفتار خمشی نمونه ها با استفاده از دماهای 25، 60 و 95 درجه سانتی گراد مورد بررسی قرار گرفت. تمامی نمونه ها دارای شکست تدریجی بودند و به دلیل حضور الیاف نازک تک جهته کربن، رفتار شبه انعطاف پذیر نشان دادند. نتایج نشان دادند که با قرار دادن الیاف نازک تک جهته کربن در بیرونی ترین لایه ها، استحکام و مدول خمشی نمونه ها به شدت افزایش یافت. به عنوان نمونه، در دمای 25 درجه سانتی گراد، مدول خمشی نمونه هایی که الیاف نازک تک جهته کربن در بیرونی ترین لایه هایش قرار داشتند، حدود 42 درصد بالاتر از مدول خمشی نمونه های با الیاف نازک تک جهته کربن در مرکز بود. با این وجود، مقادیر کرنش شکست نمونه ها با نزدیک کردن الیاف نازک تک جهته کربن به مرکز نمونه ها افزایش داشت. همچنین، نتایج نشان داد که افزایش دما منجر به کاهش مقادیر استحکام و مدول خمشی نمونه ها شده، در حالی که مقادیر کرنش افزایش یافته است.

    کلیدواژگان: کامپوزیت هیبریدی، الیاف کربن لایه نازک، خواص خمشی، شبه انعطاف پذیری، دماهای مختلف محیطی
  • امیرحسین نصرالله براتی، علی اصغر جعفری، شهرام اعتمادی حقیقی*، عادل مقصود پور صفحات 1522-1531

    در این تحقیق، تاثیر فشار دینامیکی سیال بر روی ارتعاشات خطی قطاع دایروی توخالی از جنس مواد تابعی بررسی شده است. تجزیه و تحلیل ورق براساس نظریه تغییر شکل برشی مرتبه اول و با در نظر گرفتن اثرات اینرسی دورانی و نیروهای برشی انجام شده است. معادلات حاکم بر حرکت ورق با درنظر گرفتن انرژی های جنبشی و پتانسیل و استفاده از اصل همیلتون استخراج گردیده است. همچنین، فشار وارد شده از سیال به ورق با استفاده از حل تابع پتانسیل سرعت سیال و برابری سرعت در سطح تماس سیال و قطاع بر حسب جابه جایی عمودی قطاع تعیین شده است. شکل مدهای فرضی بر اساس ارضای شرایط مرزی ورق در نظر گرفته شده است. با جایگذاری مدهای فرضی، پاسخ هارمونیک و استفاده از روش گالرکین، معادله حاکم به معادله مشخصه تبدیل شده و فرکانس طبیعی ورق بدست آمده است. با استفاده از روش نیمه تحلیلی مورد استفاده در این پژوهش تمامی حالت های شرایط مرزی قابل بررسی می باشند. در ادامه، نتایج عددی برای یک ورق نمونه ارایه شده و تاثیر پارامترهایی مانند زاویه قطاع، شرایط مرزی، چگالی سیال و ارتفاع سیال بررسی شده است. در پایان نتایج به دست آمده بدون در نظر گرفتن سیال با پژوهش های پیشین، و درحالت تماس با سیال با نرم افزار المان محدود انسیس اعتبار سنجی شده است.

    کلیدواژگان: ارتعاشات خطی، قطاع دایروی توخالی، مواد تابعی، فشار ستون سیال
  • زهرا عزیزی، خسرو رحمانی*، فتح الله طاهری بهروز صفحات 1532-1542

    در پژوهش های اخیر، استفاده از گرافن به دلیل تاثیر مثبت بر خواص کامپوزیت ها از جمله خواص مکانیکی، الکتریکی و حرارتی مورد توجه قرار گرفته است. در این پژوهش، خواص ریزساختاری و مکانیکی نانوکامپوزیت ریختگی آلومینیوم خالص تقویت شده با 0.5درصد وزنی گرافن با همزنی مکانیکی - الکترومغناطیسی و سپس اکستروژن داغ و نهایتا آنیل، در دو روش استفاده از آسیاب گلوله ای و بدون استفاده از آسیاب گلوله ای بررسی شد. با بکار بردن روش های همزنی مکانیکی و الکترومغناطیسی، ترکیب دو نیروی برشی و حجمی، تلاطم بیشتری را در فلز مذاب ایجاد کرده که منجر به توزیع مناسب ذرات تقویت کننده، کاهش ساختارهای دندریتی و اصلاح اندازه دانه در طول انجماد می شود. مطالعات ریزساختاری نشان داد که در روش آسیاب گلوله ای توزیع نانو ذرات گرافن در فاز زمینه و کاهش اندازه دانه، نسبت به روش بدون آسیاب گلوله ای مطلوب تر می باشد. در روش آسیاب گلوله ای، سختی، استحکام کششی و استحکام فشاری به ترتیب 19.7، 142.8 و 11.7 درصد و در روش بدون آسیاب به ترتیب 9، 85.2 و 13.5 درصد نسبت به آلومینیوم خالص افزایش یافته است. تغییر طول در روش آسیاب گلوله ای 6.8 و در روش بدون آسیاب گلوله ای 35.4 درصد کاهش نشان می دهد.

    کلیدواژگان: نانو کامپوزیت ریختگی، آلومینیوم، گرافن، آسیاب گلوله ای، همزنی مکانیکی-مغناطیسی
  • احمد فدویان، علی داور*، محسن حیدری بنی، جعفر اسکندری جم صفحات 1543-1555
    هدف از این پژوهش، دستیابی به حداکثر بار قابل تحمل در بارگذاری محوری فشاری برای یک سازه ی استوانه ای مشبک کامپوزیتی با هندسه مشخص به روش تجربی- آماری است. پس از مطالعه ی پژوهش های صورت گرفته در زمینه ی فاکتورهای ساخت سازه های تولید شده با فرایند رشته پیچی و همچنین امکانات موجود، اثر چهار فاکتور کشش الیاف، سرعت پیچش، شرایط پخت و نوع الیاف بر کیفیت ساخت و استحکام استوانه های مشبک کامپوزیتی بررسی شد. برای این منظور، با استفاده از روش طراحی آزمایش های تاگوچی، اثر فاکتورهای ساخت مذکور در سه سطح و بدون در نظر گرفتن اثرات متقابل آن ها بر متغیر پاسخ، مورد بررسی قرار گرفته است. بر اساس روش تاگوچی، 9 نمونه ساخته و تحت آزمون قرار داده شده اند و نتایج حاصل از آزمون ها، با استفاده از تحلیل واریانس مورد بررسی قرار گرفته اند تا میزان تاثیرگذاری فاکتورهای ساخت بر متغیرهای پاسخ، مشخص شود. دو متغیر پاسخ شامل حداکثر بار تحمل شده ی ویژه و کارایی فشاری در نظر گرفته شده اند. فاکتورهای نوع الیاف با 88.33% و کشش الیاف 9.67% به ترتیب بیشترین تاثیر را بر روی متغیر پاسخ حداکثر بار تحمل شده ی ویژه داشته اند و اثر دو فاکتور سرعت پیچش با 0.70% و شرایط پخت با 0.29% قابل صرف نظر بوده است. فاکتورهای نوع الیاف با 54.20%، کشش الیاف با 23.54% و سرعت پیچش با 14.86%، به ترتیب تاثیرگذارترین عوامل بر روی متغیر پاسخ کارایی فشاری بوده اند و اثر فاکتور شرایط پخت با 1.85% قابل صرف نظر بوده است. بهینه سازی شرایط ساخت، بر اساس متغیر کارایی فشاری صورت گرفته است.
    کلیدواژگان: تحلیل آماری-تجربی، استوانه مشبک کامپوزیتی، بار محوری فشاری، پارامترهای ساخت
  • محمد کشفی*، پیام پورربیعا، پرویز کحال صفحات 1556-1562
    ساختارهای آگزتیک سازه های هستند که دارای نسبت پوآسون منفی هستند، از این رو استفاده از این سازه ها به دلیل رفتار منحصربه فردشان در صنایع هوایی و خودرویی رو به افزایش است. تخمین نسبت پوآسون در این ساختارها به منظور طراحی سازه های شخصی سازی شده مورد توجه است. برخی روابط تیوری جهت پیش بینی نسبت پوآسون سازه های آگزتیک دو بعدی ارایه شده است که به دلیل در نظر نگرفتن برخی پارامترهای هندسی از دقت کمی برخوردار هستند. در این پژوهش ابتدا یک مدل عددی بر پایه روش اجزا محدود به وسیله مقایسه و تحلیل نتایج آزمایشگاهی اعتبار سنجی می شود. به منظور اعتبار سنجی مدل عددی، نمونه ها در ابتدا به کمک یک چاپگر سه بعدی ساخته و به کمک روش پردازش تصویر نسبت پوآسون آن ها مورد ارزیابی قرار می گیرد. سپس، با توجه به جدول طراحی متغیرهای هندسی، یک ضریب تصحیح بر پایه پارامترهای هندسی سازه به ویژه ضخامت اضلاع طوری تعریف می شود که در عین بی بعد بودن با کمترین تعداد پارامتر بتواند مدل تیوری را به بیشترین دقت در تخمین نسبت پوآسون برساند. نتایج نشان داد که با افزایش زاویه درونی و ضخامت اضلاع خطای رابطه تیوری افزایش می یابد که با در نظر گرفتن ضریب تصحیح ارایه شده تخمین نتایج بهبود قابل توجهی یافت به طوری که این ضریب می تواند خطای نتایج تیوری را از 800% به زیر 2% کاهش دهد.
    کلیدواژگان: ساختار آگزتیک، ساخت افزایشی، روش اجزا محدود، نسبت پوآسون
  • کامران محفوظی*، آرش تحویلی صفحات 1563-1572
    در این پژوهش خواص فیزیکی و زیست تجزیه پذیری کامپوزیت های سبز، حاصل از پارچه پنبه ای و رزین های زیست تجزیه پذیر (ترکیب نشاسته، پلی وینیل الکل (PVA) و کربوکسی متیل سلولز (CMC))، از روش ریخته گری محلول مطالعه شده است. نتایج به دست آمده نشان می دهند که بهترین استحکام کششی (معادل ± 2.1 MPa 27.8 MPa) و همچنین بیشترین مقدار مدول یانگ (GPa ± 0.8 GPa 8.3)، در کامپوزیت ساخته شده از نسبت 60% حجمی پارچه پنبه ای و رزین نشاسته (5% وزنی)، پلی وینیل الکل (7% وزنی) و کربوکسی متیل سلولز (1.5%وزنی) مشاهده می شود، که با کامپوزیت های متداول قابل مقایسه است. این خاصیت به تنهایی از پارچه پنبه ای و فیلم تهیه شده از رزین زیست تجزیه پذیر بیشتر است. بررسی مورفولوژیکی توسط عکس های میکروسکپ الکترونی، بیانگر تقویت کامپوزیت توسط الیاف پنبه هستند. این امر به فعلوانفعال قوی میان پارچه پنبهای و رزین قابل تجزیه بیولوژیکی مرتبط میشود. با افزایش درصد کربوکسی متیل سلولز، مقاومت کامپوزیت ها در برابر نفوذ رطوبت بهبود می یابد. تست زیست تجزیه پذیری نشان می دهد که افزودن کربوکسی متیل سلولز، سبب کاهش زیست تجزیه پذیری کامپوزیت ها و افزودن نشاسته و پلی وینیل الکل، باعث افزایش آن می شود. این کامپوزیت ها می توانند کاندید مناسبی برای کامپوزیت های زیست تجزیه پذیر پلیمری با کارایی بالا باشند.
    کلیدواژگان: کامپوزیت، رزین زیست تجزیه پذیر، پلی وینیل الکل، کربوکسی متیل سلولز، پارچه پنبه ای
  • حمیدرضا امامیه، مهدی یارمحمد توسکی*، محسن جباری، احمدرضا خورشیدوند صفحات 1573-1582

    یکی از روش های تقویت استحکام کامپوزیت ها به عنوان جایگزینی سبک و بهینه برای مواد متداول نظیر فلزات، استفاده از تقویت کننده های نانویی می باشد. افزودن نانوذرات می تواند با هدف تقویت مقاومت و استحکام در بارگذاری های مختلف انجام گیرد. این مطالعه به منظور بررسی اثر افزودن نانو ذرات سیلیکا و رس در میزان تغییرات مقاومت به ضربه صفحات ساندویچی در آزمون ضربه سرعت پایین می باشد. رویه ها از الیاف شیشه و رزین اپوکسی همراه با ذرات سیلیکا و رس ساخته شده است. فرآیند ساخت به صورت لایه گذاری دستی می باشد. به منظور توزیع بهتر نانو ذرات در ماتریس رویه صفحات ساندویچی از دستگاه اولتراسونیک استفاده شده است. آزمون های ضربه سرعت پایین توسط دستگاه وزنه افتان انجام شده است. آزمون ضربه سرعت پایین در 2 سطح انرژی 15 و 30 ژول انجام شد. مناطق آسیب دیده صفحات توسط SEM مورد بررسی قرار گرفت. نتایج تجربی نشان داده اند که میزان مقاومت به ضربه صفحات ساندویچی بعد از استفاده از نانو ذرات، تغییر کرده و بهبود یافته اند. بطوریکه میزان مقاومت به ضربه صفحه ساندویچی در حالت دارای 3% نانو سیلیکا و 1% نانو رس 13.65% بالاتر از حالت بدون نانو و حالت 1% نانو سیلیکا و 3% نانو رس 6.6% بیشتر از حالت بدون نانو می باشد.

    کلیدواژگان: همزمانی نانو ذرات، ساندویچ پنل، ضربه سرعت پایین
  • دین محمد ایمانی*، محمدرضا محمد علیها صفحات 1583-1589

    استفاده از رزین ها و کامپوزیت های استخوانی یکی از روش ها مناسب برای تقویت استخوان های آسیب دیده و دچار پوکی می باشد. تزریق سیمان یکی از روش های رایج جهت تقویت فوری استخوان های صدمه دیده است. چنانچه در هنگام تزریق سیمان استخوانی به بافت استخوان در فصل مشترک اتصال ناپیوستگی و عدم چسبندگی به وجود آید، این عدم چسبندگی همچون یک ترک رفتار نموده و در اثر اعمال بارهای مکانیکی می تواند باعث جدایش اتصال سیستم دو ماده ای استخوان-سیمان شود. در این مقاله با استفاده از قطعه دو ماده ای (بافت اسفنجی استخوان مهره گاو- سیمان استخوانی هیدروکسی آپاتیت) به شکل دیسک برزیلی به بررسی رفتار شکست فصل مشترک اتصال در حالت های مختلف بارگذاری پرداخته می شود. آزمایش های شکست مود ترکیبی در زوایای مختلف 0، 9، 18 و 27 درجه نسبت به فصل مشترک اتصال انجام و مقادیر متناظر بار و انرژی شکست نمونه ها به دست آمد. نتایج نشان می دهد که با افزایش زاویه بارگذاری و افزایش مود لغزشی، مقدار بار و انرژی شکست اندکی افزایش می یابد. همچنین در تمامی حالت های بارگذاری، شکست در فصل مشترک استخوان- سیمان اتفاق می افتد. مقایسه نمونه های دو ماده ای استخوان-سیمان و تک ماده استخوان نشان دهنده افزایش نیرو و انرژی شکست در نمونه های استخوان-سیمان به نسبت نمونه تک ماده ای استخوان می باشد.

    کلیدواژگان: سیمان استخوانی، استخوان مهره گاو، دیسک برزیلی دو ماده ای، مود ترکیبی کششی-برشی، شکست فصل مشترک
  • مهدی نقابی، مجید صفرآبادی* صفحات 1590-1602
    در این مقاله تاثیر افزودن نانوذرات به ماده زمینه در بهبود استحکام کمانشی صفحات نانوکامپوزیتی پایه پلیمری از طریق مدل سازی اجزا محدود بررسی شد. نانوذرات از دو جنس نانولوله های کربنی و نانو رس با درصد های حجمی مختلف با توزیع تصادفی به ماده زمینه افزوده شد و خواص مکانیکی ماتریس تقویت شده از طریق شبیه سازی اجزا محدود به کمک المان نماینده حجم در نرم افزار آباکوس محاسبه گردید. در ادامه با کدنویسی پایتون، نانولوله های کربنی به صورت جهت دهی شده درون ماده زمینه توزیع گردید و مدول یانگ موثر برای جهت های افقی و عمودی به صورت جداگانه به دست آمد. با داشتن خواص مکانیکی ماتریس تقویت شده، بررسی بار بحرانی کمانش برای صفحات ساخته شده از نانوکامپوزیت های پایه پلیمری از جنس اپوکسی و الیاف تک جهته شیشه از طریق روش تحلیل مقادیر ویژه انجام شد. مقایسه نتایج حاصل از این پژوهش با نتایج پژوهش های پیشین تطابق خوبی نشان داد. با افزودن نانوذرات افزایش بار بحرانی کمانشی صفحه با افزایش درصد حجمی مشاهده گردید. در حالتی که الیاف وجود دارند، هنگامی که نانوذرات در راستای الیاف که همان راستای بارگذاری هست توزیع شدند، بار بحرانی کمانش افزایش بیشتری نشان داد. در حالت بدون وجود الیاف و تقویت صفحه پلیمری خالص، در حالت جهت دهی طولی نانوذرات بار بحرانی کمانشی در راستای محوری 55.3% افزایش یافت، اما برای توزیع تصادفی افزایش به میزان 14.2% بود. درنهایت مطالعه پارامتری بر اثر جهت گیری نانوذرات، نسبت منظری صفحه، بارگذاری در جهت عرضی صفحه، جنس و درصد حجمی نانوذرات بر بار بحرانی کمانش صفحات پلیمری صورت پذیرفت.
    کلیدواژگان: نانوکامپوزیت ها، تحلیل اجزا محدود، المان نماینده حجم، توزیع نانوذرات، کمانش خطی
  • محمد پورمنصوری، رضا مسلمانی*، امین یاقوتیان، افشین قنبرزاده صفحات 1603-1611
    کاربرد لوله‎ های چندلایه به دلیل مزیت های مکانیکی و شیمیایی آن ها به عنوان جایگزین لوله‎ های همگن جهت انتقال نفت، گاز و مواد پتروشیمی در حال افزایش است. جهت جلوگیری از مسدود شدن خطوط انتقال و زیان وارده از آن می‎ بایست که بازرسی ها و آزمونهای غیر مخرب مانند آزمونهای فراصوت برای اطمینان از صحت کارکرد آن‎ها به صورت مداوم انجام گیرند. ازاین رو در این تحقیق، ابتدا معادلات انتشار موج پیچشی در لوله چندلایه مورد بررسی قرار گرفته و روابط میدان‎ های جابجایی و تنش های دینامیکی در لوله چندلایه استخراج شده است، سپس نمودارهای دیسپرژن و سرعت گروه برای لوله‎ چندلایه با توجه به شرایط مرزی مسئله رسم شده است. همچنین، انتشار موج پیچشی در لوله چندلایه با استفاده از روش اجزاء محدود در نرم افزار ABAQUS شبیه سازی شده است. با مقایسه نتایج تحلیلی و شبیه سازی عددی مشاهده می ‎شود که نتایج کامل با یکدیگر تطابق داشته و مدل‎سازی به درستی انجام گرفته است. در انتها نیز تاثیر عوامل موثر بر انتشار موج پیچشی در لوله های دولایه و سه لایه بررسی شده است. نتایج به دست آمده نشان می‎ دهند که ضخامت لایه ها، ترتیب لایه ها و جنس تشکیل دهنده لایه های لوله بر سرعت انتشار موج پیچشی در لوله های چندلایه تاثیرگذار است.
    کلیدواژگان: موج پیچشی هدایت شده، انتشار موج، لوله چندلایه، روش المان محدود، نمودار دیسپرژن
  • رهام ماهر، سید محمدرضا خلیلی*، رضا اسلامی فارسانی صفحات 1612-1627

    در این مطالعه، رفتار ساندویچ پنل هسته ذوزنقه ای آلومینیومی با پوسته های کامپوزیتی شیشه/اپوکسی تقویت شده با آلیاژ حافظه دار تحت بار ضربه ای سرعت بالا، بصورت تجربی و عددی مورد بررسی قرار گرفته است. نمونه های کامپوزیتی جهت انجام آزمایش های کشش، فار و برش ساخته شدند و خواص مورد نیاز از آزمایش ها به دست آمد. سپس سازه های ساندویچی با هسته موجدار آلومینیومی و پوسته های 4 لایه کامپوزیت شیشه ای/اپوکسی با استفاده از روش لایه چینی دستی ساخته شد. به منظور تقویت پوسته های کامپوزیتی، از سیم آلیاژ حافظه دار در سه حالت، سه سیم بدون پیش کرنش، سه سیم با 3% پیش کرنش و سه سیم با 6% پیش کرنش استفاده شده است. نمونه ها تحت آزمایش ضربه سرعت بالا به وسیله تفنگ گازی قرار گرفتند. برای اعتبارسنجی و مقایسه نتایج، مدل های عددی نمونه ها در نرم افزار LS-Dyna با در نظر گرفتن شرایط آزمایش تجربی تهیه شد. نتایج شامل سرعت محدود بالستیک و انرژی جذب شده توسط سازه با راه حل های تجربی مقایسه و اعتبارسنجی شد. هدف از انجام این مطالعه، بررسی اثر افزودن سیم آلیاژ حافظه دار به جهت تقویت پوسته ها و تاثیر پیش کرنش بر رفتار بالستیکی سازه ساندویچی بوده است. نتایج بدست آمده نشان می دهد که وجود سیم آلیاژ حافظه دار و اعمال پیش کرنش باعث افزایش میزان جذب انرژی می شود. میزان جذب انرژی در مقایسه با نمونه بدون سیم، در نمونه 3 سیم بدون پیش کرنش تقریبا 10%، در نمونه 3 سیم با 3 درصد پیش کرنش تقریبا 22% و در نمونه 3 سیم با 6 درصد پیش کرنش تقریبا 30% افزایش یافته است.

    کلیدواژگان: ضربه سرعت بالا، ساندویچ پنل، هسته موجدار، پوسته کامپوزیتی هوشمند، آلیاژ حافظه دار
|
  • Mehdi Jafari Vardanjani *, Mohsen Safavi, Mehdi Karevan Pages 1479-1493
    Today, polymer-based smart windows have been considered for their thermal capabilities to reduce energy consumption in the buildings. The important issue about these smart products is their optimal design and construction which is the main focus of this study. The proposed window operates the way that the percentage of the light passing through the window depends on the degree of conformity of the refractive index of the nanofluid inside the window and the polymeric plates. Nanocomposite film has also been used to provide self-cleaning and photocatalytic behavior on the external surfaces. The materials used include polymethyl methacrylate (plates), methyl salicylate (fluid), and zinc oxide nanoparticles, which have been used to fabricate the nanocomposite, and nanofluid. After accomplishing the design and fabrication steps, characterization tests have been performed to determine mechanical (tensile strength, toughness, flexural strength), physical (contact angle), structural (size and shape of nanoparticles), optical (light transmission rate), and thermal (temperature ranges, heat transfer coefficient) properties. In addition, the performance of the window has been analyzed and compared with the other smart windows in terms of energy consumption and light transmission, in a quantitative analysis by two dimensionless parameters of light transmission ratio and temperature difference. According to the results, the range of variation in the transparency has been more than the maximum for other smart windows by 2 times while its energy consumption and temperature adjustment performance index has been higher than the other smart windows by 2.1 times.
    Keywords: Smart window, Nano-composite, Light transmission, Self-cleaning, Refractive index
  • Sohrab Payravi, MohammadReza Nakhaei *, Pedram Safarpour, Ghasem Naderi Pages 1494-1502

    In recent years, polymer-based nanocomposites have been widely used in various industries such as shipping, aircraft, automotive, and medical industries due to their good mechanical, chemical, and thermal properties. The aim of this study was to investigate the effect of halloysite nanotube nanoparticles (HNTs) and the nitrile butadiene rubber (NBR) content on the mechanical properties and microstructure of polyvinyl chloride / acrylonitrile-butadiene rubber (PVC/NBR) thermoplastic elastomer nanocomposites. Response surface methodology (RSM) and central composite design (CCD) were used to study the tensile strength and elongation at break. The morphology of PVC/NBR/HNT nanocomposites was investigated by scanning electron microscopy (SEM). The results showed that the maximum tensile strength was obtained at the HNT amount of 4.7 wt. %, while at high HNT levels the tensile strength will be decreased. Increase in NBR content from 20 wt. % to 40 wt. % causes an appreciable decrease in tensile strength. The elongation at break increased with increasing the NBR content, while the elongation at break decreased when the HNT content increased. The results of SEM show that the fractured surface of the samples gets rougher, the tensile strength increases.

    Keywords: Nanocomposite, Halloysite Nanotube, Thermoplastic elastomer, Tensile strength, Elongation at break
  • Ahmad Gerami, Ali Davar *, Jafar Eskandari Jam Pages 1503-1513
    In this research, the behavior of the initial strength of a composite lattice cylinder structure under axial compressive force in the first loading and its residual strength in the second loading stages have been studied. For this purpose, in the experimental method, first, the composite cylindrical structure, with a hexagonal lattice pattern, is made using a silicone mold and filament winding process. In the first experimental loading test, the structure is subjected to axial compressive force and its initial strength at the beginning of collapse (first damage) is obtained. Then, in order to study the residual strength, the damaged structure is subjected to the second loading stage after complete unloading and recovers its initial length. Validation of force-displacement results obtained from ABAQUS finite element software has been done in comparison with the results of experimental loading tests. Next, the numerical analysis of the effect of various rhombic and triangular lattice patterns on the initial strength and residual strength of the structure is performed. The results show that the highest ratio of bearing force to weight on the collapse threshold of the structure in first loading stage is related to the triangular, hexagonal and rhombic, lattice patterns and hexagonal, triangular and rhombic lattice patterns, respectively in the second loading stage. After the second loading stage, hexagonal, triangular and rhombic lattice patterns retained 80.5%, 69.11% and 54.01% of their original strength, respectively. Also, hexagonal, triangular and rhombic lattice patterns have the highest specific absorbed energy up to the collapse threshold, respectively.
    Keywords: Residual strength, Composite grid stiffened cylindrical shells, Sequential compressive axial load, finite element method, experimental method
  • Seyed MohammadSaleh Mousavi Bafrouyi, Reza Eslami Farsani *, Abdolreza Geranmayeh Pages 1514-1521

    In this study, the effects of temperature and stacking sequences of fibers on the flexural properties of the hybrid composites including epoxy resin, basalt fibers, and thin-ply unidirectional (UD) carbon fibers were investigated. The hybrid composites were prepared by hand lay-up method with 2 layers of carbon thin-ply and 6 layers of basalt fibers. The samples were fabricated with three different stacking sequences of fibers in which the position of thin-ply UD carbon fibers changed from the center to the outermost layers. Also, the temperature effects on the flexural properties of samples were investigated by applying different temperatures of 25, 60, and 95 ºC. All samples were fractured gradually and showed pseudo-ductility phenomenon due to thin-ply UD carbon fibers. Results showed that by placing the thin-ply UD carbon fibers at the outermost layers, the flexural strength and modulus of samples increased significantly. For example, at the temperature of 25 ºC, the flexural modulus of the samples was about 42% higher than that of the sample with thin-ply UD carbon fibers at the center of samples. However, the strain values of samples increased by nearing the thin-ply UD carbon fibers to the center layers. Also, results indicated that increasing the temperature caused the reduction of flexural strength and modulus of samples while the strain values increased.

    Keywords: Hybrid composite, Carbon fibers thin-ply, Flexural properties, Pseudo-ductility, Different environmental temperatures
  • AmirHossein Nasrollah Barati, AliAsghar Jafari, Shahram Etemadi Haghighi *, Adel Maghsoudpour Pages 1522-1531

    In this study, the effect of fluid dynamic pressure on the linear vibrations of annular sector plate made of Functionally Graded Material (FGM) is investigated. Analysis of the plate is based on First-order Shear Deformation Plate Theory (FSDT) with consideration of rotational inertial effects and transverse shear stresses. The governing equations of motion of the plate are derived by considering the kinetic and potential energies and using the Hamilton’s principle. Also, the pressure applied from the fluid to the plate is determined by solving the velocity potential function of the fluid and the velocity equality at the contact surface of the fluid and the sector in terms of vertical displacement of the sector. The shape of the studied plate modes is based on satisfying the boundary conditions of the plate. By placing hypothetical modes, harmonic responses and using the Galerkin method, the governing equation have become the characteristic equation and by using the semi-analytical method that used for all boundary conditions, the natural frequencies are obtained. Furthermore, the numerical results are presented for a sample plate and the effect of different parameters such as sector angle, boundary conditions, fluid density, and fluid height is investigated. Finally, the obtained results are validated without considering the fluid with previous researches, and in case of contact with the fluid with finite element model (ANSYS software).

    Keywords: Linear vibration, annular sector plate, Functionally graded material, fluid column pressure
  • Zahra Azizi, Khosrow Rahmani *, Fathollah Taheri Behrooz Pages 1532-1542

    In recent scientific studies, the use of graphene has been considered due to its positive effect on the properties of composites, including mechanical, electrical and thermal properties. In this research, the microstructural and mechanical properties of pure aluminum nanocomposite cast reinforced with 0.5 wt% graphene with mechanical-electromagnetic stirrer and then hot extrusion and finally annealing, in two methods of using ball milling and without using ball milling process, was investigated. By applying both mechanical and electromagnetic stirring techniques, combining both shear and body forces can cause more turbulence in the molten metal that lead to as well as distribute reinforcing particles, decreasing the dendritic structures and refining the grains during solidification. The microstructural studies showed that in the ball mill method, the distribution of graphene nanoparticles and reduce grain size in the matrix phase is significantly better than the non-ball mill method. Also, in the method of ball mill, hardness, tensile strength and compressive strength increased by 19.7, 142.8 and 11.7%, respectively, and in the method without mill, 9, 85.2 and 13.5%, respectively, compared to pure aluminum. The elongation decreased by 6.8% in the ball mill method and 35.4% in the non-ball mill method.

    Keywords: Casting nanocomposite, Pure aluminum, Graphene, ball milling, Mechanical, Electromagnetic Stirring
  • Ahmad Fadavian, Ali Davar *, Mohsen Heydari Beni, Jafar Eskandari Jam Pages 1543-1555
    The aim of this research is to attain the maximum carried-load under compressive axial loading for a composite lattice cylindrical structure with a specified geometry by an experimental–statistical method. For this purpose, after studying the researches in the field of fabrication factors of structures manufactured by filament winding process and also available facilities, the influence of four fabrication factors including fiber (roving) tension, winding speed, cure cycle and fiber type on the product quality and strength of the composite lattice cylinders is investigated. For this purpose design of experiment (DOE) with Taguchi method is applied to investigate the effect of fabrication factors on the the response variables in three levels without considering their interactions. According to Taguchi method nine structures are manufactured and tested and the results of the test are analyzed using analysis of variance to determine the influence of the fabrication factors on the response variables. Two response variables including specific maximum carried-load and compressive efficiency have been considered. Fiber type with 88.33 % and fiber tension with 9.67 % have greater influence, respectively, on the specific maximum carried-load while the effect of winding speed with 0.7 % and cure cycle with 0.29 % are negligible. Fiber type with 54.20 %, fiber tension with 23.54 % and winding speed with 14.86 % have greater influence, respectively, on the compressive efficiency while the effect of cure cycle with 1.85 % is negligilble. Manufacturing parameters are optimized according to the compressive efficiency response variable. In order to verify the resu
    Keywords: Statistical-experimental analysis, composite grid -stiffened cylinder, compressive axial load, fabrication parameters
  • MOHAMMAD KASHFI *, Payam Pourrabia, Parviz Kahhal Pages 1556-1562
    Auxetic structures as a part of lattice structures are designed with a negative Poisson’s ratio. The use of these structures is increasing due to their customized behavior in the aerospace and automotive industries. Several theoretical relations have been proposed to predict Poisson’s ratio of 2D auxetic structures. Most simple relations could not predict the Poisson’s ratio with a reasonable accuracy due to the absence of structure thickness. In this work, a numerical model based on finite element method is first validated by experimental results. In order to verify the numerical model accuracy, the constructed model is validated by experiment. Samples are printed, and the Poisson’s ratio is measured using the DIC method during the compression test. A correction factor based on the geometrical parameters of the structure, especially the structure thickness, is then introduced. This dimensionless correction factor not only consists of the minimum number of parameters but also significantly improves the theatrical model accuracy. The results showed that the theoretical relation error is cumulated by increasing the structural angle and thickness. The present correction factor is successfully reduced the error of theoretical relation from 800% to less than 2%.
    Keywords: Auxetic structures, Additive manufacturing, finite element analysis, Poisson’s ratio
  • Kamran Mahfuozi *, Arash Tahvili Pages 1563-1572
    In this paper physical and biodegradable properties of green composite made of cotton fabric and biodegradable resins (starch, poly vinyl alcohol (PVA) & carboxy methyl cellulose (CMC)) prepared by a solution casting method have been studied. The obtained results show that the best tensile strength (equivalent to 27.8 MPa ± 2.1 MPa) as well as the highest amount of Young modulus (8.3 GPa ± 0.8 GPa), is observed in the composites made of cotton fabric content (60 vol.%), 5 wt% starch, 7 wt% PVA & 1.5 wt% CMC by weight), which is comparable to conventional composites. This property is more than just cotton fabric and the film made from biodegradable resin. Morphological examination by scanning electron microscopy shows that the composite is reinforced by cotton fibers. This is due to the strong interaction between the cotton fabric and biodegradable resin. By increasing the percentage of CMC, the resistance of composites to moisture penetration is improved. The biodegradability test shows that the addition of CMC reduces the biodegradability of the composites and the addition of starch and polyvinyl alcohol increases it. These composites can be a good candidate for high performance biodegradable polymer composites.
    Keywords: Composite, biodegradable resin, poly vinyl alcohol. carboxymethyl cellulose (CMC), Cotton fabric
  • HamidReza Emamieh, Mehdi Yarmohammad Tooski *, Mohsen Jjabbari, AhmadReza Khorshidvand Pages 1573-1582

    Nano-reinforcers are identified as one of the ways of strengthening composites as an optimal and light alternative for common materials like metals. Adding nano-particles is done in different loadings so as to strengthen the resistance and stability. The aim of the present study was to scrutinize the simultaneous effect of nano- particles of silica and clay in the amount of resistance changes onto the impacts of sandwich panels in the low velocity impact test. The face sheets of the panels were made by glass fibers and resin epoxy with nanoparticles of silica and clay. The type of making process was manual layering. The ultra-sonic device was applied to perfectly distribute nano-particles through the face sheet matrix of the sandwich panels. The low velocity impact tests were done by the drop weight equipment. The low velocity impact test was done in two levels of energy including 15J and 30J. The damaged parts of the panels were inspected by SEM. The experimental results indicated that the amount of resistance to the impact of sandwich panels were changed and improved after using nano-particles. Thus, the amount of resistance to the impact holding cases of 3% of nano-silica and 1% of nano- clay was 13.65% higher than the case without nano and the case of 1% of nano- silica and 3% of nano- clay was actually 6.6% more than the case without nano.

    Keywords: Synchronization Nanoparticles, Sandwich panel, Low velocity impact
  • Din Mohammad Imani *, MohammadReza Mohammad Aliha Pages 1583-1589

    The use of resin based cement is a common method for strengthening and retaliation the damaged bones material. However due to lack of sufficient adhesion in the interface of two materials (i.e. bone and injected cement) a crack can be initiated in the interface and consequently it can be fractured due to application of external loads to the repaired bone part. In order to investigate the load carrying capacity and reliability of bi-material joint of bone's soft tissue-hydroxyl apatite cement, a number of bi-material bone-cement specimens in the shape of circular disc containing a center crack in the interface of disc and subjected to diametral compression were tested. The bi-material specimens were load under different inclination angles of crack related to the loading direction. This results in application of different mixed mode I+II (i.e. tensile-shear deformation) in the interface of center crack. The results showed that the fracture load and fracture energy becomes more by increasing the crack inclination angle (i.e. increasing the contribution of shear mode deformation relative to mode I component). In addition the overall strength of bi-material bone-cement system was higher than the neat one material bone material. The fracture of all tested bi-material samples was extended along the interface line of Brazilian disc specimen with no kinking into any of two bone or cement materials.

    Keywords: Bone-cement, Bi-material Brazilian disc, mixed mode loading, Interface fracture
  • Mahdi Neghabi, Majid Safarabadi * Pages 1590-1602
    In this article, the effect of adding nanoparticles into the matrix on improving the buckling strength of polymeric nanocomposite plates was investigated through finite element analysis. Two types of nanoparticles, including Carbon nanotubes (CNTs) and Nanoclays with different volume fractions (VF), were added randomly into the Epoxy matrix and mechanical properties of the reinforced matrix were estimated using simulation of a representative volume element (RVE). Moreover, a python script was generated to distribute CNT nanoparticles in aligned orientations and calculate the equivalent Young's modulus in horizontal and vertical directions. Afterwards, the critical buckling load of nanocomposite plates made of unidirectional glass fibers and nanoparticle reinforced Epoxy matrix were studied, using Eigenvalue analysis. Results were validated by previous studies and a very good agreement was obtained. In general, adding nanoparticles into the matrix led to increasing the critical buckling load with an increase of nano-additive’s VFs. When nanoparticles were dispersed aligned with fiber directions, which is the same as loading direction, a higher increase of critical buckling load was observed. For the case of reinforcing pure polymeric plates without fibers, when nanoparticles were aligned in the longitudinal direction, axial critical buckling load rose to 55.3%, whereas for the random distribution, it was increased by 14.2%. Finally, a parametric study was conducted to evaluate the effect of nanoparticle orientations, the aspect ratio of plates, transverse loading, type, and volume fraction of nano-additives on the critical buckling load of polymeric plates.
    Keywords: Nanocomposites, finite element analysis, Nanoparticles distribution, Representative volume element, Linear buckling
  • Mohammad Pourmansouri, Reza Mosalmani *, Amin Yaghootian, Afshin Ghanbarzadeh Pages 1603-1611
    The use of multilayer pipes has increased recently thanks to their superior mechanical and chemical properties as a replacement of homogeneous single-layer pipes. Therefore, applicable inspections and non-destructive tests for multilayer pipes should be investigated. In this study, the governing equations of torsional wave propagation in the multilayer pipe were initially developed, and the relations between the displacement fields and dynamic stresses in the multilayer pipe were calculated. Then, the dispersion curves and group velocity for the multilayer pipe are plotted according to the boundary conditions. The torsional wave propagation in the multilayer pipe was also simulated using the finite element method via ABAQUS software. By comparing the analytical results and the numerical simulations, a complete agreement was observed between the results. Finally, the influence of effective parameters on torsional wave propagation in two- and three-layer pipes was investigated. The obtained results showed how the thickness, lay-up, and mechanical properties of the layers could affect the velocity of torsional wave propagation in the multilayer pipes.
    Keywords: Torsional guided waves, wave propagation, Multilayer pipes, finite element method, Dispersion curve
  • Roham Maher, Seyed MohammadReza Khalili Khalili *, Reza Eslami Farsani Pages 1612-1627

    In this research, the impact behavior of trapezoidal corrugated core sandwich panel reinforced with SMA wires, has been investigated experimentally and numerically. Composite specimens were made to perform tensile, compression and shear tests, and the requisite properties were acquired from the tests. Then, sandwich structures with aluminum corrugated core and 4-layer glass/epoxy composites face-sheets were made using the hand-layup technique. In order to reinforce the composite face-sheets, SMA wires were used in two models: 3 SMA wires without pre strain, 3 SMA wires with 3% pre-strain and 3 SMA wires with 6% pre-strain. The test was performed using a gas gun. To validate and compare the results, the numerical models of the specimens were prepared in LS-Dyna, considering the experimental testing conditions. The results, including ballistic limited velocity and the absorbed energy of the structure were compared and validated by the experimental solutions. The aim of this study was to investigate the effect of adding shape memory alloy wire to reinforce the face-sheets and the effect of pre strain on the ballistic behavior of the sandwich structure. The results shows that presence of the SMA wires and applying pre-strain, leads to increasing energy absorption. Comparing to the wireless sample, the absorbed energy increased about 10%, 22% and 30% in the 3-wires sample without pre-strain, 3-wires sample with 3% pre-strain and 3-wires sample with 6% pre-strain, respectively.

    Keywords: High velocity impact, sandwich panel, Corrugated core, Smart composite Face-sheet, Shape memory alloy