فهرست مطالب

نشریه علوم و فناوری کامپوزیت
سال یازدهم شماره 2 (پیاپی 40، تابستان 1403)

  • تاریخ انتشار: 1403/06/01
  • تعداد عناوین: 6
|
  • محمود خاشعی ورنامخواستی، احسان احمدی* صفحات 2458-2467
    در این مقاله خواص بالستیک سازه-های ساندویچی با رویه های کامپوزیتی فلز- فایبر و هسته فوم ترکیبی تقویت شده با نانولوله های کربنی به صورت آزمایشگاهی بررسی شده است. برای ساخت فوم ترکیبی از رزین اپوکسی و میکروبالن های شیشه ای با کسرحجمی %30، %40 و %55 استفاده شده است. علاوه بر این، یک سری نمونه تقویت شده با کسرحجمی %40 میکروبالن و %4 نانولوله کربنی چند جداره نیز ساخته شده است. رویه های کامپوزیتی فلز-فایبر نیز در هر طرف از یک لایه آلومینیوم و دو لایه کامپوزیت پلیمری تقویت شده با الیاف شیشه تشکیل شده است. سازه ها با استفاده از دستگاه تفنگ گازی و پرتابه سرمخروطی تحت آزمایش ضربه سرعت بالا قرار گرفته اند. از نتایج این آزمایش ها برای بررسی اثر کسرحجمی میکروبالن و تقویت هسته فوم ترکیبی با نانولوله کربنی بر پارامترهای رفتار بالستیک سازه از جمله سرعت باقیمانده پرتابه، سرعت حد بالستیک و انرژی نفوذ سازه استفاده شده است. نتایج نشان داده است که افزایش کسرحجمی میکروبالن تا %40 موجب کاهش سرعت باقیمانده پرتابه و افزایش سرعت حد بالستیک و انرژی نفوذ سازه می شود. در حالیکه با افزایش بیشتر کسرحجمی میکروبالن، این اثر معکوس شده است. همچنین نتایج به دست آمده نشان دهنده تاثیر قابل توجه تقویت هسته فوم ترکیبی با نانولوله های کربنی بر خواص بالستیک این سازه بوده است.
    کلیدواژگان: فوم ترکیبی تقویت شده، خواص بالستیک، ضربه سرعت بالا، نانولوله کربنی، رویه فلز-فایبر
  • کوروش خورشیدی*، یونس حیدری صفحات 2468-2478
    در این پژوهش، ارتعاش آزاد ورق های مستطیلی مرکب پروالاستیک با در نظر گرفتن تئوری پروالاستیسیته ی بایوت و بر اساس تئوری های تغییر شکل برشی اصلاح شده مورد بررسی قرار گرفته است. معادلات حاکم بر رفتار ارتعاشی ورق مستطیلی مرکب پروالاستیک با استفاده از روش حل گلرکین و به کمک نرم افزار متمتیکا حل می گردد که حاصل آن به دست آوردن فرکانس های طبیعی بی بعد و شکل مودهای ارتعاشی برای ورق های مستطیلی مرکب پروالاستیک می باشد. در این مطالعه جهت تقریب جابجایی های ورق از تئوری های اصلاح شده ی تغییر شکل برشی نمایی، مثلثاتی، هایپربولیکی، پارابولیکی و دو تئوری مرتبه بالا استفاده شده است که در این تئوری ها تاثیر اینرسی دورانی و تغییر شکل برشی عرضی لحاظ گردیده است. همچنین برای توصیف روابط حاکم بر مواد پروالاستیک از تئوری پروالاستیسیته ی بایوت بهره گرفته شده است. تئوری های استفاده شده در این مطالعه نواقص تئوری های کلاسیک را نداشته و از این رو سبب بهبود پاسخ های استاتیکی و دینامیکی می گردد. نوآوری پژوهش حاضر، استفاده از تئوری پروالاستیسیته بر اساس تئوری های تغییر شکل برشی اصلاح شده و حل معادلات حاکم به روش گلرکین می باشد. سه حالت متقارن غیریکنواخت، نامتقارن غیریکنواخت و یکنواخت برای مدلسازی تخلخل در نظر گرفته شده و برای بررسی رفتار سیال درون حفره ها از تئوری پروالاستیسیته استفاده شده است. همچنین تاثیر پارامترهای مختلف از جمله ضریب تخلخل، ضریب تنش موثر بایوت، ضریب Skempton و نسبت طول به عرض بررسی شده است. برای بررسی دقت و درستی روش به کار رفته در این پژوهش، نتایج عددی با نتایج موجود در مراجع مقایسه شده است.
    کلیدواژگان: ارتعاش، ورق مرکب پروالاستیک، تئوری پروالاستیسیته، ضریب تخلخل، ضریب تنش موثر بایوت
  • مهدی بهرامی قلعه سفیدی، رضا مسلمانی*، محمد شیشه ساز صفحات 2479-2489
    با توجه به خصوصیات کامپوزیت های ترموپلاستیک، استفاده از آن ها مورد توجه بیشتری قرار گرفته است. تحقیق حاضر، روشی نوین بر پایه ی مایکرومکانیک را برای پیش بینی رفتار خزشی درازمدت ترموپلاستیک های تقویت شده با الیاف پیوسته تک جهته (UD) و الیاف بلند (LFT) به ترتیب مانند کامپوزیت های کربن/PEEK و شیشه/پلی اتیلن ارائه می دهد. مواد ترموپلاستیک پلی اتیلن و PEEK، دارای خصوصیات ویسکوالاستیک غیرخطی هستند که با استفاده از مدل چهار عنصری برگر مدل سازی شده اند. نتایج تجربی نشان داده اند که مدل چهار عنصری برگر، رفتار کوتاه مدت و درازمدت ماتریس های ترموپلاستیک پلی اتیلن و PEEK را با دقت بالایی پیش بینی می کند. همچنین، رفتار الیاف شیشه و کربن، الاستیک در نظر گرفته شده است. سپس، با استفاده از مدل مایکرومکانیکی ماتریس پل زنی، تاثیر ماتریس ویسکوالاستیک غیرخطی بر رفتار خزشی درازمدت کامپوزیت ها پیش بینی و اعتبارسنجی شده است. مقایسه ی نتایج مدل سازی با نتایج تجربی موجود، در پیش بینی رفتار خزشی درازمدت کامپوزیت های ترموپلاستیک تقویت شده با الیاف پیوسته (UD)، اختلاف حداکثر 12 درصدی را نشان می دهد. همچنین در کامپوزیت های ترموپلاستیک تقویت شده با الیاف بلند (LFT) اختلاف حداکثر 10 درصدی را نشان می دهد.
    کلیدواژگان: کامپوزیت ترموپلاستیک، خزش، مدل برگر، مدل مایکرومکانیکی ماتریس پل زنی
  • محمدعلی زمانی، رضوان عابدینی*، هادی قربانی صفحات 2490-2500

    جوشکاری پیوسته فراصوتی یکی از روش های جدید و بسیار سریع برای اتصال دهی کامپوزیت های گرمانرم می باشد که در آن با استفاده از امواج فراصوتی توان بالا با فرکانس 20kHz و انتقال آن به فصل مشترک صفحات کامپوزیتی که دارای هم پوشانی مشخص می باشند، حرارت ویسکوالاستیک تولیدی منجر به ذوب پلیمر می شود. هم زمان با اعمال فشار، فرآیند جوشکاری صفحات کامپوزیت در راستای دلخواه بصورت پیوسته انجام می شود. در این پژوهش ابتدا با ساخت صفحات کامپوزیت شیشه پلی آمید6 و طرح ریزی آزمایش های جوشکاری پیوسته فراصوتی اثر سه پارامتر اصلی این فرآیند شامل توان جوشکاری، سرعت و فشار جوشکاری بر استحکام برشی جوش پیوسته بررسی شد. برای توجیه اثر هرکدام از پارامترها بر روی استحکام جوش از تصاویر سطح شکست اتصال جوش توسط میکروسکوپ نوری و الکترون روبشی بهره گرفته شد. درنهایت مشخص شد که پارامتر توان رابطه مستقیم و پارامترهای سرعت و فشار رابطه معکوس با استحکام برشی جوش پیوسته فراصوتی کامپوزیت شیشه پلی آمید6 دارند؛ علاوه بر آن توان بیشترین و فشار کمترین تاثیر را بر استحکام جوش دارد.

    کلیدواژگان: جوش پیوسته فراصوتی، کامپوزیت گرمانرم، شیشه پلی آمید 6، استحکام برشی اتصال
  • احسان نوری پرکستانی، احسان احمدی* صفحات 2501-2511
    در این پژوهش رفتار ضربه سرعت بالا در سازه های ساندویچی با رویه-های FML و هسته فوم ترکیبی تقویت شده با الیاف شیشه به صورت آزمایشگاهی مورد مطالعه قرار گرفته است. برای این منظور، فوم ترکیبی با استفاده از رزین اپوکسی و میکروبالن های شیشه ای با درصدحجمی های 20%، 30% و 60% ساخته شده است. رویه های FML نیز در هر طرف از دو لایه کامپوزیت پلیمری تقویت شده با الیاف شیشه و یک لایه ورق آلومینیومی تشکیل شده است. علاوه بر این، یک سری نمونه تقویت شده با درصدحجمی 30% میکروبالن و %15 الیاف شیشه خرد شده نیز ساخته شده است. نمونه ها با استفاده از یک دستگاه تفنگ گازی تک مرحله ای و شلیک پرتابه سرمخروطی آلومینیومی، تحت آزمایش ضربه سرعت بالا قرار گرفته اند. از نتایج آزمایش های انجام شده برای بررسی اثر درصدحجمی میکروبالن و همچنین تقویت هسته فوم ترکیبی با الیاف شیشه بر پارامترهای رفتار ضربه سرعت بالا سازه شامل سرعت باقی مانده پرتابه، سرعت حد بالستیک و انرژی نفوذ سازه استفاده شده است. نتایج به دست آمده نشان داده است که با افزایش درصدحجمی میکروبالن از 20% تا 30% سرعت باقی مانده پرتابه کاهش و سرعت حد بالستیک و انرژی نفوذ سازه افزایش یافته در حالیکه با افزایش بیشتر درصدحجمی میکروبالن از 30% تا 60%، روند تغییرات برعکس شده است. همچنین نتایج به دست آمده نشان داده که تقویت هسته فوم ترکیبی با الیاف شیشه موجب بهبود قابل توجه رفتار ضربه سرعت بالای این سازه شده است.
    کلیدواژگان: سازه ساندویچی، رفتار ضربه سرعت بالا، فوم ترکیبی تقویت شده با الیاف شیشه، رویه FML
  • رضا سرخوش* صفحات 2512-2520
    این پژوهش ساختار لانه زنبوری گرادیانی جدیدی را به عنوان جاذب انرژی معرفی می کند که الگوی تکرار سلول های واحد آن از گل آفتابگردان الهام گرفته شده است. همچنین به ارزیابی و مقایسه مولفه های ضربه پذیری و تغییرشکل این ساختار با ساختار لانه زنبوری سنتی می پردازد. در این پژوهش اثر پرکردن ساختار مشبک لانه زنبوری با فوم پلی اورتان سخت بر جذب انرژی و استحکام ساختار مورد مطالعه قرارگرفته است. در ابتدا چهار نوع لانه زنبوری با پرینتر سه بعدی FDM با ابعاد 70×70×70 میلی متر با جنس پلی لاکتیک اسید (PLA) ساخته شد. سپس فوم دو جزئی پلی اورتان به فضای خالی میان سلول ها تزریق شد، در ادامه نمونه ها تحت بارگذاری فشاری شبه استاتیکی قرار گرفتند و نمودار نیرو-جابه جایی حاصل از آزمایش استخراج شد. در نهایت به بررسی مولفه های ضربه پذیری، مانند جذب انرژی، جذب انرژی ویژه و بازده نیروی لهیدگی پرداخته شده است. نتایج تحلیل تجربی نشان داد ساختار پیشنهادی لانه زنبوری الهام گرفته از گل آفتابگردان با افزایش 4 و 6 درصدی جذب انرژی ویژه و بازده نیروی لهیدگی، عملکرد بهتری نسبت به ساختار لانه زنبوری سنتی در کاربردهای جذب انرژی دارد. همچنین به کارگیری فوم پلی اورتان در ساختارهای مشبک لانه زنبوری سنتی و لانه زنبوری الهام گرفته از گل آفتابگردان باعث افزایش 16 و 10 درصدی جذب انرژی و میانگین نیروی لهیدگی شد که نشان از افزایش استحکام و بهبود عملکرد آن دارد.
    کلیدواژگان: ساختارلانه زنبوری، جاذب انرژی، پرینتر سه بعدی، فوم پلی اورتان، گل آفتابگردان
|
  • Mahmoud Khashei Varnamkhasti, Ehsan Ahmadi * Pages 2458-2467
    In this paper, an experimental investigation was conducted to study the ballistic properties of sandwich structures with fiber-metal laminate skins and reinforced syntactic foam core with carbon nanotubes. The syntactic foam was produced using epoxy resin and glass microballoon with volume fractions of 30%, 40%, and 55%. In addition, a series of reinforced samples was created using 40% volume fraction of microballoon and 4% multi-walled carbon nanotubes. The composite fiber-metal laminate skins on each side of the cores were made of one aluminum layer sheet and two layers of glass fiber reinforced polymer composite (GFRP). The structures were subjected to high-velocity impact tests using a gas gun and a conical head projectile. The results were analyzed to determine the effects of microballoon volume fraction and carbon nanotubes reinforced foam on the ballistic behavior of sandwich structures. The experiments showed that increasing microballoon volume fraction up to 40% decreased the projectile residual velocity and increased the ballistic limit velocity and penetration energy. Furthermore, reinforcing syntactic foam with carbon nanotubes significantly affected the ballistic properties of the structure.
    Keywords: Reinforced Syntactic Foam, Ballistic Properties, High-Speed Impact, Carbon Nanotube, Fiber-Metal Laminate Skin
  • Korosh Khorshidi *, Younes Heydari Pages 2468-2478
    In this research, the free vibration of poroelastic composite rectangular plates has been investigated considering Biot's theory of proelasticity and based on modified shear deformation theories. The governing equations of the vibration behavior of poroelastic composite rectangular plate are solved using the Galerkin method and with the help of Mathematica software, which results in obtaining dimensionless natural frequencies and the shape of vibration modes for poroelastic composite rectangular plates. In this study, modified theories of exponential, trigonometric, hyperbolic, parabolic and two high-order shear deformation theories have been used to approximate plate displacements, in which the effect of rotational inertia and transverse shear deformation have been considered. Biot's theory of poroelasticity has also been used to describe the relations governing poroelastic materials. The theories used in this study do not have the shortcomings of classical theories, and hence improve the static and dynamic responses. The innovation of the current study is the use of the theory of poroelasticity based on the theory of modified shear deformation and the solution of the governing equations using the Galerkin method. Three non-uniform symmetric, non-uniform asymmetric and uniform distributions are considered for porosity modeling and poroelasticity theory is used to investigate fluid behavior inside cavities. Also, the influences of different parameters including porosity coefficient, Biot’s effective stress coefficient, Skempton coefficient and length-to-width ratio have been investigated. To check the accuracy of the method used in this research, the numerical results were compared with the results in the references.
    Keywords: Vibration, Poroelastic Composite Plate, Poroelasticity Theory, Porosity Coefficient, Biot’S Effective Stress Coefficient
  • Mahdi Bahrami Gh., Reza Mosalmani *, Mohammad Shishehsaz Pages 2479-2489
    Due to the characteristics of thermoplastic composites, their use has received increasing attention. The present research proposes a novel micromechanics-based method for predicting the long-term creep behavior of thermoplastics reinforced with unidirectional continuous fibers (UD) and long fibers (LFT), such as carbon/PEEK and glass/polyethylene composites. Polyethylene and PEEK thermoplastic materials exhibit nonlinear viscoelastic properties, which are modeled using the four-element Berger's model. Experimental results have demonstrated that Berger's four-element model accurately predicts both the short-term and long-term behavior of thermoplastic polyethylene and PEEK matrices. Additionally, the behavior of glass and carbon fibers is considered elastic in this study. Using the micromechanical model of the bridging matrix, the influence of the nonlinear viscoelastic matrix on the long-term creep behavior of composites has been predicted and validated. A comparison of the modeling results with available experimental data shows a maximum difference of 12% in predicting the long-term creep behavior of thermoplastic composites reinforced with continuous fibers (UD) and a maximum difference of 10% in thermoplastic composites reinforced with long fibers (LFT).
    Keywords: Thermoplastic Composite, Creep, Burger’S Model, Bridging Matrix Micromechanics Model
  • Mohammadali Zamani, Rezvan Abedini *, Hadi Ghorbani Pages 2490-2500

    Continuous ultrasonic welding is one of the new and very fast methods for joining thermoplastic composites, in which by using high power ultrasonic waves with a frequency of 20kHz and transferring it to the interface of the composite plates that have a certain overlap, the viscoelastic heat produced leads to the melting of the polymer and at the same time as the pressure is applied, the welding process of the composite plates in the desired direction is done continuously. In this research, the effect of three main parameters of this process, i.e., welding power, welding speed and pressure, on the lap shear strength of continuous ultrasonic welding is investigated by making glass-polyamide 6 composite plates and planning continuous ultrasonic welding experiments. To justify the effect of each parameter on the welding strength, The images of the fracture surface of the weld joint were used by optical and scanning electron microscopes. Finally, it was found that the power parameter has a direct relationship and the speed and pressure parameters have an inverse relationship with the lap shear strength of continuous ultrasonic welding glass-polyamide6 composite.additionally, power has the greatest effect and pressure has the least effect on weld strength.

    Keywords: Continuous Ultrasonic Welding, Thermoplastic Composite, GF, PA6, Shear Strength
  • Ehsan Noori Parkestani, Ehsan Ahmadi * Pages 2501-2511
    In this research, the high-velocity impact behavior of sandwich structures with FML skins and glass fiber-reinforced syntactic foam core was conducted, experimentally. The syntactic foam was produced using epoxy resin and glass microballoon with 30%, 40%, and 60% volume fractions. The FML skins on each side of the cores comprised two layers of glass fiber-reinforced polymer composite (GFRP) and one aluminum layer sheet. In addition, a series of reinforced samples were created using 30% volume fraction of microballoon and 15% chopped glass fibers. The samples were subjected to high-velocity impact tests using a one-stage gas gun and a conical-head aluminum projectile. The results were used to investigate the effects of microballoon volume fraction and glass fiber-reinforced syntactic foam core on the high-velocity impact behavior of structures. The results showed that increasing the microballoon volume fraction from 20% to 30% decreased the projectile residual velocity and increased the ballistic limit velocity and penetration energy. Furthermore, reinforcing syntactic foam with glass fiber significantly affected the high-velocity impact behavior of the structure.
    Keywords: Sandwich Structures, High-Velocity Impact Behavior, Glass Fiber Reinforced Syntactic Foam, FML Skin
  • Reza Sarkhosh * Pages 2512-2520
    This research introduces a novel gradient honeycomb structure as an energy absorber inspired by the sunflower pattern. It evaluates and compares the crashworthiness parameters and deformation mode of this structure with traditional honeycomb structures. In this research, the effect of filling the honeycomb lattice structure with rigid polyurethane foam on energy absorption and structural strength is investigated. Initially, four types of honeycomb samples with dimensions of 70×70×70 mm were fabricated using an FDM 3D printer with polylactic acid (PLA) material. Subsequently, two-component polyurethane foam was injected into the space between the cells. Next, the samples were subjected to quasi-static compressive loading, and the force-displacement diagram obtained from the test was extracted. Finally, crashworthiness parameters such as energy absorption, specific energy absorption, and crushing force efficiency have been investigated. Experimental results demonstrated that the proposed sunflower-inspired honeycomb structure exhibited a 4% and 6% increase in specific energy absorption and crushing force efficiency, respectively, compared to traditional honeycomb structures in energy absorption applications. Additionally, the use of polyurethane foam in both conventional and sunflower-inspired honeycomb lattice structures led to a 16% and 10% increase in energy absorption and average crushing force, respectively, indicating increased strength and improved performance.
    Keywords: Honeycomb Structure, Polyurethane Foam, 3D Printer, Energy Absorber, Sunflower