بررسی تأثیر خواص اتصال زمینه به الیاف بر رفتار شکست مواد مرکب

نوع مقاله : مقاله مکانیک

نویسندگان

1 Amirkabir university of technology

2 دانشکده مکانیک، دانشگاه دامغان، سمنان، ایران

3 مهندسی هوافضا، پژوهشگاه هوافضا، تهران، ایران

4 دانشکده مهندسی هوافضا، دانشگاه صنعتی امیرکبیر

10.22075/jme.2020.20598.1910

چکیده

رفتار شکست مواد مرکب حساسیت زیادی به خواص مکانیکی مادة زمینه، ویژگی سطح الیاف و خواص اتصال بین زمینه و الیاف دارد و این خواص با توجه به نوع ماده و فرآیند تولید مواد مرکب مطابق با تحقیقات پیشین آزمایشگاهی در محدودة‌ وسیعی تغییر می‌کنند. مقاله حاضر با ارائه مدل میکرومکانیکی از میکروساختار مواد مرکب، میزان اثرگذاری خواص زمینه و اتصال آن با الیاف را بر رفتار شکست مواد مرکب بررسی می‌نماید. توزیع الیاف در این مدل مطابق با مشاهدات آزمایشگاهی به صورت تصادفی و شعاع الیاف به صورت یک توزیع نرمال و با چیدمان تصادفی توصیف می‌شود. الیاف با مدل الاستیک خطی، زمینه با مدل الاستوپلاستیک همراه با معیار داکر-پراگر و اتصال بین آنها با استفاده از المان چسبناک مدل‌سازی می‌شود. رفتار شکست با تحلیل اجزای محدود سلول واحد متناوبی از میکروساختار و در کسر حجمی متفاوتی از الیاف و گستره وسیعی از خواص مواد تحلیل می‌شود. تحلیل میکرومکانیک در اندازه المان‌های مختلف، برای اطمینان از دقت محاسبات انجام خواهد شد و اندازة مناسب المان با توجه به درصد حجمی الیاف تعیین می‌گردد. میزان اثرگذاری خواص اتصال بین زمینه با الیاف شامل استحکام اتصال و انرژی شکست در دو جهت محوری و برشی و متغیر توانی انرژی شکست ترکیبی بر روی رفتار شکست سلول واحد بررسی می‌شود و با انجام تحلیل با خواص مختلف، متغیرهای دارای بیشترین تأثیر بر رفتار شکست مواد مرکب شناسایی می‌شوند.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

The effect of fiber-matrix interface properties on damage behavior of composite materials

نویسندگان [English]

  • Mohammad Palizvan 1
  • Mohammad Ali Eskandarzadeh Ershad 2
  • Mohammad Tahaye Abadi 3
  • Mohammad Homayoune Sadr 4
2 Mechanical Engineering Department, Damghan University, Semnan, Iran
3 Aerospace Research Institute, Ministry of Science, Research and Technology
4 Aerospace Engineering Department, Amirkabir University of Technology,
چکیده [English]

In this study, using a sample volumetric element, the damage behavior of composite materials has been investigated using representative volume elements (RVEs). The two damage modes of fiber-matrix debonding and matrix cracks are modeled and analyzed as dominant modes. A new algorithm is developed to generate a random distribution of fibers in the RVE, and it is possible to create a fiber distribution with a normal distribution of fiber radii. The fiber material is considered linear elastic and the elastic-plastic matrix behavior is modeled with Drucker–Prager's criterion. The fiber-matrix debonding is modeled by cohesive elements which lead to matrix cracking. Initially, the random distribution of the fiber in RVE was created based on the assumed geometric dimensions and the fiber volume percentage with the code developed in MATLAB software. then, loading, periodic boundary condition, and homogenization process have applied by using the Abaqus software. The results showed that different mesh size is needed for RVEs with various fiber volume fractions. Moreover, the effects of different cohesive zone parameters are described in detail.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Fiber-matrix debonding
  • Matrix crack
  • Cohesive element
  • RVE
  • Composite Material