نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 استادیار،دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه علم و صنعت ایران ، تهران، ایران

2 دانشجوی کارشناسی ارشد، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه علم و صنعت ایران ، تهران، ایران

3 استادیار، مهندسی مکانیک، دانشگاه تربیت مدرس،تهران، ایران

چکیده

در این تحقیق، خرابی ترک‌خوردگی ماتریسی و جدایی بین لایه‌ای ناشی از ترک ماتریسی در چندلایه‌های متعامد [0n/90m]s و زاویه‌ای [θ/-θ]s تحت بارگذاری کششی و برشی با روش خرابی تک لایه بررسی شده است. میدان تنش و جابجایی با استفاده از فرضیات و شرایط مورد نظر و با به‌کارگیری روش بهبود لایه‌ای تعیین می شوند. هم‌چنین، با استفاده از فرض بسته‌شدن ترک لایه حاوی خرابی، روابط درونی مابین خواص لایه حاوی خرابی و لایه سالم استخراج شد. با به‌کارگیری روابط درونی و میدان تنش و کرنش به‌دست آمده خواص لایه حاوی خرابی پیش‌بینی شده و با استفاده از نتایج افت سفتی، نرخ رهایی انرژی کرنشی ناشی از خرابی‌های ترک ماتریسی و جدایی بین لایه‌ای محاسبه شد. نتایج به‌دست آمده، با روش حساب تغییرات، روش اجزاء محدود و مشاهدات و نتایج آزمایشگاهی مقایسه شدند. هماهنگی خوبی بین نتایج افت خواص مکانیکی روش تک‌لایه با روش‌های حساب تغییرات، روش اجزاء محدود و مشاهدات و نتایج آزمایشگاهی مشاهده شد. با مقایسه نتایج نرخ رهایی انرژی روش تک لایه و روش‌های حساب تغییرات و روش اجزاء محدود مشاهده شد که نتایج روش تک‌لایه به‌دلیل اختلاف در شیب تغییرات سفتی همراه با خطا است. در نهایت، دقت و صحت روش مایکرومکانیکی تک‌لایه در پیش‌بینی خواص چندلایه حاوی خرابی و عدم دقت نتایج نرخ رهایی انرژی حاصله اثبات شد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Matrix Cracking and Induced Delamination in Symmetrically Laminated Composites Subjected to Static Loading by using Multi Scale Damage Mechanics

نویسندگان [English]

  • Bijan Mohammadi1 1
  • somayeh asl kamkar 2
  • amin farrokhabadi 3

1 School of Mechanical Engineering, Iran University of Science and Technology, Tehran, Iran

2 School of Mechanical Engineering, Iran University of Science and Technology, Tehran, Iran

3 Department of Mechanical Engineering, Tarbiat Modares University, Tehran, Iran

چکیده [English]

Matrix Cracking and induced delamination in symmetric cross-ply, [0m/90n]s, and angle-ply, [θ/-θ]s, laminated composites under axial and shear loading are studied by multi-scale micro-meso approach. The stress transfer model is implemented to predict the stress and displacement distribution incorporated with the ply-refinement technique in laminates. By considering crack closure condition, a series of useful inter-relationships between thermo-elastic constants for damaged and corresponding undamaged laminates are derived. By using both of stress and displacement fields and these inter-relationships the properties of damaged laminated structure are achieved. These obtained properties are used to calculate the energy release rate in load control condition for the initiation and growth of matrix cracking and induced delamination in cross-ply symmetric laminates with [0m/90n]s layup. The obtained results of mechanical properties degradation show a good agreement with the results of experiments, variational approach and finite element methods (FEM) existed in literature. By comparing the results of the energy release rate of single-layer method with variational approach and finite element methods, it was observed that the results of proposed single-layer have a considerable error due to differences in slop of stiffness versus crack density.Finally, the accuracy of single-layer micromechanical approach in predicting the mechanical properties and inaccuracies in predicting of energy release rate was confirmed

کلیدواژه‌ها [English]

  • Matrix Cracking
  • Induced Delamination
  • Reduced Mechanical Properties
  • Energy release rate
  • Multi Scale Damage Modeling

[1] Farrokhabadi, A. and Naghdi Nasab, M., “Micromechanical Study Of Fibre- Matrix Debonding And Matrix Cracking Using Cohesive Zone Model And Extended Finite Element Method,” In Persian, Journal of Science and Technology of Composites, Vol. 3, No. 1, pp. 21-30, 2016.

[2] Tahaye Abadi, M., “Micromechanical Fracture Modeling Of Unidirectional Composite Material Under Transverse Loading”, In Persian, Journal of Science and Technology of Composites, Vol. 3, No. 1, pp. 93-106, 2016.

[3] Talreja, R. Chandra Veer Singh, “Damage and Failure of Composite Material”, Cambridge University Press, United States of America, pp. 134-141, 2012.

[4] Ghayour, M.H., Hosseini-Toudeshky, H., Jalalvand, M., and Barbero, E.J., “Micro/Macro Approach for Prediction of Matrix Cracking Evolution in Laminated Composites”, Journal of Composite Materials, Vol. 50,No. 19, pp. 2647-2659, 2016.

 [5] Allix, O. and Ladeveze, P., “Interlaminar Interface Modelling for the Prediction of Delamination”, Journal of Composite Structure, Vol. 22, pp. 235-242, 1992.

[6] Cox, H.L.,"The Elasticity and Strength of Paper and other Fibrous Material", British Journal of Applied Physics, Vol. 1, pp.72-79, 1952.

[7] Highsmith, A.L. and Reifsnider, K.L.,"Stiffness Reduction Mechanisms in Composite Laminates", Damage in Composite Materials, ASTM STP 775, K. L. Reifsnider ed., Philadelphia, pp. 103-117, 1982.

[8] Lim, S.G. and Hong, C.S., "Prediction of Transverse Cracking and Stiffness Reduction in Cross-ply Laminate Composites", Journal of Composite Materials,Vol. 23,pp. 695–713, 1989.

[9] Isometsa, J. and Lahtinen, H.,"Criteria for Matrix Failure in Continous FRP-Composites A Literature Study.Part I: Matrix Cracking", Rakenteiden Mekaniikka,Vol. 29, No.1,pp. 3-28, 1996.

[10] Johnson, P., and Chnag, F.K., "Characterization of Matrix Crack-Induced Laminate Failure-Part II: Analysis and Verification",Journal of Composite Materials, Vol. 35, No. 22, pp. 2037-2074, 2001.

[11] Hashin, Z., "Analysis Of Cracked Laminates: A Variational Approach", Mechanics of Materials, Vol.4, pp.121-136, 1985.

[12] Herakovich, Carl, T.,"Mechanics of Fibrous Composites", John Wiley and sons Inc, University of Virginia, United States of America, pp. 185-190, 1998.

[13] FarrokhAbadi, A. Hoseini-Toudeshky, H. and Mohammadi, B., "Damage analysis of laminated composites using a new coupled micro-meso approach", Fatigue and Fracture of Engineering Materials and Structures, Vol.33, pp.420-435, 2010.

[14] McCartney, L.N.,"Model to predict effects of tiaxial loading on ply cracking in general symmetric laminates",J.Composite Science and Technology, Vol. 60, pp. 2255-2279, 2000.

[15] Keshmiri, A., "Matrix Microcracking and Induced Delamination in Cross-Ply Symmetrically-Laminated Composites Subjected to Multi-axial In-Plane Static Loading by using Multi-Scale Damage Mechanics", In Persian, MSc Thesis, Iran University of Science and Technology, Iran, 2015.

[16] Rashtiani, H.A., "Matrix Crack and Delamination Analyses in Composite Laminates by FEM Based Micromechanical Approach", In Persian, MSc Thesis, Amirkabir University of Technology, Iran, 2011.

[17] Daniel, I.M., and Tsai, C.L., “Analytical/Experimental Study of Cracking in Composite Laminates under Biaxial Loading”, Composites Engineering, Vol. 1, pp. 355-362, 1991.