علوم و فناوری کامپوزیت

مطالعه اثرات بارگذاری حرارتی خستگی بر رشد ترک و شکست در مود اول تورق چندلایه‌های کامپوزیتی با استفاده از روش برهم‌کنش تصاویر دیجیتالی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 کارشناسی ارشد، مهندسی مکانیک، دانشگاه کاشان، کاشان.

2 استاد، مهندسی مکانیک، دانشگاه کاشان، کاشا ن.

چکیده

در این پژوهش اثرات سیکل حرارتی خستگی بر روی چقرمگی شکست و بیشینه نیرو در مود اول تورق کامپوزیتهای زمینه پلیمری به صورت تحلیلی و تجربی بررسی شده است. برای مطالعه تحلیلی و تجربی، بارگذاری حرارتی نمونههایی شبیه تیر یک سر گیردار با چیدمان 16 لایه تک جهته با استفاده از الیاف شیشه تک جهته و رزین اپوکسی ساخته شدند. نمونهها تحت سیکل حرارتی بین دو دمای 15 و 65 درجه سانتیگراد برای بارگذاری 50 تا 150 سیکل قرار گرفتند. یک گروه از نمونه های بدون بارگذاری حرارتی سیکلی، بعنوان گروه کنترل نیز مورد بررسی قرار گرفتند. در هنگام آزمایش و دریافت نتایج از دستگاه آزمون کشش، نمونهها با استفاده از روش برهمکنش تصاویر دیجیتالی دو دوربین به منظور اندازه گیری طول ترک و باز شدگی دهانه ترک اولیه به دقت مورد ارزیابی و مشاهده دقیق قرار گرفتند و نرخ رهایی انرژی کرنشی برای محاسبه چقرمگی شکست بحرانی از داده های تجربی مورد استفاده قرار گرفت. با استفاده از روش توالی تصاویر، پروفایل جدایش نوک پیشترک اولیه به دست آمد. قوانین المانهای ناحیه چسبناک برای مدل کردن دقیق نتایج آزمونهای تجربی در نرم افزار المان محدود آباکوس مورد استفاده قرار گرفت. بررسی تغییرات نیرو نشان داد که چقرمگی شکست بحرانی در مود اول تورق به شدت متاثر از پروسه خستگی حرارتی می باشد، و بصورت غیرخطی با بارگذاری سیکلی حرارتی کاهش می یابد.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Investigation of thermal fatigue effects on crack propagation and mode I delamination of multilayer laminated composites using digital image correlation

نویسندگان [English]

  • Behzad Moslemi-Abyaneh 1
  • Ahmad Reza Ghasemi 2

1 Department of Mechanical Engineering, University of Kashan, Kashan, Iran.

2 Department of Mechanical Engineering, University of Kashan, Kashan, Iran.

چکیده [English]

In this research, the influence of thermal cycling on the fracture toughness and maximum load in mode I delamination of polymer matrix composites (PMCs) is investigated experimentally and analytically. To eliminate the effect of the remote ply orientation on the fracture toughness during delamination initiation and propagation, double cantilever beam (DCB) specimens with a stacking sequence of [0]16 using uni-directional glass fibers and epoxy resin were considered. The specimens were thermal-cycled between 15°C and 65°C for 50-150 cycles. One group of uncycled specimens were tested at the commencement of the investigation as a control group. During the DCB test and receiving universal tensile machine results, the specimens were inspected by 2 real-time cameras to record the delamination length and initial crack tip opening displacement (ICTOD). The strain energy release rate (SERR) approach was used for obtaining the critical fracture toughness (GIC) from the experimental data. By employing the digital image correlation (DIC) method, the initial crack tip separation profile was obtained. The measured bridging laws were used with cohesive elements in ABAQUS commercial software to accurately model the delamination propagation in DCB specimens. Investigation of load variations revealed that critical fracture toughness in mode I of delamination is firmly affected by the thermal fatigue process.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Delamination
  • Thermal cycling
  • Double cantilever beam
  • Interlaminar fracture toughness
  • Laminated composite
مراجع
[1] Shokrieh, M. M., Salamat-Talab, M. and  Heidari-Rarani, M., “Dependency of Bridging Traction of Dcb Composite Specimen on Interface Fiber Angle“ Theoretical and Applied Fracture Mechanics, Vol. 90, pp. 22-32, 2017.
[2] ASTM, D., “5528-01: Standard Test Method for Mode I Interlaminar Fracture Toughness of Unidirectional Fiber-Reinforced Polymer Matrix Composites“ Annual book of ASTM standards, Vol. 15, 2001.
[3] Kravchenko, O. G., Kravchenko, S. G. and  Sun, C.-T., “Thickness Dependence of Mode I Interlaminar Fracture Toughness in a Carbon Fiber Thermosetting Composite“ Composite Structures, Vol. 160, pp. 538-546, 2017.
[4] Farmand-Ashtiani, E., Cugnoni, J. and  Botsis, J., “Specimen Thickness Dependence of Large Scale Fiber Bridging in Mode I Interlaminar Fracture of Carbon Epoxy Composite“ International Journal of Solids and Structures, Vol. 55, pp. 58-65, 2015.
[5] Shokrieh, M., Heidari-Rarani, M. and  Ayatollahi, M., “Delamination R-Curve as a Material Property of Unidirectional Glass/Epoxy Composites“ Materials & Design, Vol. 34, pp. 211-218, 2012.
[6] Rocandio, C., Viña, J., Argüelles, A. and  Rubiera, S., “Study of Fatigue Behavior of Epoxy‐Carbon Composites under Mixed Mode I/Ii Loading“ Advanced Engineering Materials, Vol. 20, No. 2, pp. 1700569, 2018.
[7] Low, K., Teng, S., Johar, M., Israr, H. and  Wong, K., “Mode I Delamination Behaviour of Carbon/Epoxy Composite at Different Displacement Rates“ Composites Part B: Engineering, Vol. 176, pp. 107293, 2019.
[8] Heidari-Rarani, M., Shokrieh, M. and  Camanho, P., “Finite Element Modeling of Mode I Delamination Growth in Laminated Dcb Specimens with R-Curve Effects“ Composites Part B: Engineering, Vol. 45, No. 1, pp. 897-903, 2013.
[9] Bae, H., Kang, M., Woo, K., Kim, I.-G. and  In, K.-h., “Test and Analysis of Modes I, Ii and Mixed-Mode I/Ii Delamination for Carbon/Epoxy Composite Laminates“ International Journal of Aeronautical and Space Sciences, Vol. 20, No. 3, pp. 636-652, 2019.
[10] Wang, Z., Zhao, J., Ma, X., Wang, S. and  Yang, X., “Numerical Simulation of Progressive Delamination in Composite Laminates under Mode I and Mode Ii Loadings“ Mechanics of Composite Materials, Vol. 56, No. 6, pp. 735-746, 2021.
[11] Gong, Y., Chen, X., Tao, J., Zhao, L., Zhang, J. and  Hu, N., “A Simple Procedure for Determining the Mode I Bridging Stress of Composite Dcb Laminates without Measuring the Crack Opening Displacement“ Composite Structures, Vol. 243, pp. 112147, 2020.
[12] De Moura, M., Campilho, R. and  Gonçalves, J., “Crack Equivalent Concept Applied to the Fracture Characterization of Bonded Joints under Pure Mode I Loading“ Composites Science and Technology, Vol. 68, No. 10-11, pp. 2224-2230, 2008.
[13] Dávila, C. G., Rose, C. A. and  Camanho, P. P., “A Procedure for Superposing Linear Cohesive Laws to Represent Multiple Damage Mechanisms in the Fracture of Composites“ International Journal of Fracture, Vol. 158, No. 2, pp. 211-223, 2009.
[14] Floros, I., Tserpes, K. and  Löbel, T., “Mode-I, Mode-Ii and Mixed-Mode I+ Ii Fracture Behavior of Composite Bonded Joints: Experimental Characterization and Numerical Simulation“ Composites Part B: Engineering, Vol. 78, pp. 459-468, 2015.
[15] Fernandes, R. L., De Moura, M. and  Moreira, R., “Effect of Moisture on Pure Mode I and Ii Fracture Behaviour of Composite Bonded Joints“ International Journal of Adhesion and Adhesives, Vol. 68, pp. 30-38, 2016.
[16] Coronado, P., Argüelles, A., Viña, J., Mollón, V. and  Viña, I., “Influence of Temperature on a Carbon–Fibre Epoxy Composite Subjected to Static and Fatigue Loading under Mode-I Delamination“ International Journal of Solids and Structures, Vol. 49, No. 21, pp. 2934-2940, 2012.
[17] Tabatabaeian, A. and  Ghasemi, A. R., “Curvature Changes and Weight Loss of Polymeric Nano-Composite Plates with Consideration of the Thermal Cycle Fatigue Effects and Different Resin Types: An Experimental Approach“ Mechanics of Materials, Vol. 131, pp. 69-77, 2019.
[18] Ghasemi, A. and  Moradi, M., “Effect of Thermal Cycling and Open-Hole Size on Mechanical Properties of Polymer Matrix Composites“ Polymer Testing, Vol. 59, pp. 20-28, 2017.
[19] Ghasemi, A. and  Moradi, M., “Low Thermal Cycling Effects on Mechanical Properties of Laminated Composite Materials“ Mechanics of Materials, Vol. 96, pp. 126-137, 2016.
[20] Schindelin, J., Arganda-Carreras, I., Frise, E., Kaynig, V., Longair, M., Pietzsch, T., Preibisch, S., Rueden, C., Saalfeld, S. and  Schmid, B., “Fiji: An Open-Source Platform for Biological-Image Analysis“ Nature methods, Vol. 9, No. 7, pp. 676-682, 2012.
[21] GmbH, G., Digital Image Correlation and Strain Computation Basics, GOM GmbH Braunschweig, Germany, 2016.
[22] Testing, A. S. f. and  Materials, “Standard Test Method for Tensile Properties of Polymer Matrix Composite Materials“,  ASTM international, 2006.
[23] International, A., “Astm D638-14, Standard Test Method for Tensile Properties of Plastics“,  ASTM International, 2015.
[24] Wells, A. A., George Rankin Irwin. 26 February 1907—9 October 1998: Elected For. Mem. Rs 1987, The Royal Society, 2000.
علوم و فناوری کامپوزیت
دوره 8، شماره 3
آذر 1400
صفحه 1652-1643
فایل ها
هم رسانی
ارجاع به این مقاله
آمار