نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

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

2 دانشیار، مهندسی مکانیک، دانشگاه علم و صنعت ایران، تهران.

چکیده

کامپوزیت‌ها به دلیل استحکام بالا و وزن کم در انواع مختلفی از سازه‌ها از جمله توربین‌ها، موشک‌ها، اتومبیل‌ها و موارد دیگر کاربرد دارند و ممکن است تحت بارگذاری دینامیکی قرار گیرند. بنابراین به منظور طراحی مناسب سازه، اطلاع از رفتار مکانیکی مواد کامپوزیتی در بارگذاری‌های دینامیکی مهم می‌باشد. دستگاه تست هاپکینسون فشاری ابزاری بسیار مناسب برای مطالعـه‌ی رفتـار دینـامیکی مـواد در نرخ کرنش‌های بالا می‌باشد. در این مقاله اصول طراحی دستگاه هاپکینسون فشاری برای نمونه‌های کامپوزیتی بررسی و به منظور تعیین رفتار دینامیکی اینگونه مواد، این دستگاه در کد تجاری آباکوس شبیه‌سازی شده است. رفتار نمونه‌ی کامپوزیتی S-2 glass/sc15 epoxy در جهت ضخامت توسط دستگاه هاپکینسون فشاری طراحی‌شده شبیه‌سازی شده است. برای ایجاد شکل موج حادثه مناسب و برقراری شرط نرخ کرنش ثابت و تعادل تنش دینامیکی، پارامترهای تاثیرگذار از جمله قطر و ضخامت شکل دهنده پالس و طول میله‌ی ضربه‌زن مورد مطالعه قرار گرفته است. همچنین با مقایسه‌ی امواج حاصل از شبیه‌سازی با نتایج تجربی این نمونه کامپوزیتی، شبیه‌سازی دستگاه هاپکینسون فشاری صحت سنجی شده است. در نهایت با استفاده از شکل‌دهنده موج از جنس مس با ابعاد مناسب، موج حادثه مناسب برای نمونه S-2 glass/sc15 epoxy در دو نرخ کرنش s-1 550 و s-1 2250 ایجاد شده است که شرایط نرخ کرنش ثابت و تعادل دینامیکی در دو نرخ کرنش برقرار شده است.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Finite element simulation of Hopkinson compression test to investigate the dynamic behavior of composite materials

نویسندگان [English]

  • Maryam Mohamadzadeh 1
  • Behnam Davoodi 2

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.

چکیده [English]

Due to their high strength and low weight, composites are used in various structures, including turbines, missiles, cars, and more, and maybe subjected to dynamic loading. Therefore, to properly design the structure, it is crucial to know the mechanical behavior of composite materials in dynamic loads. The Hopkinson compression tester is a useful tool for studying the dynamic behavior of materials at high strain rates. In this paper, the Hopkinson compression system's design principles for composite samples are mentioned, and to determine the dynamic behavior of such materials, this system by ABAQUS software. The behavior of the S-2 glass/sc15 epoxy composite sample in the thickness direction is simulated by a compression Hopkinson system. To create an appropriate incident waveform and to establish the condition of constant strain rate and dynamic stress equilibrium, effective parameters of pulse shaper included diameter, thickness, and the length of the sticker bar was investigated. By comparing the waves obtained from the simulations with the experimental results of this composite sample, the compression Hopkinson simulation has been validated. Finally, using a copper pulse shaper with appropriate dimensions, the appropriate incident wave for the S-2 glass / sc15 epoxy sample is created at two strain rates of 550 and 2250. The conditions of constant strain rate and dynamic equilibrium are established in two strain rates.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Compression Hopkinson test
  • Dynamic behavior of composite
  • high strain rate
  • pulse shaper
  • S-2 glass/sc15 epoxy composite
[1] Shokrieh, M. M. and Omidi, M. J., “The Impact Resistance of Fiber-Reinforced Polymer Composites: A Review,” In Persian, Iranian Journal of Polymer Science and Technology, Vol. 24, pp. 255-277, 2011.
[2] Spaniol, J. R., “Design of a Split Hopkinson Pressure Bar Facility for Dynamic Material Characterization,” MSc Thesis, Rutgers University, New Jersey, 2019.
[3] Song, B., Chen, W. and Weerasooriya, T., “Quasi-Static and Dynamic Compressive Behaviors of a S-2 Glass/Sc15 Composite,” Journal of Composite Materials, Vol. 37, No. 19, pp. 1723-1743, 2003.
[4] Tasdemirci, A. and Hal, I. W., “Numerical and Experimental Studies of Damage Generation in a Polymer Composite Material at High Strain Rates,” Journal of Polymer testing, Vol. 25, No. 6, pp. 797-806, 2006.
[5] Arbaoui, J., Tarfaoui, M. and Alaoui, A. E. M., “Mechanical Behavior and Damage Kinetics of Woven E-Glass/Vinylester Laminate Composites under High Strain Rate Dynamic Compressive Loading: Experimental and Numerical Investigation,” International Journal of Impact Engineering, Vol. 87, pp. 44-54, 2016.
[6] Hu, J., Yin, S., Yu, T. and Xu, J., “Dynamic Compressive Behavior of Woven Flax-Epoxy-Laminated Composites,” International Journal of Impact Engineering, Vol. 117, pp. 63-74, 2018.
[7] Chen, W. W. and Song, B., “Split Hopkinson (Kolsky) Bar: Design, Testing and Applications,” Springer Science & Business Media, 2010.
[8] Gama, B. A., “Split Hopkinson Pressure Bar Technique: Experiments, Analyses and Applications,” PhD Thesis, University of Delaware, USA 2004.
[9] Gray III, G. T., “Classic Split Hopkinson Pressure Bar Testing,” ASM handbook, Vol. 8, pp. 462-476, 2000.
[10] Accessed; http://www.matweb.com/search/datasheet.aspx?matguid=adaadfebfb20417db13ce8d3683dbccc.
[11] Naghdabadi, R., Ashrafi, M. and Sohrabpour, S., “Experimental and Numerical Study of Parameters Shaping the Incident Pulse in Split Hopkinson Pressure Bar Test,” In Persian, Scientific Journal of Aerospace Mechanics, Vol. 6, No. 4, PP. 71-80, 2010.
[12] Bertarelli, A., “Beam-Induced Damage Mechanisms and Their Calculation,” arXiv preprint arXiv:1608.03056, 2016.
[13] Committee, A. I. H., “Asm Handbook: Mechanical Testing and Evaluation,” ASM International, 2000.
[14] Chen, W., Subhash, G. and Ravichandran, G., “Evaluation of Ceramic Specimen Geometries Used in a Split Hopkinson Pressure Bar,” Dymat Journal, Vol. 1, No. 3, pp. 193-210, 1994.
[15] Song, B., Chen, W. and Frew, D. J., “Dynamic Compressive Response and Failure Behavior of an Epoxy Syntactic Foam,” Journal of composite materials, Vol. 38, No. 11, pp. 915-936, 2004.
[16] Gama, B. A. and Gillespie Jr, J. W., “Finite Element Modeling of Impact, Damage Evolution and Penetration of Thick-Section Composites,” International Journal of Impact Engineering, Vol. 38, No. 4, pp. 181-197, 2011.
[17] Kolsky, H., “An Investigation of the Mechanical Properties of Materials at Very High Rates of Loading,” Proceedings of the physical society. Section B, Vol. 62, No. 11, pp. 676, 1949.
[18] Ravichandran, G. and Subhash, G., “Critical Appraisal of Limiting Strain Rates for Compression Testing of Ceramics in a Split Hopkinson Pressure Bar,” Journal of the American Ceramic Society, Vol. 77, No. 1, pp. 263-267, 1994.