بررسی پیشروی آسیب در مواد کامپوزیتی تحت بار خستگی

در میان انواع شرایط بارگذاری ممکن بر روی سازه¬های تهیه شده از مواد مرکب، بارگذاری خستگی یکی از مهمترین آنها¬ست. اگرچه خستگی مواد مرکب مدتها¬ست که مورد بررسی قرار دارد، اما هنوز این تحقیقات برای ارزیابی عمر خستگی و رفتار خستگی در تمام شرایط کافی نمی¬باشد و به بررسی بیشتر فرایندها و عوامل موثر در آنها نیازمند است. در اکثر روش¬های معرفی شده برای بررسی رفتار خستگی مواد کامپوزیت، لازم ا¬ست آزمایش¬های فراوانی انجام شود و روش¬های عددی و تحلیلی کمتر مورد استفاده قرار گرفته است. رایج¬ترین نوع آزمایش¬ها، آزمایش¬های خستگی کشش-کشش و کشش-فشار می¬باشند که در آن، لایه¬های ماده مرکب در معرض ایجاد و رشد یکسان آسیب قرار دارند. وضعیتی که در نوع بارگذاری خستگی خمشی کاملا" متفاوت است و درآن هر لایه شرایط خاص خود را بنا به موقعیت خود در لایه¬چینی، خواهد داشت حتی اگر لایه¬های ماده مرکب هم¬جنس و هم¬جهت باشند. در این وضعیت بارگذاری، تنش در راستای ضخامت لایه¬چینی متغیر ا¬ست. بنابراین لایه¬ها با تقدم و تاخر خاصی نسبت به هم دچار شکست و واماندگی می¬شوند. همچنین ترتیب چینش لایه¬ها در یک نمونه موجب خواهد شد تا یک ورق کامپوزیتی با زوایا و شرایط اولیه مشخص اما با چینش متفاوت، نسبت به یکدیگر دارای عمر خستگی متفاوتی باشند. در این پایان¬نامه ورق کامپوزیتی تحت بار خستگی ناشی از بار خمشی، با استفاده از تئوری کاهش استحکام مدل ¬سازی شده و اثر زاویه¬ی الیاف و چینش لایه¬ها در عمر خستگی آن مورد بررسی قرار گرفته است. در ابتدا خیز ورق تحت بار خمشی با استفاده از تئوری ناویر برای شرط مرزی تکیه¬گاه ساده بدست آمده و توزیع تنش در لایه ¬های کامپوزیت با استفاده از این حل استخراج شده است. سپس با استفاده از تئوری کاهش استحکام بروتمن و ساها، میزان کاهش استحکام و سفتی برای هر لایه در هر مرحله از بارگذاری، بدست آمده و مقادیر جدید بدست آمده برای استحکام و مدول هر لایه، در سیکل بعدی بارگذاری مورد استفاده قرار گرفته است. این مراحل تکرار شده است تا سرانجام تک¬تک لایه¬ها در راستای الیاف و ماتریس شروع به خستگی و شکست ¬نمایند. در این مرحله از تئوری قاعده¬ی کاهش ناگهانی برای مدل کردن شکست یک لایه از لایه¬های کامپوزیت استفاده شده است. در حل مساله، فرآیند شکست لایه ¬ها تا زمان شکست ناگهانی کل ورق کامپوزیتی ادامه می ¬یابد. با استفاده از این مدل میزان عمر خستگی تک¬تک لایه¬ها و اثرات شکست یک لایه بر رفتار لایه ¬های دیگر تا رسیدن به شکست نهایی کل سازه مورد بررسی قرار گرفته است. در قسمت نتایج عددی با کدنویسی در نرم افزار مطلب، عمر خستگی برای ورق کامپوزیتی از جنس گرافیت-اپوکسی با زوایای مختلف و چینش متفاوت لایه ¬ها مورد بررسی قرار گرفته است و نتایج حاصله با یکدیگر مقایسه شده است.