بررسي رفتار شكست در مواد هدفمند اپوكسي-آلومين به روش اجزاي محدود براي مقاوم سازي اتصالات

Modeling of Alumina-Epoxy Joints Reinforced by Functionally Graded Materials, Using Finite Element Method

استفاده از مواد مركب هدفمند در اتصال دو ماده با خواص الاستيكِ بسيار متفاوت، منجر به از بين رفتن اثرات زيان‌آور نيروهاي بين وجهي ناپيوسته كه به‌واسطة چسبندگي ضعيف ناشي از ميل تركيبي شيميايي پايين و اثرات تمركز تنش بالا بوجود آمده‌اند، در سطح مشترك دو ماده مي‌شود. بنابراين، طراحي بهينة اين مواد، احتمال گسيختگي‌هاي ناشي از رشد ناپايدار ترك را به حداقل مي‌رساند. هنگامي كه ترك در جهت عمود بر شيب تغييرات قرار مي‌گيرد، ميدان تنش نامتقارن بوجود آمده در نوك ترك مُد تركيبي ايجاد مي‌كند و موجب انحراف ترك مي‌شود. در اين تحقيق، براي تركي كه تحت بارگذاري خمشي قرار دارد، در دو حالت (گراديان پيوسته و گراديان لايه‌اي) ضرايب شدت تنش و زاوية فاز بارگذاري به روش اجزاء محدود محاسبه شده است. به منظور بهينه كردن پارامترهاي شكست در جلوگيري از رشد ناپايدار ترك، تأثير متغيرهايي نظير شكل و پهناي ناحية گراديان، موقعيت و طول ترك و تنش‌هاي پسماند بر ضريب شدت تنش و زاويه فاز بررسي شده است. كمترين مقدار ضريب شدت تنش مختلط به ازاي توان پروفيل 25/2 و پهناي گراديان 9 ميليمتر بدست آمده است.

Application of functionally graded materials (FGMʹs) to join materials with extremely different thermo- mechanical properties can reduce sharp interface stresses caused by weak chemical affinity and high residual stress concentration. So, if the functionality of gradient regions be designed properly, it can minimize the failure probability due to unstable crack propagation. It has been shown that if the material gradient is parallel to the crack, the asymmetric stress field results in mixed-mode fracture and crack deviation for its initial direction. Mixed-mode stress intensity factors (SIFʹs) and phase angle are computed by finite element method for a four- point-bending problem assuming functionally and multi-layered gradient regions. In order to obtain an optimum design, the effect of slope and breadth of gradient region, crack geometry, and residual stress field on fracture parameters (including SIFʹs and phase angle) are studied. Minimum value of complex stress intensity factor is obtained per 2.25 for profile power and 9 mm for width of gradient region.