بررسي انتشار ترك بين لايه ا ي در سطح اتصال وصله كامپوزيتي به زير لايه فولادي

Investigating the Crack Propagation at the Surface of the Composite Patch Bonding to the Steel Substrate

يكي از كاربردهاي مواد كامپوزيتي در صنعت نفت و گاز، استفاده از اين مواد براي تعمير خطوط لوله فلزي فرسوده است. محاسبه نرخ رهايي انرژي كرنشي مود اول شكست، معيار مهمي در بررسي مقاومت اتصال و پيش بيني خرابي اين نوع سازه ها است. در اين مقاله، نرخ رهايي انرژي كرنشي حين رشد ترك در اتصال وصله كامپوزيتي به زير لايه فولادي مورد بررسي قرار مي گيرد. در اين راستا ابتدا با استفاده از تئوري تير الاستيك، روشي نوين براي محاسبه ضخامت فلز و كامپوزيت براي داشتن نمونه هاي يك سرگيردار متقارن ناهمجنس (UDCB) ارايه مي شود. اين امر به اين دليل صورت مي گيرد كه استاندارد آزمون تجربي نرخ رهايي انرژي كرنشي (ASTM-D5528)، براي نمونه هاي تير يك سرگيردار متقارن است. نمونه هاي ساخته شده در اين پژوهش شامل كامپوزيت ساخته شده از الياف شيشه تك جهته، رزين اپوكسي به همراه سخت كننده در نيمه بالايي و فولاد در نيمه پاييني تير است. پس از نمونه سازي، نرخ رهايي انرژي كرنشي شكست نمونه هاي تير يك سرگيردار دولبه متقارن و نامتقارن، به صورت تجربي محاسبه مي شود. علاوه بر اين براي تفكيك مود يك و دوي شكست در نمونه هاي متقارن و نامتقارن، مدل سازي المان محدود به روش بستن ترك مجازي صورت مي گيرد. اين تحليل، صحت رابطه ارايه شده براي ضخامت لايه ها در تيرهاي ناهمجنس براي رسيدن به مود يك خالص شكست در نمونه هاي متقارن را مورد آزمون قرار داده و تاييد مي كند. همچنين سهم مود اول و دوم شكست را در نرخ رهايي انرژي كرنشي كل نمونه هاي نامتقارن تعيين مي نمايد.

One of the applications of composite materials in the oil and gas industry is to repair worn metal pipelines. Calculating the strain energy release rate of the first failure mode is an important criterion for testing the bond strength and predicting the failure of these types of structures. In this paper, the rate of strain energy release during crack growth in bonding a composite patch to a steel substrate is investigated. In this regard, using the theory of elastic beam first, a new method is proposed to calculate the thickness of the metal and composite for Unlike Double Cantilever Beam (UDCB). This is due to the fact that the standard for experimental test procedure of strain energy release rate (ASTM-D5528) is for symmetric double cantilever beams. In this study, samples are fabricated from composite consisting of unidirectional fiberglass/ epoxy resin with harder in the upper and steel in the lower half of the beam. After sample fabrication, the strain energy release rate of UDCB and Asymmetric Unlike Double Cantilever Beam (AUDCB) are calculated experimentally. In addition, for the separation of first and second failure modes in symmetric and asymmetric samples, finite element simulation based on the virtual crack closure technique is presented. This analysis is to qualify the accuracy of the proposed equation for the thickness of unlike beams to achieve the first failure pure mode of symmetric samples. Also, it calculates the contribution of the first and second modes of failure in the strain energy release rate of AUDCB samples.