ارزيابي آسيب لوله‌هاي كامپوزيتي رشته‌پيچي شده تحت بارگذاري جانبي با روش ‌نشرآوايي و شبيه‌سازي المان محدود

Evaluation of damage of filament wound composite tubes under lateral loading by acoustic emission method and finite element simulation

استفاده از ساختارهاي كامپوزيتي جدار‌نازك به طور فزاينده در طراحي وسايل نقليه‌ي سبك وزن با ظرفيت جذب انرژي بالا درتصادف‌ها، مورد اهميت دارد. كامپوزيت‌هاي تقويت شده با الياف، مانند پليمر‌هاي تقويت شده با الياف شيشه به دليل ويژگي‌هايي مانند وزن سبك و خواص مكانيكي بالايي كه دارند علاوه بر صنايع خودروسازي، توجه روزافزوني را در ديگر صنايع به خود جلب كرده‌اند. كامپوزيت‌هاي تقويت شده با الياف، انرژي وارده را به سازوكار‌هاي مختلفي صرف خرابي ساختار خود مي‌كنند كه از نظر آسيب در سازه؛ جدايش الياف از ماتريس، شكست الياف و ترك‌خوردگي ماتريس، از شايع‌ترين مكانيزهاي خرابي مي‌باشند. در اين پژوهش با بررسي تحقيقات گذشته، پارامتر‌هاي طراحي لوله‌هاي ساخته شده با الياف شيشه و ابعاد بهينه جهت ساخت تعيين گرديد، سپس با روش‌هاي مكانيكي، نشرآوايي و شبيه‌سازي المان محدود به بررسي انواع سازوكار‌هاي خرابي در نمونه‌هاي رشته‌پيچي شده با زاويه 45 درجه پرداخته شد، بررسي خرابي توسط روش نشرآوايي نشان داد كه سازوكار غالب خرابي براي نمونه‌ها، شكست الياف مي‌باشد. به منظور شبيه‌سازي دقيق رفتار نمونه‌ها با توسعه زيرروال‌ وي‌يومت (VUMAT) و به كمك معيارهاي آسيب هاشين سه‌بعدي براي شروع آسيب و معيار آسيب پيوسته در پيش‌بيني گسترش خرابي استفاده شد. تطابق نمودارهاي تجربي بدست آمده با نتايج حاصل از زيرروال توسعه داده شده، مدل مورد نظر را به جهت پيش‌بيني رفتار نمونه كامپوزيتي حتي بعد از حداكثر نيروي قابل تحمل به خوبي تاييد كرد. مقايسه نمودارهاي نيرو‌جابجايي با داده‌هاي انرژي حاصل از روش نشرآوايي مبين قابليت روش نشرآوايي براي پيش‌بيني رفتار لوله‌هاي كامپوزيتي، تحت بارگذاري جانبي مي‌باشد.

Thin-walled composite structures are increasingly used in vehicles where light weight and high energy absorption capacity are important. Fiber reinforced composites, such as glass/fiber reinforced polymers, have attracted attention in automotive engineering due to their properties such as light weight and high mechanical properties. Fiber reinforced composites use the energy in various ways to damage their structure, which in terms of structural failure; delamination, fiber breakage, and matrix cracking are the predominant conditions. According to the literature, design parameters and optimal dimensions of glass/epoxy composite tubes were determined. After that, by using experimental testing, acoustic emission technique, and finite element method, various failure mechanisms of 45 ° filament wound composite tube were investigated. Examination of failure by acoustic emission method showed that the predominant mechanism for 45 ° samples is fiber breakage. In order to simulate the behavior of the samples, the VUMAT subroutine was used with the help of 3D Hashin criteria for the onset of damage and the continuous damage criterion was used to simulate the spread of failure. The agreement of the obtained experimental diagrams with the subroutine developed for the composite simulation confirmed the ability of the model to predict the behavior of the composite sample even after the maximum tolerable force. By comparing the force-displacement diagrams with the energy data obtained from the acoustic emission method, it was found that the acoustic emission method can be used to predict the behavior of composite pipes under lateral loading.