مطالعه تحليلي و تجربي رفتار غيرخطي و ضريب اطمينان شكست چندلايه‌هاي كامپوزيتي در اثر بارگذاري چرخه حرارتي سيكلي

Analytical and Experimental Studies of Cyclic Thermal Shock Effects on Nonlinear Behavior of Composite Laminates

يك سازه هوافضا مانند بدنه هواپيما يا سازه كامپوزيتي يك ماهواره در معرض اختلاف درجه حرارت به شكل سيكلي بوده و چرخه حرارتي بر خواص سازه اي آن تاثيرگذار است. مدول الاستيسيته و خواص شكست در اثر بارگذاري چرخه حرارتي سيكلي ثابت نبوده و تغييرات آنها غيرخطي ميباشد. اين تغييرات در صفحات كامپوزيتي پايه پليمري بيشتر از مواد ايزوتروپ بوده و از اهميت زيادي برخوردار است. در اين تحقيق، تغييرات استحكام شكست و مدول الاستيسيته صفحات كامپوزيتي پايه پليمري در اثر بارگذاري چرخه حرارتي مورد مطالعه قرار گرفته است. تغييرات استحكام و مدول وابسته به تعداد سيكل حرارتي، اختلاف دماي سيكلهاي حرارتي اعمال شده و دماي مرجع دارد كه مقادير عددي آن با استفاده از روش آزمايشي بدست آمده اند. براي اعمال بارگذاري حرارتي سيكلي بر روي نمونههاي كامپوزيتي پايه پليمري، دستگاه آزمايشي مناسب با اختلاف دما و تعداد سيكلهاي مناسب طراحي و ساخته شده است. سپس چندلايههاي متعامد با استفاده از لايههاي بافته شده شيشه/ اپوكسي به روش چيدمان دستي ساخته شده و تحت بارگذاري چرخه حرارتي قرار گرفتهاند. با انجام آزمايش كشش بر روي نمونهها قبل از اعمال بارگذاري و پس از اعمال بارگذاري چرخه حرارتي تغييرات مدول الاستيك و استحكام شكست در تعداد سيكلهاي مختلف مورد مطالعه قرار گرفته است. آنگاه مدل رياضي مناسب براي پيش بيني اين تغييرات ارايه شده است كه با نتايج تجربي تطابق قابل قبولي دارد. در پايان روابط بدست آمده در تحليل رفتار ماده و مطالعه شكست صفحات استفاده شده است

The elastic properties and breaking strength do not remain constant and vary nonlinearly under cyclic thermal loading. The variation is larger and indeed more important in the case of composites as compared to isotropic materials. The variations of strength and elasticity modulus may be represented as a function of the number of thermal shocks, i.e. the difference among the temperatures exerted in these cycles and a reference temperature; which are measured experimentally. A new experimental device is designed and manufactured which can be conveniently used to apply thermal loads with different temperature on composite laminates. Subsequently, orthotropic glass-epoxy composites made by hand lay-up are tested under cyclic thermal loading using this apparatus. The variation of the elasticity modulus and breaking stress of the samples are measured before and after exerting defined number of thermal load cycles. As a result a convenient mathematical model is proposed whose predictions are in agreement with the experimental measurement. Finally, the obtained equations are used as the representative of material behavior in an analytical study of laminate fracture. The result show that nonlinear behavior of the composite under the thermal shock affects the breaking strength.