روش جديد براي پيش‌بيني شيوه تركيبي اول و دوم چقرمگي شكست در كامپوزيت‌هاي لايه‌اي

A Novel Procedure for Prediction of Mixed Mode I/II in Fracture Toughness of Laminate Composites

شيوه تركيبي اول و دوم شكست از عمده‌ترين شيوه‌هاي جدايش لايه‌ها در كامپوزيت‌هاي لايه‌اي است. سرعت رهايي انرژي كرنشي بحراني به‌عنوان معياري براي پيش‌بيني شروع جدايش لايه‌هاي نمونه‌ها به‌كار مي‌رود. در اين پژوهش، رابطه‌اي بين چقرمگي شكست تيرهاي يك‌سرگيردار دو‌لبه (DCB) و يك‌سرگيردار دو‌لبه نامتقارن (ADCB) ارايه شده است. قطعات DCB و ADCB به ترتيب براي ايجاد شيوه اول و شيوه تركيبي اول و دوم چقرمگي شكست نمونه‌هاي كامپوزيتي به‌كار برده مي‌شوند. با توجه به تنوع چيدمان لايه‌ها، انجام آزمون روي قطعات چندلايه كامپوزيتي براي اندازه‌گيري چقرمگي شكست آنها كاري دشوار، پرهزينه و زمان‌بر است. هدف از ايجاد چنين رابطه‌اي اين است كه بتوان با آن مقدار سرعت رهايي انرژي كرنشي نمونه‌هاي كامپوزيت‌هاي لايه‌اي ADCB را با استفاده از آزمون نمونه تك‌جهتي DCB محاسبه كرد. بنابراين، با استفاده از چنين رابطه‌اي نياز به آزمودن نمونه‌هاي كامپوزيت‌هاي لايه‌اي ADCB ‌مرتفع مي‌شود. براي ايجاد اين رابطه از هندسه نمونه‌هاي DCB و ADCB استفاده شد. به‌دست‌آوردن مقدار سرعت رهايي انرژي كرنشي بحراني براي چندلايه‌هاي كامپوزيتي ADCB با زاويه‌هاي مختلف لايه‌هاي اطراف ترك براي استفاده در طراحي از كاربردهاي مدل ارايه شده در پژوهش حاضر است. اين روش، حجم محاسبات عددي و نيز هزينه مطالعات آزمايشگاهي را كاهش مي‌دهد. نتايج به‌دست آمده از روش ارايه شده در اين پژوهش با نتايج تجربي و مدل‌سازي عددي مقايسه شد. نتايج نشان مي‌دهد، با خطاي كمتر از %10، مي‌توان سرعت رهايي انرژي كرنشي نمونه‌هاي ADCB را با استفاده از مقدار سرعت رهايي انرژي كرنشي نمونه‌هاي تك‌جهتي DCB (به‌دست آمده از راه آزمون) پيش‌بيني كرد. نتايج به‌دست آمده از مقايسه نمايانگر دقت مطلوب روش ارايه شده در اين پژوهش است.

Delamination is one of the important modes of failure in laminated composite materials. In this respect, the mixed mode I/II fracture is the most major mode of delamination incidence in laminated composite. In the present research, a relation between the fracture toughness of double cantilever beam (DCB) and asymmetric double cantilever beam (ADCB) specimens is presented. The DCB and ADCB samples are used for measuring the mode I and mixed mode I/II fracture toughness (G) of laminated composite materials, respectively. By considering the diversity of the stacking sequence of lay-ups, the test performance on all different types of lay-ups in order to measure the fracture toughness of laminated composites is a tedious, costly and time consuming task. The purpose of deriving this relation is to estimate the value of the strain energy release rate of laminated composite ADCB specimens by testing a unidirectional DCB. To develop this relationship, the geometry of DCB and ADCB specimens are considered to obtain fracture toughness of multi-directional laminate composites of ADCB samples with arbitrary ply sequence which may be used for design purposes. The procedure presented here reduces the calculation costs of the finite element modeling and its corresponding test significantly. The results obtained by this method are compared with those of experimental and numerical methods. It is shown that the fracture toughness of multi-directional layups can be predicted by measuring the unidirectional ply with an error less than 10% demonstrating the accuracy of the procedure developed in the present research.