پيش‌بيني عمر خستگي مواد مركب پليمري بر اساس كاهش همزمان سفتي و استحكام تحت بارگذاري با دو سطح تنش

Fatigue life prediction of polymeric composites based on the simultaneous degradation of stiffness and strength under two-stage loading

در حال حاضر از مواد مركب در كاربردهاي مختلفي استفاده مي‌شود. برخي از اين كاربردها شامل اجزاي در معرض بارگذاري چرخه‌اي هستند. پديده‌ي خستگي، مكانيزم اصلي خرابي حاكم بر سازه‌هاي تحت اين نوع بارگذاري است. بنابراين، پيش‌بيني مناسب عمر خستگي اين مواد در طراحي ايمن سازه‌ها، نگهداري، تعمير و جايگزيني قطعات بسيار اهميت دارد. تعداد به نسبت زيادي از مدل‌هاي موجود در اين زمينه به كاهش خواص ماده در طي آسيب خستگي نظير سفتي يا استحكام توجه نكرده‌اند. در اين مقاله، در ابتدا آسيب خستگي مواد مركب با استفاده از يك مدل سفتي پسماند بررسي مي‌گردد. در اين راستا از دو مجموعه داده‌ي تجربي استفاده مي‌شود. يك مدل استحكام پسماند با مدل مدنظر تركيب شده و براساس آن يك مدل اصلاح‌شده ارايه مي‌گردد. سپس، عمر خستگي باقيمانده‌ي مواد مركب پليمري تقويت‌شده با الياف تحت بارگذاري دو مرحله‌اي براي سه گروه از داده‌‌هاي تجربي‌ پيش‌بيني مي‌شود. نتايج حاصل نشان مي‌دهند كه مدل ارايه‌شده دقت مناسبي در تخمين عمر باقيمانده‌‌ دارد. همچنين، مقايسه‌اي بين نتايج تجربي و برخي از مدل‌هاي موجود با پيش‌بيني‌هاي اين مطالعه انجام شده تا مدل پيشنهادي بهتر ارزيابي شود. اين مقايسه نشان مي‌دهد كه نتايج مطالعه‌ي حاضر نسبت به ديگر مدل‌ها در بيشتر موارد اختلاف كمتري با مقادير تجربي دارد.

Nowadays, composite materials are used in different applications. Some of these applications involve components subject to cyclic loading. Fatigue is the dominant failure mechanism for structures under this type of loading. Hence, proper prediction of fatigue life is essential for safe design and operation of structures, maintenance, repair and replacement of components. Many of the existing models in this field have not assessed the degradation of material properties such as stiffness and strength during fatigue damage. In this paper, a stiffness-based model is initially evaluated for fatigue damage analysis of composite structures. The model is validated with two sets of experimental data. A residual strength model is coupled to the choice model and a modified model is developed. Then, residual fatigue life of fiber reinforced polymeric composites is predicted for three sets of experimental data under two-stage loading. The results demonstrate that the proposed model has an improvement in accuracy of the estimation of residual fatigue lives. For better evaluation of the developed model, experimental results and some existing models are compared with the present study predictions. It is concluded that in most cases, the predicted values by the proposed model are closer to experimental values in comparison with other models.