مدل تحليلي مبتني بر ميكرومكانيك براي پيش‌بيني خواص الاستيك كامپوزيت‌هاي با الياف بافته‌شده

Development of a micromechanics based analytical model for predicting the elastic properties of woven fabric composites

استفاده از الياف بافته‌شده در ساخت مواد كامپوزيتي، به علت رفتار مكانيكي خاص آن‌ها گسترش يافته است. با توجه به پيچيدگي مدلسازي و شبيه‌سازي رفتار مكانيكي اين نوع كامپوزيت‌ها، در اين تحقيق يك مدل تحليلي مبتني بر ميكرومكانيك براي تعيين خواص الاستيك كامپوزيت‌هاي با الياف ‌بافته‌شده، توسعه داده شده است. اين مدل ضمن سادگي، دقت بالايي را در پيش‌بيني خواص الاستيك ارائه مي‌دهد. يكي از مهمترين عوامل مؤثر در دقت يك مدل ميكرومكانيكي، اتخاذ يك روند همگن‌سازي مناسب مي‌باشد. بنابراين، يك روش جديد همگن‌سازي المان حجمي معرف با استفاده از شبيه‌سازي چند‌لايه‌ها براي يك كامپوزيت با الياف بافته‌شده توسعه داده شده است. فرايند همگن‌سازي ارائه‌شده به صورت همگن‌سازي چند‌مقياسي مي‌باشد. اين مدل مبتني بر تبديل المان‌حجمي معرف به تعدادي زيرالمان است، به نحوي كه بتوان در هر مرحله تركيبي از زيرالمان‌ها را به عنوان يك چندلايه در نظر گرفت. براي تعيين خواص مكانيكي معادل چندلايه‌ها، به جاي فرض كرنش‌ ثابت در كل چندلايه، فرضيات كرنش صفحه‌اي ثابت و تنش خارج صفحه‌اي ثابت لحاظ شده است. سپس، براي ارائه‌ي مدل نهايي، مدل همگن‌سازي پيشنهادي با يك مدل ميكرومكانيكي تركيب مي‌شود. استفاده از فرضيات ارائه شده، منجر به بهبود پيش‌بيني‌هاي مدل ميكرومكانيكي، بخصوص براي خواص خارج صفحه‌اي كامپوزيت مي‌شود. كارايي روش همگن‌سازي ارائه‌شده با بررسي پنج مثال از منابع مختلف، مورد ارزيابي قرار گرفته و دقت اين روش در تعيين خواص كامپوزيت بافته‌شده نشان داده شده است.

The application of woven fabrics in composites manufacturing has been increased because of their special mechanical behavior. Due to the complexity of modeling and simulation of these composites, in this research a micromechanics based analytical model has been developed to predict the elastic properties of woven fabric composites. The present model is simple to use and has a high accuracy in predicting the elastic properties of woven fabric composites. One of the most important effective factors on the modeling accuracy is utilizing a proper homogenization method. Therefore, a new homogenization method has been developed by using a laminate analogy based method for the woven fabric composites. The proposed homogenization method is a multiscale homogenization procedure. This model divides the representative volume element to several subelements, in a way that the combination of the subelements can be considered as a laminated composite. To determine the mechanical properties of laminates, instead of using an isostrain assumption, the assumptions of constant inplane strains and constant out of plane stress have been considered. Then, the proposed homogenization model has been combined with a micromechanical model to propose the new micromechanical model. The applied assumptions improve the prediction of mechanical properties of woven fabrics composites, especially the out of plane elastic properties. The proposed model has been evaluated by comparing the predicted results with four available experimental results available in the literature, and the accuracy of the present model has been shown.