پاسخ گذاری توزیع تنش برشی در اتصال چسبی تک‌لبه کامپوزیتی ناشی از شکسته شدن الیاف

محورهای موضوعی : فصلنامه علمی - پژوهشی مواد نوین

محمد شیشه ‏ساز ¹ , سعید یعقوبی ²

1 - استاد گروه مکانیک، دانشگاه شهید چمران اهواز
2 - دانشجوی دکترای مهندسی مکانیک، دانشگاه بوعلی سینای همدان.

تاریخ دریافت : 1394/11/10 تاریخ پذیرش : 1394/11/10 تاریخ انتشار : 1394/11/01

کلید واژه: تنش برشی, مواد مرکب, الیاف, اتصال چسبی, تنش گذرا,

چکیده مقاله :

در این پژوهش، توزیع تنش برشی گذرای ایجاد شده در اثر شکسته شدن الیاف در ماتریس و چسب موجود در اتصال چسبی بررسی شده است. تنش گذرا، پاسخ دینامیکی سیستم در اثر ایجاد ناپیوستگی در الیاف، از لحظه گسسته شدن تا لحظه رسیدن به‏حالت تعادل می‏باشد. به منظور بررسی این رفتار، معادله های حاکم بر حرکت الیاف در اتصال چسبی با ابعاد محدود در حضور گسستگی استخراج شده و تاثیر تعداد الیاف شکسته شده بر توزیع تنش برشی گذرای سازه مرکب بررسی شده است. برای استخراج معادله های جابه‏جایی الیاف، از مدل شیرلگ و برای حل معادله های، از روش تفاضل محدود صریح استفاده شده است. در ادامه، تاثیر تغییر جنس الیاف و ضخامت لایه چسبی بر توزیع تنش نیز بررسی شده است. نتایج نشان می­دهد که با افزایش تعداد الیاف گسسته شده، ضریب تمرکز تنش و در نتیجه تنش برشی در سازه مرکب افزایش می‏یابد. افزون بر این، مقدار تنش برشی ایجاد شده در ماتریس و چسب با افزایش مدول الاستیسیته الیاف کاهش می‌یابد، به‏گونه‏ای‏که بیشینه تنش برشی در اتصال با الیاف از جنس شیشه () و گرافیت ()، به‏ترتیب برای ماتریس 861/0 و 463/0 و برای چسب 192/3 و 409/2 مگا پاسکال می‏باشد

چکیده انگلیسی:

In this research, the transient shear stress distribution in an adhesive joint due to fiber breakage has been investigated. Transient stress is a dynamic response of the joint to the fiber discontinuities till their static equilibrium state. To study this behavior, equations governing the motion of fibers in the matrix, due to their breakage, are derived and the effect of number of broken fibers is studied on transient response of the structure. Shear lag model is used to extract fiber displacement. The equilibrium equations are solved using the explicit finite difference method. The effect of fiber materials and adhesive thickness is also studied on stress distribution. Results show that for an increase in the number of broken fibers, the stress concentration in the composite structure increases. Moreover, the shear stress created in the matrix and the adhesive layer is reduced with an increase in fiber elastic modulus, such that for glass and graphite fibers (E=74 and 130 GPa respectively), the maximum shear stresses in the adhesive are 0.861 and 0.461 MPa, while in the adherends, they are equal to 3.192 and 2.409 MPa respectively.

منابع و مأخذ:

- سید محسن محسنی شکیب،"مکانیک سازه‏های مرکب"، دانشگاه جامع امام حسین (ع)، موسسه چاپ و انتشارات، 1389.

2- M. R. Nedele and M. R. Wisnom,"Stress concentration factors Around a Broken Fiber in a Unidirectional Carbon Fiber-Reinforced Epoxy", Institute of Structures and Deisgn, Vol 25, pp. 549–557, 1994.

3-ایرج رجبی، فرهاد رحیمی، کامبیز بخشنده، "اثرات تمرکز تنش در اتصالات چسبی یک‏لبه کامپوزیتی"، چهاردهمین کنفرانس سالانه مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی اصفهان، اردیبهشت 1385.

4-Z.Y. Wang, L. Wang, H. Deng and J.W. Tong,"An Investigation on Strain/Stress Distribution Around the Overlap End of Laminated Composite Single-Lap Joints", Composite Structures, Vol89, pp. 589–595, 2009.

5-B. Beylergil, Y. Cunedioglu and A. Aktas,"Experimental and Numerical Analysis of Single Lap Composite Joints

with Inter-Adherend Fibers", Composite Part B, Vol 42, pp. 1885–1896, 2011.

6-G. Challita and R. Othman,  "Analytical Model of the Double-Lap Bonded Joints Response to Harmonic Loads", Composite Part B, Vol 42, pp. 1885–1896, 2011.

7-هاشم موسوی‌تبار، "تحلیل تنش اتصالات چسبی کامپوزیتی"، پایان‌نامه کارشناسی ارشد، دانشگاه شهید چمران اهواز، اهواز، شهریور 1388.

8-مجید دانیالی، "بررسی تمرکز تنش ناشی از وجود ترک در اتصالات مواد مرکب"، پایان‌نامه کارشناسی ارشد، دانشگاه شهید چمران اهواز، اهواز، اسفند 1390.

9-J.M.Hedgepeth,"Stress Concentration in a Filamentary Structures", TND-882, 1961.

10-عرفان میرشکاری، "پاسخ گذرای توزیع تنش در چند لایه مرکب سه‏بعدی تحت ترک"، پایان‌نامه کارشناسی ارشد، دانشگاه شهید چمران اهواز، اهواز، اردیبهشت 1388.

11-S. C. Chapra and R. P. Canale, Numerical Method of Engineering, 6rd ed., McGraw-Hill, New York, 2010.

12-D. L. Logan and A First Course in the Finite Element Method, 4rd ed., Thomson, University of Wisconsin-platteville, 2007.