مهندسی مکانیک مدرس

مهندسی مکانیک مدرس

ارائه مدل تحلیلی برای بررسی اثر تغییر دما بر تنش پسماند و تغییر شکل چندلایه‌های کامپوزیتی متقارن و نامتقارن

نوع مقاله : پژوهشی اصیل

نویسندگان
گروه مهندسی مکانیک، پردیس دانشکده‌های فنی، دانشگاه تهران، تهران، ایران
چکیده
فرآیند پخت کامپوزیت‌ها با مشکلاتی از قبیل شکل‌گیری تنش پسماند و اعوجاج همراه است. با توجه به هزینه‌هایی که صرف ساخت کامپوزیت‌ها می‌شود، شبیه‌سازی فرآیند ساخت با هدف پیشگیری از هدررفت هزینه‌ها از اهمیت بالایی برخوردار است. از روش‌های متداول و ساده ساخت کامپوزیت‌ها لایه‌چینی دستی است. در پژوهش حاضر، تنش صفحه‌ای حاصل از تغییر دمای چندلایه‌های کامپوزیتی مورد بررسی قرار گرفته و انحنای ناشی از آن تحلیل شده است. بدین منظور دو نمونه متقارن و نامتقارن با هشت لایه دچار ۱۰۰درجه تغییر دما شده و تنش‌های نرمال و برشی محاسبه شده‌اند. ابتدا به کمک نظریه کلاسیک لایه‌ای که مهم‌ترین نظریه در تحلیل تنش کامپوزیت‌هاست، خواص مکانیکی ترکیب اپوکسی و الیاف شیشه با درصد حجمی ۷۰% و میزان تغییر دما و ترتیب لایه‌ها در برنامه نوشته‌شده وارد شده‌اند. سپس مقدار هر سه مؤلفه تنش درون‌صفحه‌ای خوانده شده و مقدار عددی انحنا به دست آمد که میزان آن برای نمونه متقارن ناچیز دیده شد. به‌منظور تأیید صحت میدان تنش‌های پسماند، شبیه‌سازی المان محدود برای هر دو نمونه صورت گرفته است که نتایج با خطایی ناچیز مجدداً به دست آمدند. فرض‌هایی که در شبیه‌سازی المان محدود و نظریه کلاسیک لایه‌ای فرض شده‌اند منجر به اختلاف نتایج با واقعیت می‌شوند. با وجود این فرضیات، شبیه‌سازی حرارتی چندلایه‌های کامپوزیتی در نرم‌افزار آباکوس می‌تواند پیش‌بینی مطلوبی از واقعیت داشته باشد. نوآوری پژوهش حاضر در استفاده از این نرم‌افزار و تأیید نتایج کدنویسی است.
کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله English

Analytic model for investigation of effect of temperature change on residual stress and curvature of symmetric and un-symmetric composite laminates

نویسندگان English

P. Khoshrooz
M. Farahani
M. Safarabadi Farahani
S. Zohoori
School of Mechanical Engineering, College of Engineering, University of Tehran, Tehran, Iran
چکیده English

Curing process of composites results in the formation of residual stress and distortion. According to costs of composites fabrication, simulation of the fabrication process in order to avoid wasting investment is important. A common and simple method of composite fabrication is hand lay-up. In this research plane stress due to temperature change of composite laminates has been investigated and its resultant curvature has been analyzed. So, two symmetric and un-symmetric laminates with eight plies are subjected to 100-degree centigrade temperature change and normal and shear stresses have been calculated. First, by classical lamination theory which is the most important theory in stress analysis of composites, mechanical properties of glass/epoxy composite with 70 percent volume fraction, temperature change and stacking sequence are input variables of the written program. Three in-plane stress component is read and the amount of curvature has achieved that shows it is negligible for the symmetric sample. To validate the residual stress field, finite element simulation for both samples has been done that resulted in finding the same results with negligible errors. Assumptions are considered in finite element modeling and classical lamination theory which result in deviation of outputs from reality. In spite of these assumptions, the thermal simulation of composite laminations in ABAQUS software can have the desired prediction of reality. The innovation of the research is the use of this software and the verification of code.

کلیدواژه‌ها English

Temperature Changes
Residual Stress
Curvature
Finite element
Kim SS, Murayama H, Kageyama K, Uzawa K, Kanai M. Study on the curing process for carbon/epoxy composites to reduce thermal residual stress. Composites Part A Applied Science and Manufacturing. 2012;43(8):1197-1202. [Link] [DOI:10.1016/j.compositesa.2012.02.023]
Kari Thangaratnam R, Palaninathan, Ramachandran J. Thermal stress analysis of laminated composite plates and shells. Computers & Structures. 1988;30(6):1403-1411. [Link] [DOI:10.1016/0045-7949(88)90204-0]
Gower MRL, Shaw RM, Wright L, Urquhart J, Hughes J, Gnaniah S, et al. Determination of ply level residual stresses in a laminated carbon fibre-reinforced epoxy composite using constant, linear and quadratic variations of the incremental slitting method. Composites Part A Applied Science and Manufacturing. 2016;90:441-450. [Link] [DOI:10.1016/j.compositesa.2016.08.005]
Shokrieh MM, Daneshvar A, Akbari S. Reduction of thermal residual stresses of laminated polymer composites by addition of carbon nanotubes. Materials & Design. 2014;53:209-216. [Link] [DOI:10.1016/j.matdes.2013.07.007]
Wisnom MR, Gigliotti M, Ersoy N, Campbell M, Potter KD. Mechanisms generating residual stresses and distortion during manufacture of polymer-matrix composite structures. Composites Part A Applied Science and Manufacturing. 2006;37(4):522-529. [Link] [DOI:10.1016/j.compositesa.2005.05.019]
Jung K, Kang TJ. Cure monitoring and internal strain measurement of 3-D hybrid braided composites using Fiber Bragg Grating sensor. Journal of Composite Materials. 2007;41(12):1499-1519. [Link] [DOI:10.1177/0021998306068088]
Sen F, Toparlı M, Sinan Köksal N. The evaluation of thermal stresses in thermoplastic laminated composites with different square holes. Mathematical and Computational Applications. 2007;12(1):59-68. [Link] [DOI:10.3390/mca12010059]
Tavakol B, Roozbehjavan P, Ahmed A, Das R, Joven R, Koushyar H, et al. Prediction of residual stresses and distortion in carbon fiber-epoxy composite parts due to curing process using finite element analysis. Journal of Applied Polymer Science. 2013;128(2):941-950. [Link] [DOI:10.1002/app.38075]
Li D, Li X, Dai J. Process modelling of curing process-induced internal stress and deformation of composite laminate structure with elastic and viscoelastic models. Applied Composite Materials. 2018;25(3):527-544. [Link] [DOI:10.1007/s10443-017-9633-5]
Benavente M, Marcin L, Courtois A, Lévesque M, Ruiz E. Numerical analysis of viscoelastic process-induced residual distortions during manufacturing and post-curing. Composites Part A Applied Science and Manufacturing. 2018;107:205-216. [Link] [DOI:10.1016/j.compositesa.2018.01.005]
Abouhamzeh M, Sinke J, Benedictus R. Investigation of curing effects on distortion of fibre metal laminates. Composite Structures. 2015;122:546-552. [Link] [DOI:10.1016/j.compstruct.2014.12.019]
Paul H, Schweizer F, Hangs B. Evaluation of process induced residual stresses in continuous fiber-reinforced hybrid thermoplastic composites. 16th European Conference on Composite Materials (ECCM), 22-26 June 2014, Seville, Spain. Freiburg: Fraunhofer IWM; 2014. [Link]
Ding A, Li Sh, Sun J, Wang J, Zu L. A thermo-viscoelastic model of process-induced residual stresses in composite structures with considering thermal dependence. Composite Structures. 2016;136:34-43. [Link] [DOI:10.1016/j.compstruct.2015.09.014]
Abouhamzeh M, Sinke J, Jansen KMB, Benedictus R. Closed form expression for residual stresses and warpage during cure of composite laminates. Composite Structures. 2015;133:902-910. [Link] [DOI:10.1016/j.compstruct.2015.07.098]
Kravchenko OG, Kravchenko SG, Byron Pipes R. Cure history dependence of residual deformation in a thermosetting laminate. Composites Part A Applied Science and Manufacturing. 2017;99:186-197. [Link] [DOI:10.1016/j.compositesa.2017.04.006]
Agius SL, Joosten M, Trippit B, Wang CH, Hilditch T. Rapidly cured epoxy/anhydride composites: Effect of residual stress on laminate shear strength. Composites Part A Applied Science and Manufacturing. 2016;90:125-136. [Link] [DOI:10.1016/j.compositesa.2016.06.013]
Shokrieh MM, Kamali SM. Theoretical and experimental studies on residual stresses in laminated polymer composites. Journal of Composite Materials. 2005;39(24):2213-2225. [Link] [DOI:10.1177/0021998305053511]
Mohammadi MM, Ghasemi AR. Applications of the incremental hole-drilling method for measurement of non-uniform residual stresses in fiber metal laminates. Modares Mechanical Engineering. 2015;15(6):335-345. [Persian] [Link]
Ghasemi AR, Shokrieh MM. Residual strains measurement and calculating residual stresses in composite laminates using the integral method. Esteghlal. 2010;28(2):81-93. [Persian] [Link]
Safarabadi Farahani M. Analytical solution for determination of baking residual stresses in multilayer composites [Dissertation]. Tehran: Iran University of Science and Technology; 2011. [Persian] [Link]
Kaw AK. Mechanics of composite materials. Boca Raton: CRC Press; 2005. [Link] [DOI:10.1201/9781420058291]