مهندسی مکانیک مدرس

مهندسی مکانیک مدرس

بررسی اثر نرخ بارگذاری بر تعیین چقرمگی شکست کامپوزیت شیشه/اپوکسی تحت بارگذاری مود یک با استفاده از آکوستیک امیشن

نوع مقاله : پژوهشی اصیل

نویسندگان
دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، تهران، ایران
چکیده
جدایش یا ترک‌خوردگی بین لایه‌ای یکی از مهم‌ترین عیوب در مواد کامپوزیتی لایه­ای است. وجود این عیب در یک سازه باعث کاهش استحکام و در نتیجه از کار افتادگی آن سازه می‌شود. برای بررسی عوامل موثر در جدایش بین لایه­ای نیاز به تحلیل پارامترهای موثر در بارگذاری است. در این مقاله تاثیر تغییر نرخ بارگذاری بر مکانیزم خرابی در مود I شکست با استفاده از آکوستیک امیشن برای نمونه­های تک‌جهته ساخته‌شده از الیاف شیشه/رزین اپوکسی مورد تحلیل و بررسی قرار می­گیرد. ابتدا نمونه­های کامپوزیتی مطابق استاندارد ساخته شده و با نرخ­های مختلف جابه‌جایی تحت بارگذاری قرار داده می­شوند. داده­های نیرو، جابه­جایی و میزان رشد ترک بر حسب زمان برای نرخ‌های متفاوت بارگذاری برای محاسبه دقیق نرخ آزادسازی انرژی کرنشی علاوه بر اکستنسیومر از دوربین دینو هم استفاده شده است. در این مقاله روشی با قابلیت اطمینان بالا برای ارزیابی جدایش بین لایه­ای در کامپوزیت­های لایه­ای با استفاده از روش نشر آوایی پیشنهاد شده است. با مقایسه دیتاهای مکانیکی و سیگنال­های آکوستیک امیشن، رفتار مکانیکی به‌دست‌آمده برای هر نرخ بارگذاری، مشخص می­شود به‌طوری که رفتار مکانیکی ماده کامپوزیتی با تغییر نرخ بارگذاری کاملاً متفاوت خواهد بود. نتایج نشان می­دهد که با افزایش نرخ بارگذاری، رزین خاصیت الاستیکی خود را از دست داده و نمونه از خود رفتار سختتری نشان داده و کاملاً ترد عمل می­کند به گونه­ای که فرآیند خرابی قطعه عوض می­شود. با استفاده از سیگنال­های آکوستیک امیشین روند خرابی و رشد ترک صحت‌سنجی شد. مقادیر چقرگی شکست حاصل از تجمع سیگنال­های انرژی آکوستیک امیشن تطابق خوبی با مقادیر تجربی داشته است.
کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله English

Investigation the Effect of Loading Rates on Fracture Toughness of Loading Mode I in Glass / Epoxy Composite Laminates by Acoustic Emission

نویسندگان English

M. Habibi
J. Yousefi
M. Ahmadi
Faculty of Mechanical Engineering, Amirkabir University, Tehran, Iran
چکیده English

Delamination or interlayer cracking is one of the most important imperfections in composite materials. The existence of this defect in a structure reduces the strength and, as a result, disables the structure. To analyze the effective factors in interlayer separation, it is necessary to analyze the effective loading parameters. In this paper, the effect of the change in loading rate on the failure mechanism in I failure mode was analyzed using an acoustic emission for unidirectional samples made of glass fiber/epoxy resin. At first composite, samples were made according to standard and placed at different rates of displacement under loading. Force data, displacement and crack growth rate for different loading rates were used to calculate the exact strain energy release rate. In addition to the extensometer, the Dino camera was used. In this paper, a high-reliability method was proposed to evaluate the separation between the layered composites using acoustic emission method. By comparing mechanical data and acoustic emission signals, the mechanical behavior obtained for each loading rate was determined so that the mechanical behavior of the composite material varied with the change in loading rate. The results show that, with increasing loading rates, the resin lost its elastic properties, and the specimen exhibited a more rigid behavior and is quite rigorous so that the fracture failure process is changed. The failure processes and crack growth rate was validated by use of acoustic emission signals. There was good agreement between the fracture toughness of accretion of acoustic emission signals with the experimental values.

کلیدواژه‌ها English

Composite laminates
Failure mechanism
Delamination
loading rate
Acoustic emission
1- Saeedifar M, Fotouhi M, Mohammadi R, Ahmadi Najafabadi M, Hosseini Toudeshky H. Investigation of delamination and interlaminar fracture toughness assessment of glass/epoxy composite by acoustic emission. Modares Mechanical Engineering. 2014;14(4):1-11. [Persian] [Link]
Griffith AA. The phenomena of rupture and flow in solids. Philosophical Transactions of the Royal Society of London Series A Containing Papers of a Mathematical or Physical Character. 1921;221:163-198. [Link] [DOI:10.1098/rsta.1921.0006]
Whitney JM, Browning CE, Hoogsteden W. A double cantilever beam test for characterizing mode I delamination of composite materials. Journal of Reinforced Plastics and Composites. 1982;1(4):297-313. [Link] [DOI:10.1177/073168448200100402]
De Charentenay FX, Bethmont M, Benzeggagh M, Chrétien JF. Delamination of glass fiber reinforced polyester, an acoustic emission study. In: Miller KJ, Smith RF, editors. Mechanical behaviour of materials: Proceedings of the third international conference held in Cambridge, England, 20-24 August 1979. 3rd Volume. Oxford: Pergamon Press; 1980. pp. 241-251. [Link] [DOI:10.1016/B978-1-4832-8414-9.50117-6]
Bascom WD, Bitner JL, Moulton RJ, Siebert AR. The interlaminar fracture of organic-matrix, woven reinforcement composites. Composites. 1980;11(1):9-18. [Link] [DOI:10.1016/0010-4361(80)90016-6]
De Charentenay FX, Benzeggagh M. Fracture mechanics of mode I delamination in composite materials. In: Bunsell AR, Martrenchar A, Verchery G, Bathias C, Menkes D, editors. Advances in composite materials: Proceedings of the third international conference on composite materials, held in Paris, 26-29 August 1980. Oxford: Pergamon Press; 1980. pp. 186-197. [Link] [DOI:10.1016/B978-1-4832-8370-8.50018-8]
Devitt DF, Schapery RA, Bradley WL. A method for determining the mode I delamination fracture toughness of elastic and viscoelastic composite materials. Journal of Composite Materials. 1980;14:270-285. [Link]
Wilkins D, Eisenmann J, Catmin R, Margolis W, Benson R. Characterizing delamination growth in graphite-epoxy. In: Reifsnider K, editor. Damage in composite materials: Basic mechanisms, accumulation, tolerance, and characterization. West Conshohocken PA: ASTM International; 1982. pp. 168-183. [Link] [DOI:10.1520/STP34326S]
May M, Lässig T. Rate-dependent mode I delamination in ballistic composites - experimental and simulation. Composite Structures. 2017;180:596-605. [Link] [DOI:10.1016/j.compstruct.2017.08.045]
Aljets D, Chong A, Wilcox S, Holford K. Acoustic emission source location in plate-like structures using a closely arranged triangular sensor array. Journal of Acoustic Emission. 2010;28:85-98. [Link]
Dalton RP, Cawley P, Lowe MJS. The potential of guided waves for monitoring large areas of metallic aircraft fuselage structure. Journal of Nondestructive Evaluation. 2001;20(1):29-46. [Link] [DOI:10.1023/A:1010601829968]
Loutas TH, Kostopoulos V. Health monitoring of carbon/carbon, woven reinforced composites, damage assessment by using advanced signal processing techniques, part I: Acoustic emission monitoring and damage mechanisms evolution. Composites Science and Technology. 2009;69(2):265-272. [Link] [DOI:10.1016/j.compscitech.2008.07.020]
Mohammadi R, Ahmadi Najafabadi M, Saeedifar M, Yousefi J, Minak G. Correlation of acoustic emission with finite element predicted damages in open-hole tensile laminated composites. Composites Part B Engineering. 2017;108:427-435. [Link] [DOI:10.1016/j.compositesb.2016.09.101]
Rose JL. Ultrasonic guided waves in solid media. New York: Cambridge University Press; 2014. [Link] [DOI:10.1017/CBO9781107273610]
Scholey JJ, Wilcox PD, Wisnom MR, Friswell MI. Quantitative experimental measurements of matrix cracking and delamination using acoustic emission. Composites Part A Applied Science and Manufacturing. 2010;41(5):612-623. [Link] [DOI:10.1016/j.compositesa.2010.01.008]
Heidary H, Ahmadi M, Rahimi A, Minak G. Wavelet-based acoustic emission characterization of residual strength of drilled composite materials. Journal of Composite Materials. 2013;47(23):2897-2908. [Link] [DOI:10.1177/0021998312459869]
Kumar P, Garg A. Failure modes and fractographic study of glass-epoxy composite under dynamic compression. Journal of Materials Science. 1988;23(7):2305-2309. [Link] [DOI:10.1007/BF01111881]
D 5528-01: Standard test method for determination of the mode I interlaminar fracture toughness of unidirectional fiber-reinforced polymer matrix composites. Annual book of ASTM standard. 2007. [Link]
D3039: Standard test method for tensile properties of polymer matrix composite materials. Annual book of ASTM standard. 2006. [Link]
Chadegani AR. Strain energy release rate analysis of adhesive-bonded composite joints with a prescribed interlaminar crack [Dissertation]. Wichita KS: Wichita State University; 2008. [Link] [DOI:10.2514/1.37513]
La Saponara V, Muliana H, Haj-Ali R, Kardomateas GA. Experimental and numerical analysis of delamination growth in double cantilever laminated beams. Engineering Fracture Mechanics. 2002;69(6):687-699. [Link] [DOI:10.1016/S0013-7944(01)00106-0]
Habibi M. Prediction of residual strength of composite laminates by means of acoustic emission technique [Dissertation]. Tehran: Amir Kabir University of Technology; 2018. [Persian] [Link]
Yousefi J, Mohamadi R, Saeedifar M, Ahmadi M, Hosseini Toudeshky H. Delamination characterization in composite laminates using acoustic emission features, micro visualization and finite element modeling. Journal of Composite Materials. 2016;50(22):3133-3145. [Link] [DOI:10.1177/0021998315615691]