مهندسی مکانیک مدرس

مهندسی مکانیک مدرس

تحلیل تجربی و عددی ضربه سرعت بالا روی صفحات کامپوزیتی کولار/الاستومر 2لایه

نوع مقاله : پژوهشی اصیل

نویسندگان
سیده سمانه آسمانی
غلام حسین لیاقت
حامد احمدی
یاور عنانی
امین خدادادی
دانشگاه تربیت مدرس، تهران، ایران
چکیده
در این مقاله قابلیت جذب انرژی کامپوزیت­های کولار/ الاستومر تحت بارگذاری ضربه ای سرعت بالا به روش تجربی و عددی مورد بررسی قرار گرفته است. الاستومر بدلیل برگشت پذیری و بالا بودن نسبت جذب انرژی به وزن آن به عنوان محافظ بالستیکی درکامپوزیت­ها، آنها را جذاب­تر می­کند. البته تبعیت رفتار مکانیکی کامپوزیت­های الاستومری از تئوری هایپرالاستیسیته مطالعه تحلیلی را پیچیده خواهد کرد. بنابراین، شبیه­سازی عددی به دلیل در نظر­گرفتن مکانیزم­های مختلف و پیچیده شکست، بیشترین سهم در طراحی سازه­های کامپوزیتی را از آن خود کرده اند. در تحقیق حاضر، از پیشرفته­ترین روش مدل­سازی المان محدود کامپوزیت­ها آباکوس/ صریح جهت تعیین رفتار آنها، در طول برخورد ضربه استفاده شده است. بدین منظور، برای مدلسازی لایه­های کامپوزیتی از المان های ورق و جهت تعیین رفتار مدل شکست کامپوزیت الاستومری از مدل مادی مواد شکل پذیر و مدل مادی ویومت بر مبنای یکی از معیارهای آسیب مانند تنش ون­مایزز استفاده شد. به دلیل عدم وجود معیار ذکر شده در نسخه­های تجاری نرم افزار و اهمیت در نظر­گرفتن چنین آسیب­هایی در شبیه سازی عددی برای این کامپوزیت­ها، معیار مذکور با استفاده از کدنویسی در محیط نرم افزار فرترن نوشته شد و به این شکل تحلیل پدیده نفوذ در سازه­ کامپوزیتی به قابلیت نرم افزار اضافه گردید. به منظور اعتبارسنجی مدل از آزمون تجربی بر روی کامپوزیت­ کولار/ الاستومر توسط دستگاه تفنگ­گازی استفاده شد. همچنین، بررسی تغییرشکل و سرعت خروجی پرتابه و انرژی جذب شده به عنوان نتایج گزارش شده­اند. نتایج حاصل از شبیه­سازی توافق بسیار خوبی را با نتایج تجربی نشان می­دهند.
کلیدواژه‌ها
کامپوزیت الاستومری
ضربه سرعت بالا
جذب انرژی
مکانیزم شکست
مدلسازی عددی

موضوعات

عنوان مقاله English

Experimental and Numerical Analysis of High Velocity Impact on 2-Layer kevlar/Elastomer Composite

نویسندگان English

seyedeh samaneh asemani
Gholamhossein Liaghat
H. Ahmadi
Yavar Anani
Amin khodadadi
PhD student
چکیده English

In this study, the energy absorption capacity of kevlar/elastomer composites under high-speed impact loading has been investigated experimentally and numerically. The compliance of the mechanical behavior of elastomeric composites with the theory of hyperelasticity will complicate the analytical study. Therefore, numerical simulation due to the different and complex mechanisms of failure, has gained the largest share in the design of composite structures. In the present study, the most advanced method of modeling the finite element of composites Abaqus / Explicit has been used to determine their behavior during impact impact. For this purpose, planer shell elements were used to model the composite layers and to determine the behavior of the elastomeric composite failure model, the material model of the formable material and the material model of the vumat were used based on one of the damage criteria such as von mises stress. Due to the lack of criteria mentioned in the commercial versions of the software and the importance of considering such damages in numerical simulation for these composites, the criterion was written using coding in the Fortran software environment and the analysis of the penetration phenomenon in composite structure was added to the software capability. In order to validate this model, an experimental test was performed on the kevlar/elastomer composite by a Gas gun device. Also, the study of deformation and output velocity projectile and absorpted energy have been reported as results. The simulation results show a very good agreement with the experimental results.

کلیدواژه‌ها English

Elastomeric composite
high-speed impact
energy absorption
Failure mechanism
Numerical analysis
1. Huang Y. A user-material subroutine incroporating single crystal plasticity in the ABAQUS finite element program: Harvard Univ.; 1991.
2. Qi W, Brocks W. ABAQUS user subroutines for the simulation of viscoplastic behaviour including anisotropic damage for isotropic materials and for single crystals. Technical Note GKSS/WMS/01/5, GKSS-Forschunszentrum Geesthacht GmbH, Geesthacht; 2001.
3. Scheider I. Cohesive model for crack propagation analyses of structures with elastic–plastic material behavior Foundations and implementation. GKSS research center Geesthacht, Dept WMS. 2001.
4. Kirtil E, Pestal D, Kollofrath A, Gänsicke N, Mendler J, editors. Simulating the impact behaviour of composite aircraft structures. 2003 Abaqus Users Conference; 2003.
5. Gao YF, and Bower, A.F. An ABAQUS User Subroutine for a Modified Cohesive Zone Model that Regularizes Convergence and Instability Problems. Division of Engineering, Brown University 2004.
6. Linde P, Pleitner J, de Boer H, Carmone C, editors. Modelling and simulation of fibre metal laminates. ABAQUS Users’ conference; 2004.
7. Ouyang F. Abaqus implementation of creep failure in polymer matrix composites with transverse isotropy: University of Akron; 2005.
8. Rusinek A, Zaera R, Klepaczko JR, Cheriguene R. Analysis of inertia and scale effects on dynamic neck formation during tension of sheet steel. Acta Materialia. 2005;53(20):5387-400.
9. Knight Jr NF, Reeder JR. User-defined material model for progressive failure analysis. 2006.
10. Kanavalli B. Application of User Defined Subroutine UMESHMOTION in ABAQUS for Simulatinf Dry Rolling/sliding Wear: Skolan för industriell teknik och management, Kungliga Tekniska högskolan; 2006.
11. Mirianon F, Fortino S, Toratti T. A method to model wood by using ABAQUS finite element software. Helsinki: VTT Technical Research Centre of Finland. 2008.
12. Giner E, Sukumar N, Tarancón J, Fuenmayor F. An Abaqus implementation of the extended finite element method. Engineering fracture mechanics. 2009;76(3):347-68.
13. Abu Al-Rub RK, Darabi MK, Masad EA. A straightforward numerical technique for finite element implementation of non-local gradient-dependent continuum damage mechanics theories. International Journal of Theoretical and Applied Multiscale Mechanics. 2010;1(4):352-85
14. Zahaki F. Investigation of residual stresses in laser beam welding of aluminum sheets. the first regional conference on mechanical engineering of Islamic Azad University, East Tehran Branch. 2011 [Persian].
15. Han YS, Lee K, Han M-S, Chang H, Choi K, Im S. Finite element analysis of welding processes by way of hypoelasticity-based formulation. Journal of engineering materials and technology. 2011;133(2).
16. Ivañez I, Sanchez-Saez S. Numerical modelling of the low-velocity impact response of composite sandwich beams with honeycomb core. Composite Structures. 2013;106:716-23.
17. Khodadadi A, Liaghat G, Bahramian AR, Ahmadi H, Anani Y, Asemani S, et al. High velocity impact behavior of Kevlar/rubber and Kevlar/epoxy composites: a comparative study. Composite Structures. 2019;216:159-67.
18. Asemani S.S LG, Ahmadi H, Anani Y. Investigation of Ballistic Impact Analysis on Single Layer Kevlar / Elastomer Composite Using Energy equations of Hyperelastic Materials. 27th Annual International Conference of Iranian Society of Mechanical Engineering. Tehran, 2019 [Persian].
19. Khodadadi A, Liaghat G, Ahmadi H, Bahramian AR, Anani Y, Razmkhah O, et al. Numerical and experimental study of impact on hyperelastic rubber panels. Iranian Polymer Journal. 2019;28(2):113-22.
مهندسی مکانیک مدرس
دوره 20، شماره 12
آذر 1399
صفحه 2733-2745