مهندسی مکانیک مدرس

مهندسی مکانیک مدرس

بررسی تجربی اثر زوایای فصل مشترک تورق بر چقرمگی شکست چندلایه‌های کامپوزیتی با الیاف بافته شده تحت بارگذاری مود II

نوع مقاله : پژوهشی اصیل

نویسندگان
مظاهر سلامت طلب 1
علی زین العابدین بیگی 2
سید مرتضی سیدنژاد 2
1 گروه مهندسی مکانیک، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی اراک
2 گروه مهندسی مکانیک، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی اراک، اراک، ایران
چکیده
تورق یکی از شایع‌‌ترین مودهای تخریب در چندلایه‌‌های کامپوزیتی بوده که می‌‌تواند منجر به کاهش سفتی و قابلیت باربری سازه کامپوزیتی گردد که این موضوع، اهمیت مطالعه این پدیده را مشخص می‌نماید. بدین منظور در تحقیق حاضر، به بررسی اثر زوایای فصل مشترک تورق بر چقرمگی شکست چندلایه‌های کامپوزیتی زمینه پلمیری با الیاف بافته شده ساده پرداخته شده است. نمونه با شکاف انتهایی (ENF) با 24 لایه و زوایای فصل مشترک تورق 0//0، 0//30 و 30//-30 با استفاده از روش لایه‌چینی دستی ساخته شده و مطابق با استاندارد انجمن مهندسان مکانیک امریکا (ASTM) تحت بارگذاری مود II قرار گرفته است. نتایج آزمایشگاهی نشان می‌دهد که زاویه فصل مشترک تورق بر چقرمگی شکست شروع و پایا تأثیر محسوسی داشته است به گونه‌ای که قابلیت باربری نمونه با زاویه فصل مشترک غیر صفر بیشترین مقدار بوده است. علاوه بر این، مقدار چقرمگی شکست شروع و پایا در نمونه با زوایه فصل مشترک تورق 0//0 کمتر از مقادیر متناظر آن در نمونه‌های دیگر بوده و طول ناحیه فرآیند شکست در تمامی نمونه‌ها تقریبا یکسان بوده است. تصاویر بدست آمده از سطوح شکست با استفاده از میکروسکوپ الکترونی روبشی بیانگر این موضوع است که علاوه بر جدایش الیاف از رزین در ناحیه فصل مشترک تورق، سایر مکانیزم‌های آسیب مانند شکست الیاف و تغییر شکل بالای ماتریس نقشی اساسی در افزایش چقرمگی شکست نمونه با شکاف انتهایی با زوایای فصل مشترک تورق0//30 و 30//-30 داشته است.
کلیدواژه‌ها
چقرمگی شکست
منحنی مقاومت
چندلایه‌‌های کامپوزیتی با الیاف بافته شده
تورق

موضوعات

عنوان مقاله English

Experimental investigation of the effect of interface fiber angle on the fracture toughness of woven laminated composites under mode II loading

نویسندگان English

Mazaher Salamat-talab 1
Ali Zeinolabedin Beygi 2
Morteza Seyyednejad 2
1 Department of Mechanical Engineering, Arak University of Technology
2 Department of Mechanical Engineering, Arak University of Technology, Arak, Iran
چکیده English

Delamination is one of the most common modes of damage in laminated composites that can reduce stiffness and load-bearing capacity of the composite structure, which highlights the importance of studying of this phenomenon. For this purpose, in this study, the effect of the interface fiber angles on the mode II fracture toughness of plain woven laminated composites has been investigated. The end notch flexure specimens (ENF) with 24 layers which have 0//0, 0//30 and 30//-30 interface angles manufactured using hand lay-up method and experimental tests conducted on them in accordance with ASTM standard under load II mode loading. Experimental results show that the interface fiber angle has a significant effect on initiation and propagation of delamination toughness the initial and propagation fracture toughness, so that the load bearing capacity of the specimens with the non-zero interface fiber angle was the highest value. Moreover, the initiation and propagation value of fracture toughness for specimens with 0//0 interface fiber angle was less than the corresponding values for other samples with non-zero interface angles. In addition, the fracture process zone (FPZ) length was approximately the same for all samples. Taken images of fracture surfaces using scanning electron microscopy (SEM) show that in addition to the separation of fibers from the resin at delamination, other damage mechanisms Including fiber breakage and highly deformed matrix play a key role in increasing of the fracture toughness of the sample with 0//30 and 30//-30 interface fiber angle.

کلیدواژه‌ها English

Fracture toughness
resistance curve (R-Curve)
woven laminated composites
Delamination
[1] Hashemi S, Kinloch A, and Williams J, The effects of geometry, rate and temperature on the mode I, mode II and mixed-mode I/II interlaminar fracture of carbon-fibre/poly (ether-ether ketone) composites. Journal of Composite Materials, 1990;24(9), p. 918-956.
[2] Williams, J, On the calculation of energy release rates for cracked laminates. International Journal of Fracture, 1988;36(2), p. 101-119.
[3] Lyashenko‐Miller T and Marom G, Delamination fracture toughness of UHMWPE fibers/polyurethane laminates interleaved with carbon nanotube‐reinforced polyurethane films. Polymers for Advanced Technologies 28(5), 2017;p. 606-612.
[4] Whitcomb J.D, Analysis of instability-related growth of a through-width delamination; 1984.
[5] Davidson B.D and Sun X, Effects of friction, geometry, and fixture compliance on the perceived toughness from three-and four-point bend end-notched flexure tests. Journal of reinforced plastics and composites, 2005;24(15), p. 1611-1628.
[6] Shin S and Jang J, Fractographical analysis on the mode II delamination in woven carbon fiber reinforced epoxy composites. Journal of materials science. 1999;34(21), p. 5299-5306.
[7] Ozdil F, Carlsson L and Davies P, Beam analysis of angle-ply laminate end-notched flexure specimens. Composites Science and Technology, 1998;58(12), p. 1929-1938.
[8] Pereira A, de Morais A, Marques A and de Castro P, Mode II interlaminar fracture of carbon/epoxy multidirectional laminates. Composites Science and Technology, 2004;64(10-11), p. 1653-1659.
[9] Tao J and Sun C, Influence of ply orientation on delamination in composite laminates. Journal of Composite Materials, 1998;32(21), p. 1933-1947.
[10] Shokrieh M.M. and Zeinedini A, Prediction of Strain Energy Release Rate of Asymmetric Double Cantilever Composite Beam in Mixed-mode I/II Delamination using Equivalent Lay-up. Modares Mechanical Engineering, 2014; 13(13): p. 214-225 (in Persian).
[11] Choi N, Kinloch A and Williams J, Delamination fracture of multidirectional carbon-fiber/epoxy composites under mode I, mode II and mixed-mode I/II loading. Journal of Composite Materials, 1999;33(1), p. 73-100.
[12] Gong Y, Zhang B, Zhao L, Zhang J, Hu N and Zhang C, R-curve behaviour of the mixed-mode I/II delamination in carbon/epoxy laminates with unidirectional and multidirectional interfaces. Composite Structures, 2019;223: p. 110949.
[13] Bascom WD, Bitner JL, Moulton RJ, Siebert AR, The interlaminar fracture of organic-matrix, woven reinforcement composites. Composites 1980;11:9–18.
[14] Moradi E and Zeinedini A, On the mixed mode I/II/III inter-laminar fracture toughness of cotton/epoxy laminated composites. Theoretical and Applied Fracture Mechanics, 2020;105: p. 102400.
[15] Fereidoon A, Sabet A.R, Dolati S.H and Esmaeeli M.R, The influence of stacking sequence on mode I interlaminar fracture toughness of glass fiber/epoxy composite panels. Journal of Solid and Fluid Mechanics, 2014;4(2): p. 183-187(in Persian).
[16] Srivastava VK, Gries T, Veit D, Quadflieg T, Mohr B and Kolloch M, Effect of nanomaterial on mode I and mode II interlaminar fracture toughness of woven carbon fabric reinforced polymer composites. Eng Fract Mech 2017;180:73–86.
[17] Wood MDK, Sun X, Tong L, Luo Q, Katzos A and Rispler A, A new ENF test specimen for the mode II delamination toughness testing of stitched woven CFRP laminates. J Compos Mater 2007;41:1743–72.
[18] Hirai Y, Hamada H and Kim JK, Impact response of woven glass-fabric composites - I. Effect of fibre surface treatment. Compos Sci Technol 1998;58:91–104.
[19] Gill AF, Robinson P, Pinho S, Effect of variation in fibre volume fraction on modes I and II delamination behaviour of 5HS woven composites manufactured by RTM. Compos Sci Technol 2009;69:2368–75.
[20] Shin S and Jang J, Fractographical analysis on the mode II delamination in woven carbon fiber reinforced epoxy composites. J Mater Sci, 1999;34:5299–306.
[21] Pereira, A. and de Morais A, Mode II interlaminar fracture of glass/epoxy multidirectional laminates. Composites Part A: applied science and manufacturing, 2004;35(2): p. 265-272.
[22] Kharratzadeh-Khorasgani M, Shokrieh M.M, Salamat-talab M, Experimental investigation of delamination growth in laminated composites made of woven fabric/epoxy with 0//θ Interface. Modares Mechanical Engineering. 2018;18 (9) :26-32 (in Persian).
[23] Koloor, S.S.R and Tamin M.N, Mode-II interlaminar fracture and crack-jump phenomenon in CFRP composite laminate materials. Composite Structures, 2018;204: p. 594-606.
[24] Hosseini M.R, Taheri-Behrooz F, Salamat-Talab M, Mode II interlaminar fracture toughness of woven E-glass/epoxy composites in the presence of mat interleaves. International Journal of Adhesion and Adhesives, 2020;98: p. 102523.
مهندسی مکانیک مدرس
دوره 21، شماره 4
فروردین 1400
صفحه 225-233