مهندسی مکانیک مدرس

مهندسی مکانیک مدرس

اندازه‌گیری چقرمگی شکست جدایش پوسته از هسته در سازه‌های ساندویچی شیاردار تحت مود اول بارگذاری

نوع مقاله : پژوهشی اصیل

نویسندگان
1 دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه علم و صنعت ایران، تهران، ایران
2 پژوهشگاه فضایی ایران، تهران، ایران
چکیده
پنل ساندویچی ترکیبی از یک هسته نرم و دو پوسته با سفتی و استحکام بالا می‌باشد. در بسیاری از موارد پیوند بین پوسته و هسته به‌عنوان نقطه بحرانی آسیب‌رسان به یکپارچگی سازه ساندویچی محسوب می‌شود. در این تحقیق چقرمگی جدایش پوسته از هسته در تیرهای ساندویچی با هسته شیاردار متشکل از پوسته با جنس کولار 49/پلی‌استر و هسته از جنس فوم پلی‌اورتان به‌صورت تجربی اندازه‌گیری شده است. مقادیر نرخ رهایی انرژی کرنشی به‌دست‌آمده در شروع رشد ترک برای نمونه‌های مورد آزمایش در محدوده 340 ژول بر مترمربع بوده و با رشد ترک تا محدوده 500 ژول بر مترمربع نیز افزایش می‌یابد. از جمله نوآوری‌های تحقیق حاضر می‌توان به بررسی تاثیر شیاردار کردن هسته ساندویچ پنل، بر مقاومت سازه در برابر رشد ترک اتصالی اشاره کرد. نتایج نشان می‌دهد که با قرار گرفتن شیار درون هسته ساندویچ پنل، ترک اتصالی در هنگام رشد با برخورد به هر شیار متوقف شده و برای شروع مجدد رشد خود به نیروی بالاتری نیاز دارد. همین پدیده باعث افزایش مقاومت این نوع از سازه در مقابل رشد ترک در ناحیه پوسته/هسته می‌گردد. در این تحقیق همچنین از مدلی برمبنای تئوری ناحیه چسبناک برای شبیه‌سازی رشد ترک در نمونه‌های مورد آزمایش استفاده شده است. مقایسه منحنی‌های بار-جابجایی به‌دست‌آمده از تحلیل نشان می‌دهد مدل ارائه‌شده توانایی مناسبی در پیش‌بینی رفتار سازه در شرایط بارگذاری مشابه را داراست.
کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله English

Measurement of face to core debonding fracture toughness of core grooved sandwich structures under mode I of loading

نویسندگان English

Vahid Gholami 1
F. Taheri-Behrooz 1
Behnam Memar-Maher 2
1 School of Mechanical Engineering, Iran University of Science and Technology, Tehran, Iran
2 Iranian Space Research Center, Tehran, Iran
چکیده English

The sandwich panel is a combination of a soft core and two stiff, high-strength facesheets. In many cases, the connection between the facesheet and the core is considered as a critical point that can damages the integrity of the sandwich structure. In this study, the debonding toughness between the facesheet and the core in sandwich beams with grooved cores made of Kevlar 49/polyester facesheets and polyurethane foam core has been measured experimentally. The values ​​of the strain energy release rate obtained at the onset of crack growth for the tested specimens are in the range of 340 (J/Square meters) and increase with the crack growth up to 500 (J/Square meters). One of the innovations of the present study is to investigate the effect of grooving the core of the sandwich panel on the resistance of the structure to the growth of interfacial cracks. The results show that by placing the groove inside the core of the sandwich panel, the interfacial crack stops during growth by hitting each groove and requires higher force to restart its growth. This phenomenon increases the resistance of this type of structure against the growth of cracks in the face/core area. In this research, a model based on cohesive zone theory was used to simulate crack growth in the tested specimens. Comparison of load-displacement curves obtained from the analysis shows that the proposed model has a good ability to predict the behavior of the structure under similar loading conditions.

کلیدواژه‌ها English

Sandwich panel
Fracture toughness
Interfacial crack
Cohesive zone model
Strain Energy Release Rate
1. Saeid AA, Donaldson SL. Experimental and finite element evaluations of debonding in composite sandwich structure with core thickness variations. Adv Mech Eng. 2016 Sep 1;8(9):1687814016667418.
2. Yoshida K, Uchida K, Nishita Y, Hirose Y, Kuraishi A. Suppression of initial failure at tapered end-closure sandwich panel joint by taper angle change. Adv Compos Mater [Internet]. 2017;26(4):375–90. Available from: http://dx.doi.org/10.1080/09243046.2016.1266433
3. Shir Mohammadi M, Nairn JA. Balsa sandwich composite fracture study: Comparison of laminated to solid balsa core materials and debonding from thick balsa core materials. Compos Part B Eng [Internet]. 2017;122:165–72. Available from: http://dx.doi.org/10.1016/j.compositesb.2017.04.018
4. Shivakumar K, Chen H, Smith SA. An evaluation of data reduction methods for opening mode fracture toughness of sandwich panels. J Sandw Struct Mater. 2005;7(1):77–90.
5. Avilés F, Carlsson LA. Analysis of the sandwich DCB specimen for debond characterization. Eng Fract Mech. 2008;75(2):153–68.
6. Ramantani DA, de Moura MFSF, Campilho RDSG, Marques AT. Fracture characterization of sandwich structures interfaces under mode I loading. Compos Sci Technol. 2010;70(9):1386–94.
7. م. خوشروان آذر، ف. پور اسماعیل، “بررسی عددی رشد ترک و جدایی پوسته از هسته در سازه های ساندویچی،” همایش سالانه بین‌المللی مهندسی مکانیک ایران، 1389.
8. Bianchi F, Zhang X. A cohesive zone model for predicting delamination suppression in z-pinned laminates. Compos Sci Technol [Internet]. 2011;71(16):1898–907. Available from: http://dx.doi.org/10.1016/j.compscitech.2011.09.004
9. Davidson P, Waas AM, Yerramalli CS. Experimental determination of validated, critical interfacial modes I and II energy release rates in a composite sandwich panel. Compos Struct. 2012;94(2):477–83.
10. De Morais AB. Mode I cohesive zone model for delamination in composite beams. Eng Fract Mech [Internet]. 2013;109:236–45. Available from: http://dx.doi.org/10.1016/j.engfracmech.2013.07.004
11. Xu G, Yan R. The Use of Sprint Interface Element Delamination Simulation of Sandwich Composite Beam. Appl Compos Mater [Internet]. 2017;24(5):1049–60. Available from: http://dx.doi.org/10.1007/s10443-016-9574-4
12. Höwer D, Lerch BA, Bednarcyk BA, Pineda EJ, Reese S, Simon JW. Cohesive zone modeling for mode I facesheet to core delamination of sandwich panels accounting for fiber bridging. Compos Struct. 2018;183(1):568–81.
13. Yoshida K, Aoki T. Beam on elastic foundation analysis of sandwich SCB specimen for debond fracture characterization. Compos Struct. 2018;195:83–92.
14. Ahmed A, Fahim A, Naguib HE. Design of new hybrid composites using metal embedded in polymer foam and foam composite. J Compos Mater. 2009;43(15):1603–19.
15. Hirose Y, Matsuda H, Matsubara G, Inamura F, Hojo M. Evaluation of New Crack Suppression Method for Foam Core Sandwich Panel Via Fracture Toughness Tests and Analyses Under Mode-I Type Loading. J Sandw Struct Mater. 2009;11(6):451–70.
16. Stewart JK, Mahfuz H, Carlsson LA. Enhancing mechanical and fracture properties of sandwich composites using nanoparticle reinforcement. J Mater Sci. 2010;45(13):3490–6.
17. May-Pat A, Avilés F, Aguilar J. Mechanical properties of sandwich panels with perforated foam cores. J Sandw Struct Mater. 2011;13(4):427–44.
18. Halimi F, Golzar M, Asadi P, Beheshty MH. Core modifications of sandwich panels fabricated by vacuum-assisted resin transfer molding. J Compos Mater [Internet]. 2012 Jul 4;47(15):1853–63. Available from: https://doi.org/10.1177/0021998312451763
19. Hirose Y, Matsuda H, Matsubara G, Hojo M, Yoshida K, Inamura F. Experimental evaluation of splice-type crack arrester with a filler under mode-I type loading. Compos Struct [Internet]. 2013;100:300–6. Available from: http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0263822313000305
20. Yokozeki T, Iwamoto K. Effects of core machining configuration on the debonding toughness of foam core sandwich panels. Adv Compos Mater. 2016;25(1):45–58.
21. Selwyn Jebadurai D, Razal Rose A, Aatthisugan I. A Novel Approach to Enhance Mechanical Characteristics of Sandwich Composites. Mater Today Proc [Internet]. 2020;24:618–27. Available from: http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2214785320329382
22. Carlsson LA, Kardomateas GA. Structural and Failure Mechanics of Sandwich Composites. Springer Netherlands; 2011. (Solid Mechanics and Its Applications).
23. Erdogan F. Fracture mechanics. Int J Solids Struct. 2000 Jan 1;37(1–2):171–83.
24. Irwin GR, Kies JA. Critical energy rate analysis of fracture strength. Weld J. 1954;33(4):193–8.
25. ASTM D5528-13, Standard Test Method for Mode I Interlaminar Fracture Toughness of Unidirectional Fiber-Reinforced Polymer Matrix Composites [Internet]. West Conshohocken, PA; 2013. Available from: www.astm.org
26. ASTM D3039 / D3039M-17, Standard Test Method for Tensile Properties of Polymer Matrix Composite Materials [Internet]. West Conshohocken, PA; 2017. Available from: www.astm.org
27. MatWeb. LAST-A-FOAM® FR-7109 Polyurethane Foam [Internet]. General Plastics Manufacturing Company. Available from: http://www.matweb.com/search/DataSheet.aspx?MatGUID=73a2cae19d794e41ab4aad2c77c08fa1&ckck=1
28. Jiang H. Cohesive zone model for carbon nanotube adhesive simulation and fracture/fatigue crack growth. University of Akron; 2010.