مهندسی مکانیک مدرس

مهندسی مکانیک مدرس

تحلیل تجربی و ترموگرافی لایه‌لایه‌شدگی در سوراخ‌کاری کامپوزیت (GFRP) تحت اثر نرخ پیشروی و مقایسه آن با آزمون ضربه کم‌سرعت

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 دانشکده فنی کاسپین، پردیس فنی ، دانشگاه تهران، رضوانشهر، گیلان، ایران
2 گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه ولی عصر (عج) رفسنجان ، ایران
3 گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه پیام نور، تهران، ایران
10.48311/mme.2026.123285.83101
چکیده
کامپوزیت‌های پلیمری تقویت‌شده با الیاف شیشه (GFRP) به‌دلیل نسبت استحکام به وزن بالا و مقاومت به خوردگی عالی، کاربرد گسترده‌ای در صنایع مهندسی دارند. بااین‌حال، سوراخ‌کاری در نرخ‌های پیشروی بالا موجب اعمال بارگذاری گذرا و شبه‌ضربه‌ای همراه با تمرکز تنش شدید شده و لایه‌لایه‌شدگی را در ورودی و خروجی سوراخ تشدید می‌کند. در این پژوهش تجربی، تأثیر نرخ پیشروی، سرعت دوران، قطر و هندسه ابزار، پیش‌سوراخ‌کاری و خنک‌کاری بر ضریب لایه‌لایه‌شدگی لمینیت‌های (GFRP) با ضخامت ۲ میلی‌متر بررسی شد. توزیع دمای موضعی سطح با دوربین ترموگرافی ثبت و تحلیل گردید و سازوکار آسیب ناشی از مته با نتایج آزمون ضربه کم‌سرعت مقایسه شد. نتایج نشان داد افزایش نرخ پیشروی به‌دلیل بارگذاری دینامیکی محوری، ضریب لایه‌لایه‌شدگی را به‌طور چشمگیری افزایش می‌دهد. در میان ابزارها، مته پله‌ای ۱۰ میلی‌متری با توزیع تدریجی نیروی محوری کمترین آسیب را ایجاد کرد و پیش‌سوراخ‌کاری نیز شدت نفوذ اولیه ابزار را کاهش داد. تحلیل ترموگرافی نشان داد افزایش سرعت دوران موجب بالا رفتن دما شده، درحالی‌که خنک‌کاری با جلوگیری از نرم‌شدگی حرارتی ماتریس، لایه‌لایه‌شدگی را کاهش می‌دهد. در آزمون ضربه کم‌سرعت، مساحت آسیب برای پرتابه‌های تخت، کروی و مخروطی به‌ترتیب "۰٫۲۰" ، "۱٫۲۱" و "۳٫۱۹" سانتیمتر مربع به‌دست آمد که نشان‌دهنده شباهت آسیب ناشی از هندسه‌های نوک‌تیز با سوراخ‌کاری در نرخ‌های پیشروی بالاست. در نتیجه، کنترل نرخ پیشروی، به‌کارگیری مته پله‌ای، پیش‌سوراخ‌کاری و اعمال خنک‌کاری از راهکارهای کلیدی جهت مهار لایه‌لایه‌شدگی در سوراخ‌کاری (GFRP) محسوب می‌شوند.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

عنوان مقاله English

Experimental and Thermographic Analysis of Delamination in GFRP Composite Drilling Under Feed Rate Effects: A Comparative Study with Low-Velocity Impact

نویسندگان English

sajjad Seifoore 1
ahmad Ahmad Mahdian Parrany 2
Ali Akbar Majidi-Jirandehi 3
Esmail Shokouhi 2
1 Caspian Faculty of Engineering, College of Engineering, University of Tehran, Rezvanshahr, Gilan, Iran
2 Department of Mechanical Engineering, Vali–e–Asr University of Rafsanjan, Rafsanjan, Iran.
3 Department of Mechanical Engineering, Payame Noor University, Tehran, Iran.
چکیده English

Glass fiber-reinforced polymer (GFRP) composites are widely used in engineering applications due to their high strength-to-weight ratio and corrosion resistance. However, drilling at high feed rates induces transient, quasi-impact loading with severe stress concentrations, exacerbating delamination at hole entry and exit. This experimental study comprehensively investigates the effects of feed rate, spindle speed, drill geometry and diameter, pre-drilling, and cooling on the delamination factor of 2-mm-thick GFRP laminates. Infrared thermography was employed to capture localized surface temperature distributions, and drill-induced failure mechanisms were comparatively evaluated against low-velocity impact tests. The results revealed that increasing the feed rate substantially elevated the delamination factor due to abrupt dynamic thrust forces. Among all tools, the 10-mm step drill minimized delamination by progressively distributing axial loads, while pre-drilling mitigated initial penetration severity. Thermographic analysis showed that higher spindle speeds raised cutting temperatures, whereas cooling effectively suppressed matrix thermal softening, thereby reducing delamination. In low-velocity impact tests, the damaged areas for flat, hemispherical, and conical impactors were 0.20, 1.21, and 3.19〖" cm" 〗^2, respectively, confirming that sharp contact geometries induce severe localized damage analogous to high feed-rate drilling. Consequently, controlling feed rate, employing step drills, pre-drilling, and applying cooling are critical strategies to suppress delamination in GFRP composite drilling.

کلیدواژه‌ها English

GFRP composite
drilling
feed rate
low-velocity impact
thermography
[1] S. R. Karnik, V. N. Gaitonde, J. C. Rubio, A. E. Correia, A. M. Abrão, and J. P. Davim, “Delamination analysis in high speed drilling of carbon fiber reinforced plastics (CFRP) using artificial neural network model,” Mater. Des., vol. 29, no. 9, pp. 1768–1776, 2008, doi: 10.1016/j.matdes.2008.03.014.
[2] W.-C. Chen, “Some experimental investigations in the drilling of carbon fiber-reinforced plastic (CFRP) composite laminates,” Int. J. Mach. Tools Manuf., vol. 37, no. 8, pp. 1097–1108, Aug. 1997, doi: 10.1016/S0890-6955(96)00095-8.
[3] B. Latha, V. S. Senthilkumar, and K. Palanikumar, “Influence of drill geometry on thrust force in drilling GFRP composites,” J. Reinf. Plast. Compos., vol. 30, no. 6, pp. 463–472, Mar. 2011, doi: 10.1177/0731684411398520.
[4] O. Isbilir and E. Ghassemieh, “Numerical investigation of the effects of drill geometry on drilling induced delamination of carbon fiber reinforced composites,” Compos. Struct., vol. 105, pp. 126–133, Nov. 2013, doi: 10.1016/j.compstruct.2013.04.026.
[5] Rampal, G. Kumar, S. M. Rangappa, S. Siengchin, and S. Zafar, “A review of recent advancements in drilling of fiber-reinforced polymer composites,” Compos. Part C Open Access, vol. 9, p. 100312, Oct. 2022, doi: 10.1016/j.jcomc.2022.100312.
[6] A. Ünüvar and O. Öztürk, “Machinability analysis of delamination and thrust force in drilling of pure and added GFRP composites,” J. Compos. Mater., vol. 57, no. 1, pp. 3–21, Jan. 2023, doi: 10.1177/00219983221139423.
[7] R. K. Thakur and K. K. Singh, “Evaluation of drilling characteristics to explore the effect of graphene nanoplatelets on glass fiber reinforced polymer composite,” Measurement, vol. 219, p. 113233, Oct. 2023, doi: 10.1016/j.measurement.2023.113233.
[8] V. Durga Prasada Rao, S. R. S. Mahaboob Ali, S. M. Z. Ali, and B. S. Santhoshi, “Analysis of delamination during drilling process of aramid fibre reinforced polymers,” Journal of Physics: Conference Series, vol. 2765, no. 1, Art. no. 012016, 2024,  doi: 10.1088/1742-6596/2765/1/012016.
[9] M. J. Khodaparast, R. Azarafza, and A. Vafaiesifat, “Experimental investigation and optimization of the effective parameters in the drilling process of glass fiber–epoxy composite parts,” Composite Science and Technology, vol. 8, no. 1, pp. 1411–1420, 2021. [Online]. Available:  https://sid.ir/paper/1034487/fa
[10] H. Razqimaleki, P. Parvandeh, and M. Hamedi, “A review of drilling of natural fiber-reinforced composites,” Journal of Mechanical Engineering, vol. 33, no. 6, pp. 58–71, 2025, doi:
10.30506/mmep.2025.2034118.2182.
[11] S. Seifoori, A. Alibiglo, G. Liaghat, and M. Pol, “Explicit finite element modeling of impact loading on nanobeam to compare with Euler–Bernoulli and Timoshenko theory,” Modares Mechanical Engineering, vol. 14, no. 13, pp. 259–268, 2015. Dor :20.1001.1.10275940.1393.14.13.4.7.
[12]  S. Seifoori, A. M. Parrany, and S. Mirzarahmani, “Impact damage detection in CFRP and GFRP curved composite laminates subjected to low-velocity impacts,” Compos. Struct., vol. 261, p. 113278, Apr. 2021, doi: 10.1016/j.compstruct.2021.113278.
[13] S. Seifoori, R. Izadi, and A. R. Yazdinezhad, “Impact damage detection for small- and large-mass impacts on CFRP and GFRP composite laminates with different striker geometries using experimental, analytical and FE methods,” Acta Mech., vol. 230, no. 12, pp. 4417–4433, Dec. 2019, doi: 10.1007/s00707-019-02509-0.
[14] B. Arachchige and H. Ghasemnejad, “Post impact analysis of damaged variable-stiffness curved composite plates,” Compos. Struct., vol. 166, pp. 12–21, Apr. 2017, doi: 10.1016/j.compstruct.2017.01.018.
[15] S. Seifoori and M. Hosseini, “Analytical and numerical study of composite plates under impact loading at low velocity with different strikers,” Modares Mechanical Engineering, vol. 18, pp. 53–60, 2018. dor: 20.1001.1.10275940.1397.18.2.25.4.
[16] S. Seifoori, G. H. Liaghat, and M. Foladi, “Low velocity impact on Timoshenko nanobeam using a nonlocal elasticity theory,” Modares Mechanical Engineering, vol. 13, no. 8, pp. 151–160, 2013.