مطالعه عددي- تجربي اثر نرخ كرنش بر خواص كششي نانوكامپوزيت هاي گرافن- اپوكسي

Numerical and Experimental Investigation of the Strain Rate Effect on Tensile Properties of Graphene/Epoxy Nanocomposites

در اين پژوهش، اثر نرخ كرنش بر رفتار كششي نانوكامپوزيت هاي گرافن- اپوكسي مورد بررسي قرار گرفت. نمونه ها براي 0/05، 0/1، 0/3 و 0/5 درصد وزني گرافن اكسايد آماده سازي شدند و تحت آزمون كشش در نرخ هاي كرنش مختلف قرار گرفتند. نتايج تجربي نشان داد كه حداكثر بهبود در استحكام كششي و مدول به ترتيب 9 و 16% و براي نانوكامپوزيت، 0/1 درصد وزني به دست آمده بودند. همچنين، نتايج نشان داد كه اپوكسي و نانوكامپوزيت هاي آن به نرخ كرنش حساس بودند. حساسيت به نرخ با افزايش درصدهاي وزني گرافن، كاهش يافت. علاوه بر آن نشان داده شد كه با افزايش نرخ كرنش، استحكام كششي و مدول اپوكسي خالص به ترتيب 15/8 و 16/8% بهبود يافتند. در اين مطالعه، تناسب و كارآيي مدل ماده جانسون- كوك براي توصيف ارتباط تنش- كرنش نانوكامپوزيت ها، به كمك تكنيك تركيب آزمايشي- عددي- بهينه سازي ارزيابي شد. شبيه سازي هاي عددي با استفاده از برنامه تجاري آباكوس و بهينه سازي، با استفاده از مدل سازي جايگزيني انجام گرفت. نتايج نشان داد كه در نرخ هاي كرنش خيلي پايين، مدل جانسون- كوك دقيق نيست. با اين حال، با افزايش درصد وزني گرافن يا افزايش نرخ كرنش، دقت مدل بهبود چشمگيري يافت.

In this research, the effect of strain rate on the tensile behavior of the graphene/epoxy nanocomposites was investigated. The specimens were prepared for 0.05, 0.1, 0.3 and 0.5 wt.% graphene oxide and were subjected to tensile tests at different strain rates. The experimental results showed that the maximum improvements in the tensile strength, the modulus, and nanocomposite were 9%, 16%, and 0.1 wt.%, respectively. Also, the results indicated that the epoxy and its nanocomposites were sensitive to the strain rate. The rate sensitivity decreased with the increase of the graphene weight percentages. Moreover, it was shown that by increasing the strain rate, the tensile strength and modulus for pure epoxy were improved by 15.8% and 16.8%, respectively. In this study, the appropriateness and applicability of the Johnson-Cook material model for describing the stress-strain relation of the nanocomposites were examined by a combined experimental-numerical-optimization technique. The numerical simulations were carried out using Abaqus commercial program and the optimizations were performed using the Surrogate modeling. The results showed that the Johnson-cook model is not accurate at very low strain rates. However, the accuracy of the model was remarkably improved by increasing the graphene weight percentage or increasing strain rate.