مطالعه تجربي و عددي رفتار استاتيكي ورق هاي مركب دوپاياي متشكل از سه نوار فلزي در لايه مياني

Experimental and Numerical Study of Static Behavior of Bi-stable Hybrid Composite Laminates Containing Three Metallic Strips in its Middle Layer

در اين پژوهش، چينش جديدي از ورق هاي مركب هيبريدي دوپايا متشكل از الياف كربن تك جهته با زاويه 90درجه در قسمت بالايي و پاييني ورق و نوارهاي فلزي و الياف كربن تك جهته با زاويه صفر در قسمت مياني معرفي شده است. رفتار استاتيكي ورق با روش اجزاي محدود و به صورت تجربي، مطالعه و بررسي شده است. اين سازه برخلاف ورق هاي مركب دوپاياي معمول داراي دو حالت پايدار مشابه و نيروي پرش يكسان است. راستاي انحناي اصلي ورق در هر دو حالت پايدار، يكسان ولي در جهت عكس يكديگر است و هنگام تغيير شكل بين دو حالت پايدار تغيير نمي كند. اين ويژگي در ساخت سازه هاي مورفينگ مي تواند جالب و پركاربرد باشد. در روش اجزاي محدود با استفاده از نرم افزار آباكوس اثر پارامترهاي مختلف مانند عرض و خواص مكانيكي نوارها، ضخامت لايه ها و طول جانبي بر رفتار استاتيكي ورق مورد مطالعه قرار گرفته است. به منظور اعتبارسنجي نتايج به دست آمده از روش اجزاي محدود، تعدادي ورق با چينش و مشخصات هندسي مختلف ساخته شده است. مقادير انحناي اصلي، جابجايي خارج از صفحه و نيروي پرش ناگهاني به صورت تجربي، اندازه گيري و با نتايج روش اجزاي محدود مقايسه و سازگاري مناسبي مشاهده شده است. نتايج به دست آمده، نشان مي دهد كه مي توان انحناي اصلي و قابليت تحمل پذيري بار اين سازه ها را بر اساس نوع كاربرد آنها با تغيير پارامترهاي طراحي مانند عرض يا جنس نوارها، ضخامت لايه ها به ميزان دلخواه تغيير داد.

This study introduces a new lay-ups of bi-stable hybrid composite laminate (BHCL) which consists of 90° unidirectional composite laminas in the upper and lower layers and metallic strips distributed along with the middle layer of 0° unidirectional composite laminas in the middle layer. The static characteristics of the laminates were investigated using the finite element (FE) method and were experimentally validated. The two stable configurations of laminate have identical curvatures with opposite signs. The curvature direction of the proposed BHCLs does not change during snap-through between stable states. This feature will give the engineers more freedom to design morphing structures with desired specifications. The effect of the width, thickness, and material properties of the strips and laminate side length on the static characteristics of the laminate were numerically investigated using the finite element method through Abaqus software. Several BHCLs with different materials, lay-up and dimension were fabricated for verification of the results. The curvatures, out of plane displacement, and the static snap-through load of the laminates were determined experimentally and compared with the results of the finite element method. A good qualitative and quantitative agreement was observed between the FE and the experimental results. The results show that it is possible to adjust residual curvature and load-carrying capability by changing the width, thickness, and material of the strips and laminate geometry.