بررسي اثر پارامترهاي فيزيكي، گرمايي و مكانيكي بر تنش هاي پسماند ميكرو در كامپوزيت هاي پليمري

Influence of Physical, Thermal and Mechanical Parameters on Micro Residual Stresses in Polymeric Composites

در اين پژوهش، اثر پارامترهاي فيزيكي، گرمايي و مكانيكي بر تنش هاي پسماند گرمايي ناشي از پخت در مقياس ميكرومكانيك بررسي شده است. بدين منظور، ابتدا بر اساس روش انرژي يك حل نظري براي تعيين ميدان تنش پسماند ارايه شده است. در ادامه پس از با انجام تحليل اجزاي محدود، نتايج دو روش نظري و عددي مقايسه شده اند. نتايج مقايسه نشان مي دهد، تطابق مناسبي بين نتايج دو روش وجود دارد. اما به دليل وجود اثر لبه، روش اجزاي محدود قابليت برقراري شرط مرزي را در دو لبه كامپوزيت (انتهاي تك‌رشته) ندارد. با افزايش طول تك‌رشته، مقدار تنش محوري در تك‌رشته و تنش هاي برشي افزايش مي‌يابد. هم چنين، براي كامپوزيت هاي با الياف بلند توزيع تنش هاي پسماند محوري و برشي در طول تك‌رشته يكنواخت‌تر مي شود و به طور ناگهاني در لبه كامپوزيت به صفر كاهش مي‌يابد. نتايج هر دو روش نشان مي‌دهد، افزون بر مشخصات فيزيكي كامپوزيت، مقدار عدم تطابق در خواص گرمايي و مكانيكي تك‌رشته و ماتريس نيز اثر قابل ملاحظه‌اي بر ميدان تنش هاي پسماند محوري و برشي بين وجهي دارد. ذكر اين مسيله حايز اهميت است كه توزيع تنش شعاعي تقريبا مستقل از عوامل گفته شده است و تنها مقدار بيشينه آن در انتهاي الياف به طور قابل ملاحظه‌تغيير مي كند. حل تحليلي ارايه شده ضمن برآورده كردن تمام شرايط مرزي حاكم بر مسيله، منجر به حصول ميدان تنش پسماند به عنوان تابعي از مختصات طولي و شعاعي مي شود. يك تمركز تنش پسماند برشي در نزديكي لبه كامپوزيت مشاهده مي‌شود كه مقدار آن با افزايش عدم تطابق در خواص گرمايي و كشساني تك‌رشته و ماتريس به طور قابل ملاحظه‌اي افزايش مي‌يابد. افزايش عدم تطابق در ضرايب انبساط گرمايي و مدول كشساني تك‌رشته و رزين، منجر به افزايش قابل ملاحظه تنش هاي پسماند محوري و برشي مي شود، حال آن كه عدم تطابق در ضرايب پواسون اجزاي اصلي كامپوزيت بر ميدان تنش هاي پسماند، تقريبا بي‌اثر است.

The effects of physical, thermal and mechanical parameters on curing microthermal residual stresses are studied, based on the energy method, to present a theoretical solution for prediction of residual stress fields. A finite element analysis is developed to compare the theoretical and numerical results together. There is found to be a good agreement between the results of the two methods. However, due to the edge effect, the finite element method is not able to satisfy the boundary conditions at the composite ends. An increase in the fiber length leads to a significant increase in axial and shear stresses. In addition, for long fiber composites the axial and shear residual stresses distribution become more uniform along the fiber length and suddenly decrease to zero at the composite edge. The results of the two methods demonstrate that besides the physical characteristics of composites, the order of mismatch in thermal and mechanical properties of the fiber and matrix has a considerable influence on the axial and shear residual stress fields. It must be noted that the radial stress distribution is approximately independent of these parameters and only its maximum value is changed at fiber end. The presented analytical solution not only satisfies all governing boundary conditions, but also yields the residual stress fields according to longitudinal and radial coordinates. A shear stress concentration occurs at vicinity of composite edge that significantly intensifies due to increasing the mismatch in thermal and elastic properties of the fiber and matrix. High mismatch in coefficient of the thermal expansion and Young’s modulus of the fiber and matrix causes a substantial increase in the axial and shear stresses, while the difference between the Poisson’s ratios of the composite constituents has not any significant effect on the residual stress field.