تحليل جدايش و خرابي پوسته– تقويت كننده كامپوزيتي تحت بارگذاري استاتيكي

Analysis of composite skin/stringer debonding and failure under static loading using cohesive zone model

مواد مركب چندلايه به دليل استحكام و سفتي بالا در مقايسه با وزن‌شان، به طور وسيعي در سازه هاي مختلف مانند سازه هاي هوافضايي استفاده مي شوند. بنابراين پيش بيني آسيب اين مواد بسيار مهم مي باشد. يكي از اصلي ترين مكانيزم هاي خرابي اين مواد، جدايي بين لايه اي مي باشد كه در اتصالات پوسته-تقويت كننده زياد رخ مي دهد. در اين مقاله جدايي بين لايه‌اي در سازه‌هاي پوسته– تقويت كننده كامپوزيتي تحت بارگذاري استاتيكي خمش سه نقطه اي و چهار نقطه اي با استفاده از المان چسبنده به صورت مقايسه اي مورد ارزيابي قرار گرفته است. هم چنين اثرات ترتيب لايه چيني در تخريب به صورت تفصيليبررسي شده است. المان بين لايه اي در چارچوب مكانيك آسيب و بر مبناي مدل ناحيه چسبنده دوخطي با استفاده از ماده نوشته شده توسط كاربر در نرم افزار انسيس پياده سازي شده است. مزيت اين روش، امكان مدل‌سازي رشد جدايي بين لايه اي بدون نياز به وجود ترك اوليه و المان‌بندي مجدد مي باشد. مقايسه نتايج حاصل از تحليل اجزا محدود با آزمايش هاي موجود، نشان از كارايي روش به كار گرفته شده در پيش بيني شروع و رشد جدايي بين لايه اي دارد. نتايج نشان مي دهد كه در خمش سه نقطه، آسيب ابتدا از اتصال چسبي بين پوسته و تقويت كننده شروع مي شود، در حالي كه در خمش چهار نقطه، آسيب ابتدا از داخل المان بين لايه اي پوسته در مجاورت اتصال چسبي آغاز مي گردد. به علاوه با توجه به نتايج حاصل، براي افزايش استحكام سازه هاي پوسته-تقويت كننده توصيه مي شود كه از قرار دادن لايه-هاي 45 و 90 درجه در محل اتصال پوسته و تقويت كننده اجتناب گردد.

Due to high strength and stiffness in comparison with their weights, laminated composite materials are widely used in many structures such as aerospace and naval structures. Therefore, the understanding of their failure mechanisms to predict their mechanical response is of high importance. One of the major aforementioned mechanisms is the delamination which commonly occurs in skin/stiffener joints. In the present paper, a comparative study on the delamination in composite skin/stringer structures under 3 point and 4 point bending loads is performed by the finite element method (FEM) employing the cohesive elements. The detailed effects of stacking sequence on the damage of structure are investigated. A user defined interface element has been implemented in the Ansys software in continuum damage mechanics framework based on the bilinear cohesive zone model. The advantage of this method is the modeling of delamination growth without any requirements to the presence of initial crack and remeshing. Comparison of the obtained results from FEM with that of experiment justifies the capability of the employed model to predict the delamination initiation and propagation. The results indicate that in the 3 point bending load, the damage initiates from the adhesive between skin and stringer, while in 4 point bending load it initiates from the interface elements between skin layers near the adhesive bond. Finally, in order to increase the strength of skin/stringer structures, the results strongly recommend preventing the use of 45 and 90 degrees plies near each other around the adhesive