پيش بيني رشد آسيب مواد مركب لايه اي تك جهته تحت بارگذاري متناوب با استفاده از يك مدل مبتني بر انرژي

Damage growth prediction of unidirectional layered composites under cyclic loading using an energy based model

كامپوزيت هاي پليمري، بخاطر داشتن نسبت استحكام به وزن بالا و خواص جهتي شان، كاربردهاي مهندسي زيادي به ويژه در صنايع هوايي دارند. با اين حال به دليل خواص متفاوت اجزاي اين مواد، پيش بيني تخريب آن ها به ويژه تحت بارگذاري متناوب دشوار مي باشد. هدف از انجام اين تحقيق، ارايه يك روش جديد براي پيش بيني تخريب خستگي درون لايه اي كامپوزيت هاي اليافي بر پايه مكانيك خرابي محيط پيوسته مي باشد. در اين پژوهش براي در نظر گرفتن تاثير عيوب ميكروسكوپي در سه جهت مادي، سه متغير وضعيت داخلي ماده تحت عنوان متغيرهاي آسيب در چارچوب علم ترموديناميك تعريف شده است. مدل ارايه شده در اين تحقيق، توانايي اين را دارد كه با در نظر گرفتن رشد آسيب در سه جهت، تخمين مناسبي از عمر خستگي كامپوزيت هاي چند لايه ارايه دهد. بدين منظور يك حل بسته بر پايه روش انرژي و در چارچوب مكانيك خرابي ارايه شده است، به گونه اي كه تفاوت تخريب در جهات مختلف را نيز لحاظ مي نمايد و در عين حال مستقل از لايه-چيني مي باشد. مدل مزبور با استفاده از ماده نوشته شده توسط كاربر (يوزرمت)، در نرم افزار انسيس پياده سازي شده است. حسن استفاده از اين روش اين است كه با داشتن مشخصات استاتيكي و خستگي براي چندلايه تك جهته، مي توان عمر خستگي را براي شرايط مختلف بارگذاري و براي هر نوع لايه چيني محاسبه كرد. نحوه مشخصه سازي ثوابت مدل بيان شده و سپس براي يك ماده مركب معين ثوابت محاسبه شده-اند. مقايسه نتايج پيش بيني شده توسط مدل ارايه شده با نتايج آزمايشي موجود، نشان از دقت مناسب مدل دارد.

Due to high strength to weight ratio of polymeric composites and their directional properties, they are extensively used in engineering, particularly in aerospace industry. However, the difference in material properties of composites makes their failure prediction complicated, especially under cyclic loading. The present study is carried out to develop a new method for estimation of the intralaminar fatigue damage of fibrous composites based on continuum damage mechanics. In order to include the influence of microscopic defects in three material orientations, three internal material state variables namely damage variables are defined in thermodynamics framework. By considering a 3-directional damage propagation, the suggested model is able to make a good prediction of laminated composites fatigue life. To achieve this, a closed form solution by energy method in framework of thermodynamics is presented. The solution is in a way that the differences in damages of various directions are included, yet the independency on the layup is maintained. The model is implemented in ANSYS software by using a user material code (Usermat). This method offers the advantage of estimating the fatigue life of any laminate with arbitrary layup under different loading conditions only by having static and fatigue properties of a unidirectional ply. Characterization of constants of model is presented and they are also determined for a certain composite material. Comparison between the predicted results of proposed model and the available experimental data verifies the great precision of the model.