شبيه‌سازي عددي پارچه پلي‌ پروپيلن آغشته به سيال ضخيم شونده برشي و مقايسه با نتايج تجربي

Numerical simulation of shear thickening fluid impregnated polypropylene fabric and comparing with experimental results

اخيرا، استفاده از سيال ضخيم شونده برشي جهت بهبود مقاومت به نفوذ پارچه‌ها در حال افزايش مي باشد. در اين پژوهش، ابتدا به بررسي‌هاي آزمايشگاهي روي عملكرد پارچه پلي‌پروپيلن خشك و آغشته به سيال ضخيم شونده تحت ضربه پرتابه كروي فولادي با قطر 8.7 ميلي‌متر پرداخته مي‌شود. سپس، عوامل موثر بر عملكرد پارچه‌، مانند چگالي، ضرايب اصطكاك ايستايي و ديناميكي بين نخ‌ها و همچنين بين پرتابه و پارچه، شرايط مرزي و تعداد لايه‌هاي پارچه به كمك شبيه‌سازي در نرم‌افزار ال-اس-داينا بصورت عددي مطالعه مي‌شود. در پژوهش‌هاي قبلي، بهبود عملكرد پارچه با افزايش سيال ضخيم شونده برشي، به افزايش اصطكاك بين نخ‌هاي پارچه نسبت داده شده‌است، با اين ‌وجود، بررسي انجام‌شده نشان مي‌دهد، جرم سيال ضخيم شونده نيز در نتايج موثر است. جرم سيال ضخيم شونده متناسب با درصد جرمي اعمال‌شده، به‌صورت افزايش چگالي پارچه درنظر گرفته شده‌است. در بررسي آزمايشگاهي، مشاهده شد كه با آغشتن 44 درصد جرمي سيال ضخيم‌شونده برشي به پارچه، استحكام و مقاومت به نفوذ در پارچه افزايش و تغيير شكل پارچه كمتر شده كه نسبت به حالت پارچه خشك، نفوذ پرتابه به پارچه تا 63 درصد كاهش مي‌يابد. نتايج شبيه‌سازي‌ها نشان داد كه اگر اثر سيال ضخيم شونده برشي فقط به افزايش اصطكاك نسبت داده‌شود، اختلاف نفوذ پرتابه در پارچه در دو حالت خشك و آغشته به سيال ضخيم شونده برشي به 43 درصد مي‌رسد. اما با درنظر گرفتن اثر جرم سيال ضخيم شونده برشي علاوه بر اصطكاك، اين مقدار به 58 درصد مي‌رسد كه با مقدار آزمايشگاهي 63 درصد همخواني خوبي دارد.

Recently shear thickening fluids (STF) are applied more and more to improve the penetration resistance of fabrics. In this research, at first, the performance of the neat and STF impregnated fabric subjected to the impact of 8.7 mm diameter steel spherical projectile is investigated experimentally. Then, the numerical analysis is done to study the effective parameters such as fabric density, static and dynamic coefficients of friction between yarns and between projectile and fabric, boundary conditions and number of layers of fabric by using commercial tool LS-DYNA software. Previous studies expressed that the major factor that improves the energy absorption capacity of STF impregnated fabrics is the friction between the impact projectile, fabric, and yarns within the fabric, however here the investigations showed that in addition to the friction, the mass of added STF is effective in the results. Increasing the mass of the fabric by adding STF, is considered as the increasing density of the fabric. Empirical investigations showed that STF-impregnated fabrics exhibited a significant enhancement in penetration resistance performance as compared to neat fabric such that the projectile penetration subjected to the fabric with 44% wt STF decreased 63% compared to neat fabric. The simulation results showed that, if the STF effects just assign to increased friction, the projectile penetration decreased 43% compared to neat fabric. But if in addition to friction, the mass of the STF is considered as the effective parameter, the penetration decreased 58% which have good agreement with experimental data.