فهرست مطالبعنوان صفحهمقدمه.. 111-1- مقدمه.. 111-2- پیشینه تحقیق.. 131-3- اهداف پایان نامه.. 171-4- ساختار پایان نامه.. 18مروری بر کامپوزیتها.. 212-1- مقدمه212-1-1- کامپوزیتهای فایبری.. 232-1-2- کامپوزیتهای دارای ذرههای ریز.. 292-1-3- کامپوزیتهای چندلایه.. 302-2- کامپوزیتهای چندلایهای فایبری پایه پلیمری.. 302-2-1- کامپوزیتهای چندلایهای دوبعدی.. 332-2-2- کامپوزیتهای چندلایهای سه بعدی.. 352-2-2-1- چندلایههای 3D Woven. 362-2-2-2- چندلایههای 3D Braided. 382-2-2-3- چندلایههای 3DKnitted. 392-2-2-4- چندلایههای 3DStitched. 402-2-2-5- چندلایههای Z-Pinned. 45ثابتهای الاستیک چندلایههای 3D Stitched.. 473-1- مقدمه473-2- معادله مشخصه ماکروسکوپیک و ماتریس سختی.. 483-3- ارتباط بین تنشها و کرنشهای ماکروسکوپیک و میکروسکوپیک 533-4- مدل المان محدودِ سلول واحد.. 55شکست چندلایههای کامپوزیتی.. 624-1- مقدمه.. 624-2- مودهای مختلف شکست در یک لایه کامپوزیتی.. 624-3- تئوریهای مختلف شکست در یک لایه کامپوزیتی.. 644-3-1-معیارهای مبتنی بر پدیده شکست:.. 644-3-2-معیارهایی که مبتنی بر مودهای مختلف شکست هستند: 684-4- لایهلایه شدن.. 714-5- شکست لامینیت.. 72شروع و رشد آسیب.. 745-1- مقدمه.. 745-2- مکانیک آسیب.. 745-3- مدلهای نرمافزاری شکست و آسیب.. 765-3- 1- مدل آسیب در نرمافزار ABAQUS. 775-3- 2- مدل آسیب در نرمافزار LS-DYNA.. 815-3- 3- مدل ماده، شکست و آسیب در نرمافزار ANSYS AUTODYN.. 846- ضربه در چندلایههای کامپوزیتی.. 916-1- مقدمه.. 916-2- انواع ضربه.. 916-2-1- ضربه سرعت پایین.. 936-2-2- ضربه سرعت بالا.. 946-3- نرخ کرنش.. 966-3-1- تاثیر نرخ کرنش بر سختی و استحکام کامپوزیتها.. 986-4- آسیب ناشی از ضربه.. 101مدلسازی پدیده ضربه.. 1057-1- مقدمه.. 1057-2- شرح مساله.. 1057-3- نتایج.. 1097-3- 1- روند ضربه و تخریب هدف.. 1097-3- 2- بررسی تغییرات سرعت پرتابه و زمان نفوذ.. 1117-4- 4- وضعیت ناحیه آسیبدیده.. 116نتیجه گیری و پیشنهادات.. 1198-1- نتیجه گیری.. 1198-2- پیشنهادات.. 120فهرست منابع و مآخذ.. 121فهرست جداولعنوان و شماره صفحهجدول 2-1- مقایسه خصوصیات فیزیکی و مکانیکی گونههای فلزی، فایبری و ماتریسی برخی مواد ]16[24جدول 2-3- خصوصیات مکانیکی چند ماتریس پلیمری ترموست ]18[26جدول 2-4- خصوصیات مکانیکی چند ماتریس پلیمری ترموپلاستیک ]18[26جدول 2-5- بررسی مقایسه خصوصیات ماتریسهای پلیمری ترموست و ترموپلاستیک]28[26جدول 3-1- کمیت و کیفیت هندسی مدل نرمافزاری سلول واحد 56جدول 3-2- ثابتهای الاستیک اولیه اجزای تشکیلدهنده لامینا 56جدول 3-3- ثابتهای الاستیک لامینای با زوایای 45 و 45- درجه ]20[59جدول 3-4- ثابتهای الاستیک لامینای با زوایای 0 و 90 درجه ]20[60جدول 4-1- دو فرم عمده و معمول معیارهای شامل ترمهای تنش تا مرتبه دوم و مثالهایی از هرکدام ]17[65جدول 4-2- ضرایب معیار تسای-وو ]11[66جدول 4-3- ضرایب معیار هافمن ]11[67جدول 4-4- عبارات مودهای پنجگانه شکست در تئوری ماکزیمم تنش 69جدول 4-5- عبارات مودهای پنجگانه شکست در تئوری ماکزیمم کرنش 69جدول 4-6- عبارات مودهای چهارگانه زوال در تئوری هشین-روتم]4[70جدول 4-7- عبارات مودهای چهارگانه شکست در تئوری هشین]4[70جدول 4-8- روابط تئوری شکست چنگ-چنگ]3[71جدول 5-1- روابط چهارگانه تئوری هشین بعنوان مبنای شکست در نرمافزار ABAQUS 78جدول 5-2- روابط تنش-جابجایی معادل در طول پروسه آسیب در نرمافزار ABAQUS 80جدول 5-3- معیارهای سهگانه شکست فایبر در نرمافزار LS-DYNA 82جدول 5-4- معیارهای شکست ماتریس در نرمافزار LS-DYNA 82جدول 6-1- تغییرات مدول برشی گلاس-اپوکسی و کربن-اپوکسی بافته شده با نرخ کرنش ]27[100جدول 6-2- تغییرات مدول الاستیک در راستای ضخامت با نرخ کرنش، برای سه قطعه بافته شده ]27[101جدول 7-1- خصوصیات پرتابه.. 106جدول 7-2- خصوصیات فیزیکی اجزای تشکیلدهنده کامپوزیت 106جدول 7-3- خصوصیات مکانیکی لامینای صفر درجهی دوخته شده 107جدول 7-4- خصوصیات مکانیکی لامینای نود درجهی دوخته شده 108جدول 7-5- زمان نفوذ پرتابه در سرعت اولیه، تعداد لایهها و شرایط مرزی مختلف.. 112جدول 7-6- سرعت خروجی پرتابه در سرعت اولیه، تعداد لایهها و شرایط مرزی مختلف.. 112 فهرست شکل هاشکل 2-1- بافت کامپوزیتی ماهیچههای بدن انسان ]16[22شکل 2-2- سه گونه ماتریس پلیمری ]8[25شکل 2-3- نمودار تنش-کرنش دو ماده پلیمری تحت کشش تنش یک جهته ]55[27شکل 2-4- تاثیر دمای انجام تست بر نمودار تنش-کرنش یک ماده پلیمری ]55[28شکل 2-5- تاثیر نرخ کرنش بر نمودار تنش-کرنش یک ماده پلیمری]55[28شکل 2-6- نمونهای از کامپوزیتهای چندلایهی فلزی در ترموستات ]8[30شکل 2-7- مقیاسهای مختلف آنالیز در چندلایههای کامپوزیتی ]10[31شکل 2-8- شماتیک یک لامینای تک جهته و یک لامینای بافتهشده ]17[31شکل 2-9- رابط تنش-کرنش اجزای یک لامینا ]8[32شکل 2-10- شماتیک لامیناهای با زوایای مختلف که بعد از اتصال، تشکیل یک لامینت میدهند]8[32شکل 2-11- شماتیک یک چندلایه دوبعدی]12[33شکل 2-12- مقایسه استحکام کششی و فشاری درون صفحهای و برون صفحهای یک چندلایه دوبعدی]12[33شکل 2-13- میزان کاهش استحکام کششی و فشاری درون صفحهای یک چندلایه دوبعدی تحت بارهای ضربهای مختلف]12[34شکل 2-14- الگوهای مختلف گونهی دوبعدی پارچههای بافتهشده]18[36شکل 2-15- شماتیک دیگری از چند الگوی گونهی دوبعدی پارچههای بافتهشده ]12[37شکل 2-16- انواع تکنیکهای بافت چندلایههای سهبعدی]23[37شکل 2-17- الف) شماتیک ماشین ساخت چندلایههای سهبعدی متعامد، ب) مثالی از بافت چندلایه چند محوره و ج) بافت سهبعدی منجر به ساختار ساندویچی]12[38شکل 2-18- شماتیک کلی بافت قیطانی ]12[39شکل 2-19- الف)دو روش مرسوم بافت کشبافی ب)شماتیک چندلایه کشبافی سه بعدی ]12[40شکل 2-20- شماتیک یک چندلایه دوخته شده سهبعدی ]6[41شکل 2-21- نمای جانبی یک چندلایه دوخته شده و نخ دوخت آن ]12[42شکل 2-22- الگوهای مختلف دوخت سهبعدی: دوخت قفلی تصحیح شده، قفلی و زنجیرهای ]12[42شکل 2-23- طرح نمای فوقانی یک چندلایه دوختهشده: طرح مستقیم، قطری، زیگزاگ، دوخت جدولی]12[43شکل 2-24- آسیبهای محتملی که چندلایههای دوختهشده را تهدید میکند: الف)شکست فایبرهای درون صفحهای، ب)ناهمراستایی فایبرهای درون صفحهای، ج)شکلگیری نواحی کوچک پر از رزین، د)اعوجاج فایبرهای دوخت بعلت تراکم بالای لامینای اولیه ]12[44شکل 2-25- چگونگی کنترل رشد ترک توسط نخ دوخت در چندلایههای دوختهشده ]12[44شکل 2-26- پروسه ساخت چندلایههای پیندار ]12[45شکل 3-1-دستگاه مختصات مادي و كلي.. 51شکل 3-2- کوچکترین جزء تکرارشونده در چندلایه دوخته شده شامل الیاف درون صفحهای (که در اینجا در جهت 45- درجهقرار دارند)، نخهای دوخت رد شده روی لایهها و حفرههای لوزی شکل حاوی رزین]19[55شکل 3-3- کوچکترین جزء تکرارشونده در چندلایه دوخته شده شامل الیاف درون صفحهای در زوایای 0 و 90 درجه و کانالهای سرتاسری حاوی رزین]25[55شکل 3-4- پارامترهای هندسی طول و عرض حفره رزین، گام و فاصله ردیفهای نخ دوخت در یک لامینای 45 درجه]19[56شکل 3-5- مدل میکرومکانیک مونتاژ استوانه کامپوزیتی]19[57شکل 3-6- مدلسازی و تحلیل نرمافزاری سلول واحد]19[58شکل 4-1- مودهای مختلف شکست در مقیاس میکرو (فایبر و ماتریس)]16[63شکل 5-1- مدل توصیفی آسیب.. 75شکل 5-2- نمودار تنش-جابجایی معادل در پروسه رشد آسیب در نرمافزار ABAQUS 79شکل 5-3- نمودار رشد اندیس آسیب برحسب جابجایی معادل در نرمافزار ABAQUS 80شکل 5-4- تغییرات اندیس آسیببصورت تابعی از کرنش برایهای مختلف 83شکل 5-5- مساحت نمایانگر انرژی شکست.. 89شکل 6-2: تاثیرات نرخ کرنش بر نمودار تنش-کرنش قطعات کربن- اپوکسی تکجهته در سه نرخ کرنش مختلف ]27[98شکل 6-3: تاثیرات نرخ کرنش بر نمودار تنش-کرنش قطعات کربن- اپوکسی بافته شده (سمت راست)، شیشه- اپوکسی بافته شده (سمت چپ) ]27[99شکل 6-4: تاثیرات نرخ کرنش بر مدول کششی قطعات کامپوزیتی بافته شده از جنس الیاف کربن، کولار و شیشه با ماتریس پلیمری مشابه ]27[100شکل 7-1- گسستهسازی پرتابه و جسم هدف توسط المانهای سهبعدی 106شکل 7-2- موقعیت هدف و پرتابه در زمان اولیه 109شکل 7-3- موقعیت هدف و پرتابه پس از 0.012 ms. 109شکل 7-4- موقعیت هدف و پرتابه پس از 0.027 ms. 110شکل 7-5- موقعیت هدف و پرتابه پس از 0.03 ms. 110شکل 7-6- موقعیت هدف و پرتابه پس از 0.04 ms. 110شکل 7-7- موقعیت هدف و پرتابه پس از 0.05 ms. 111شکل 7-8- موقعیت هدف و پرتابه پس از 0.059 ms. 111شکل 7-9- نمودار سرعت خروجی پرتابه برحسب سرعت اولیه برای شش لایه متقارن با تکیهگاه تماما صلب.. 113شکل 7-10- نمودار سرعت خروجی پرتابه برحسب سرعت اولیه برای شش لایه متقارن با تکیهگاه تماما ساده.. 113شکل 7-11- نمودار سرعت خروجی پرتابه برحسب سرعت اولیه برای سهلایه با تکیهگاه تماما صلب.. 114شکل 7-12- نمودار سرعت خروجی پرتابه برحسب سرعت اولیه برای سهلایه با تکیهگاه تماما ساده.. 114شکل 7-13- نمودار تغییرات سرعت پرتابه برحسب زمان برای شش لایه متقارن با تکیهگاه تماما صلب.. 115شکل 7-14- نمودار تغییرات سرعت پرتابه برحسب زمان برای شش لایه متقارن با تکیهگاه تماما ساده.. 115شکل 7-15- نمودار تغییرات سرعت پرتابه برحسب زمان برای سهلایه با تکیهگاه تماما صلب.. 116شکل 7-16- نمودار تغییرات سرعت پرتابه برحسب زمان برای سهلایه با تکیهگاه تماما ساده.. 116شکل 7-17- کانتور توزیع تنش ایجاد شده در قطعه شش لایه با تکیهگاه تماما صلب تحت سرعتهای اولیه مختلف.. 117 -1- مقدمه استفاده از سازههای چندلایهای کامپوزیتی در صنایع مختلف، در سالهای اخیر روند روبه رشد و فزایندهای داشتهاست. نسبت استحکام ویژه بالا، چقرمگی، مقاومت در برابر خوردگی و خستگی، مقاومت مناسب در مقابل واکنشهای موجود در محیطهای شیمیایی، نفوذناپذیری در برابر آب، عایق مناسب حرارتی، قابلیت متنوع شکل دهی و دوخت و ... از جمله دلایل قرارگیری این مواد در کانون توجه و اهمیت طراحان و صنعتکاران بشمار میآیند.چند لایههای كامپوزيت از طریق قرار دادن لايههاي حصيري و سوزني روی هم و چسباندن آنها بوسیله رزین و با استفاده از پروسههای ساخت دستی، کیسه خلا و تزریق رزین در خلا ساخته می شوند. با وجود مزایای چند لايههاي كامپوزيت، همواره معایبی نیز در بکارگیری اين چند لایه ها وجود داشته است که ذهن دانشمندان و سازندگان را درگیر کرده است. مهمترین معایب آنها عبارتند از :الف) خواص مکانیکی آنها در راستای ضخامت نسبت به خواص مكانيكي درون صفحهای پايينتر ميباشد.ب) در برابر جدایش لایه ها ضعيف ميباشند.ج) در برابر ضربه ضعيف بوده و خواص مکانیکی آنها پس از ضربه پايين ميباشد.د) هزینه ساخت آنها نسبتاً بالا ميباشد.در سالهاي گذشته روشهای مختلفي برای حل مسائل فوق ارائه گردیده است. يكي از اين روشها بکارگیری کامپوزیتهای سه بعدیمي باشد. ساخت اولين نمونههاي كامپوزيت سه بعدي به سال 1960 برميگردد. در طي اين 50 سال تحقيقات زيادي در زمينه روش هاي توليد كامپوزيت سه بعدي، افزايش خواص مكانيكي، تجاري سازي آنها و ... انجام شده است. تنوع ساختار و روشهاي توليد گوناگون، دامنه وسيعي از خواص مكانيكي را براي كامپوزيتهاي سه بعدي به ارمغان آوردهاست. همچنین اين کامپوزیت ها برخلاف كامپوزيتهاي دو بعدي داراي رشته هاي فایبر در جهت ضخامت ميباشند. اين موضوع علاوه بر تقويت خواص مكانيكي در راستاي ضخامت، از جدایش لایه ها تا حد امكان جلوگيري نموده و مقاومت در برابر ضربه را افزايش ميدهد. در حقيقت كامپوزيتهاي سه بعدي برخي از معايب اصلي كامپوزيت هاي دو بعدي را تا حد زيادي مرتفع كرده اند.كامپوزيت هاي سه بعدي به چهار دسته اصليِ Braided,Woven، Knitted و Stitched تقسيم بندي ميشوند كه تفاوت آنها در نوع ساختار داخلي و قرارگيري الياف ميباشد. يكي از انواع كامپوزيت هاي سه بعديِ Stitched، كامپوزيت پيشرفته چند راستا يا NCF ميباشد. كامپوزيت هاي پيشرفته چند راستا از طريق قرارگيري الياف تك جهته روي يكديگر و اتصال آنها به يكديگر به كمك الياف عمودي (الياف در راستاي ضخامت) توليد ميگردند، در حاليكه در كامپوزيت هاي دو بعدي رشته هاي فایبر بصورت تار و پود در محل خود قرار گرفتهاند. كامپوزيت هاي پيشرفته چند راستا در مقایسه با کامپوزیت های دو بعدی، داراي خواص مكانيكي بهتر، سختی بیشتر، مقاومت بالاتر در برابر جدایش لایه ها و استحکام بیشتر در برابر بارهای ضربه اي و انفجاری میباشند.در ساختار داخلی سه بعدی کامپوزیت های پیشرفته چند راستا، الیاف عمودی در فواصل معین در راستای ضخامت و روی سطح لایه های بالا و پایین قرار گرفته است. با عبور الیاف عمودی از ضخامت، الیافِ لایه ها دچار انحراف شده و حفره هایی در ساختار داخلی ایجاد میگردد. این حفرهها در پروسه های ساخت کاملاً با رزین پر میشوند. با توجه به این موضوع ساختار داخلی کامپوزیتهای پیشرفته چند راستا یک ساختار ناهمگن و غیر ایزوتروپیک میباشد و خواص مکانیکی آنها با روش های متداولِ مورد استفاده در کامپوزیت های دو بعدی قابل محاسبه نیست. همچنین با توجه به وجود الیاف عمودی در راستای ضخامت، نمیتوان کامپوزیت های پیشرفته چند راستا را ایزوتروپیکِ عرضی فرض نمود]2[.انجام بررسیهای تجربی، تئوری و عددی متعدد جهت شناخت هرچه بیشتر خصلتهای رفتاری کامپوزیتهای مختلف تحت شرایط بیرونی مختلف یکی از دلمشغولیهای عمده محققان در سالهای اخیر بوده بطوریکه نتایج به بارنشسته قبلی در کارکردهای عملی و صنعتی نیز به نمره قابل قبولی دست پیدا کردهاند.از جمله این آزمایشات و مشاهدات که بر روی کامپوزیت ها انجام پذیرفته، پاسخ این لایه ها تحت بارگذاری ضربه است. ضربه قطعه خارجی در برخورد با قطعه کامپوزیتی از جمله مواردی است که اجزایی همچون بال و بدنه سازه های هوایی و دریایی را تهدید میکند و در صورت عدم دارایی استحکام مناسب می تواند به تخریب های گسترده و زیان آور بیانجامد. چرا که با همه این تفاسیر و تفاصیل، هنوز نیز کم و کیف پاسخ چندلایه های کامپوزیتی سه بعدی تحت بارگذاری های مساله سازی چون ضربه، محل دغدغه و اندیشه محققان است. بارهای ضربهای محتملی که در طول پروسه تولید و یا حین سرویس دهی و یا تعمیرات رخ میدهند گاهی تولید آسیب های داخلی کرده که با بازرسی های چشمی قابل تشخیص نیستند و در بارگذاریهای بعدی گسترش پیدا کرده و موجب کاهش استحکام سازه و متعاقبا وارد آمدن خسارت و صدمات به سازه و سازه های مرتبط و مجاور میشود. لذا منطقی است که در هنگام طراحی این سازه ها، جهت حصول اطمینان از میزان مقاومت شان در برابر بارهای ضربهای، استحکام آنها در این بارگذاریها مورد بررسی قرار گیرد. 1-2- پیشینه تحقیق بعلت فراگیر و حائز اهمیت بودن پدیده ضربه بر روی سازههای کامپوزیتی، تاکنون مطالعات تجربی، عددی و تحلیلی متعددی جهت مطالعه پروسه ضربه بر روی انواع مختلف کامپوزیتها صورت پذیرفته است.شاید بتوان گفت اولین مطالعات تجربی و آزمایشگاهی بر روی مواد مرکب تحت ضربه بالستیک به دهه 60 میلادی برمی گردد که اسناد آن تا مدتها بعلت ارتباط با تحقیقات صنایع نظامی تا اواخر دهه 80 بصورت سری باقی ماند تا اینکه در آن زمان مقالات متعددی در این زمینه انتشار یافت که از آن جمله می توان بررسی رفتار بالستیک چندلایه های فایبر با ماتریسهای اپوکسی و وینیل استر توسط واسادف[1] در 1987 اشاره کرد]34[.کانت وِل[2] در 1988 به آنالیز چندلایه های کربن-اپوکسی تحت محدوده وسیعی از سرعتها (10 تا 500 متر بر ثانیه) با استفاده از آزمایشات غیرمخرب اولتراسونیک پرداخت]35[.چن چانگ[3] و وو[4] در 1994 با ترتیب آزمایشی برای چندلایه های بافته شده گلاس – اپوکسی تحت ضربه گلوله با سر نیم کروی و محدوده سرعت بین 2/8 تا 8/92 دریافتند که به موازات افزایش سرعت گلوله، الگوی ناحیه تخریب از حالت دایره به فرم بیضوی و نهایتا لوزی تغییر شکل می دهد. ضمن اینکه برای سرعت های پایین تر از حد بالستیک انرژی جذب شده و ناحیه لایه لایه شده دارای رابطه خطی با انرژی اولیه گلوله هستند ]36[.