کامپوزیت منسوجات بافت قیطانی

کامپوزیت منسوجات بافت قیطانی – Irantarjomeh

مقالات ترجمه شده آماده کل گروه های دانشگاهی

مقالات

خواص ارتجاعی کامپوزیت های تقویت شده منسوجات بافت قیطانی

چکیده

این مقاله در ارتباط با محاسبه خواص ارتجاعی کامپوزیت های بافت قیطانی با استفاده از آنالیز جزء محدود می­باشد. در این رویکرد، شاخص دینامیکی مرتبط با سلول­های واحد در ابتدا جهت مدل سازی هندسه نوعی پیش فرم منسوجات بافت قیطانی ایجاد می­گردند. پس از مشخص نمودن خواص ارتجاعی / کشسانی نخ های قیطانی، مدول­های یانگ، مدول برشی و نسبت های پواسون در ارتباط با زوایای قیطانی مختلف بوسیله تحلیل این مدل­های هندسی با کمک آنالیز جزء محدود تجاری بر حسب قاعده Abaqus حاصل می شوند. تأثیرات کسر حجمی الیاف بر روی خواص ارتجاعی هر دوی سلولهای واحد کامپوزیت دو محوری و سه محوری مورد بررسی قرار می­گیرند. در نهایت، رفتار خمشی یک تیر تکیه گاهی ساده با پوشش کامپوزیت قیطانی از طریق آنالیز جزء محدود با کمک مدل­سازی چند مقیاسی مورد ارزیابی قرار می گیرد، که متعاقباً به صورت آزمایشی تصدیق می­شود. نتایج پیش ­بینی شده با نتایج آزمایشی مورد مقایسه قرار گرفته که مؤکد دقت رویکرد مدل­سازی پیشنهادی می باشند.

کلمات کلیدی: منسوجات، خواص مکانیکی، آنالیز جزء محدود، قیطان بافی، شبیه ­سازی چند مقیاسی

مقدمه

بافت قیطانی یکی از فرآیندهای سنتی بافت رشته های الیاف و نهایتاً تهیه منسوجات می­باشد. خصیصه اصلی منسوجات بافت قیطانی انعطاف پذیری آنها در تشکیل محدوده گسترده­ای از شکل­های هندسی با یک روش کم هزینه می­باشد. با توجه به تلاش های مضاعف انجام شده در قرون گذشته در ارتباط با ساخت اجزای ساختاری سبک تر، قدرتمندتر و بادوام تر، و حصول پارامترهای مطلوب تر در ارتباط با مقاومت خمشی، مقاومت ضربه­ای، ایمنی در برابر مواد شیمیایی و قوام پیچشی، هم اکنون شاهد کاربرد فزاینده کامپوزیت­های بافت قیطانی در صنایع دفاعی، هوافضا، حمل و نقل، انرژی و ورزش می باشیم. بعلاوه، اخیراً کامپوزیت­های الیاف کربن خشک نیز در صنایع ساعت سازی به کار گرفته شده اند.

مدل­سازی هندسی پیش شکل گرفته منسوجات بافت قیطانی و سلول­های واحد کامپوزیت

منسوج پیش شکل گرفته قیطانی حاوی نخ­های اریب به هم بافته q+ و q– در یک بافت قیطانی دو محوری و مجموعه­ای از نخ­های محوری اضافه در یک حالت بافت سه محوری می­باشد. در زمینه ایجاد سلولهای واحد با استفاده از نرم افزار طراحی به کمک کامپیوتر (CAD)، مؤلفه­ها یا اجزای مربوطه به صورت مجزا مدل­سازی می شوند. نخ­های اریب بوسیله سطح مقطع همراه با یک شکل بیضی شکل در امتداد مسیر از قبل تعریف شده دارای نوسان ایجاد می­شوند. در یک فرآیند نوعی قیطان بافی، نخ­های محوری در ابتدا با فاصله مساوی قرار گرفته و نخ­های اریب به صورت متوالی بر روی آنها گذاشته می­شوند.

خواص مادی و آرایش یافتگی نخ

در این مطالعه، ماده ماتریسی، بعنوان ایزوتروپیک یا همگن تلقی شده و نخ­های بافت قیطانی نیز به صورت ایزوتروپیک متقاطع مشخص شده اند. از آنجاییکه نخ­های بافت قیطانی آغشته حاوی الیاف و ماتریس می باشند، و هر ماده دارای خواص مختلفی است، کسر حجمی الیاف در داخل نخ، V_fY، کسر حجمی نخ در داخل سلول واحد، V_Y، و کسر حجمی کلی الیاف، V_f، به عنوان پارامترهای مهم جهت توصیف میزان استحکام یک کامپوزیت به حساب می­آیند. این ارتباط را می­توان به شرح ذیل بیان داشت:

…

نتایج و مباحث

به طور ذاتی، رابطه بین خواص ارتجاعی و زاویه بافت قیطانی می بایست به صورت متقارن در حدود q = 45° باشد، در صورتی که مقدار دیگری مشخص شود، بواسطه مدول طولی یانگ سلول واحد با زاویه قیطانی، q مساوی با مدول عرضی یانگ سلول واحد دیگر با زاویه قیطانی، ۹۰ – q، خواهد بود. با این وجود این تقارن مشاهده نخواهد شد چرا که سلولهای واحد مطالعه شده در این بررسی تحت حاکمیت معادله (۱) می باشند، که پیوند دهنده زاویه قیطانی با استحکام یک سلول واحد است.

گسسته سازی سلول واحد و شبیه سازی سطح مزو

در این تحلیل، هر سطح (بالا و پایین) پوسته کامپوزیت به پنج بخش در امتداد طول وتر آن تقسیم شد (شکل ۲۲). این پارتیشن بدین منظور ایجاد شد تا از الگوی سلول واحد یکسان در داخل هر بخش اطمینان حاصل آید. برای سلول های واحد سطح بالایی، زوایای قیطانی از ۲۸ الی ۳۵ درجه متغیر بوده اند، در حالی که سطح پایینی دارای زوایای قیطانی از ۳۴ الی ۴۲ درجه می باشد.

نتایج و مباحث

طرح های برجسته تنش اصلی حداکثری (شکل ۲۴) نشان دهنده تراکم های تنش در مرکز ساختار تیر می باشد، که بواسطه بار اعمالی و مقید سازی شرایط مرزی مورد انتظار خواهد بود. این گسستگی در توزیع تنش به عنوان نتیجه فرآیند گسسته سازی به حساب می آید و می توان آن را از طریق افزایش چگالی گسسته سازی تسکین داد. به علاوه همانگونه که در شکل ۲۵ نشان داده شده است، مقدار کرنش شبیه سازی شده بین مقدار کرنش برآورد شده بوسیله گیج های کرنش چپ و راست می باشد. به طور کلی همبستگی خوبی بین برآوردهای تجربی و پیش بینی های کرنش FEA وجود دارد.

نتیجه گیری

در این مقاله، مدل های هندسی و مدل های جزء محدود منسوجات پیش شکل گرفته قیطانی دو محوری و سه محوری دو بعدی و سلولهای واحد کامپوزیت آنها به صورت نامتقارن ایجاد شده و مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفته اند. سلول های واحد پیشنهادی در این تحقیق کاملاً دینامیکی و متنوع بوده و قابلیت شبیه سازی شرایط انسدادی مختلف را خواهند داشت. گوناگونی های خواص مکانیکی ارتجاعی کامپوزیت های قیطانی با افزایش زاویه قیطانی معرف یک ویژگی نامتقارن مورد انتظار در حدود q = 45° می باشند، که علت آن عمدتاً به واسطه محدودیت یا قید بیشتر فاصله گذاری نخ بر حسب زاویه قیطانی می باشد. بعلاوه، این مورد یافت شد که کلیه ثابت های مهندسی در – صفحه دارای حساسیت بیشتری با  پارامترهای قیطانی در مقایسه با پارامترهایی می باشند که شامل جهت گیری در سراسر ضخامت می باشند. به علاوه، این مورد نشان داده شده است که یک همبستگی خطی بین کسر حجمی الیاف و ثابت های ارتجاعی برای یک زاویه قیطانی مشخص ارائه شده است، و این حالت خطیت را می توان به عنوان یک قاعده سر انگشتی جهت ارزیابی خواص کامپوزیت ها با کسرهای حجمی مختلف الیاف به کار گرفت. با دانستن کمبودهای فرآیند تست کوچک مقیاس، ویژگی منحصربفرد دیگر این مبحث در ارتباط با مقایسه مستقیم بین تست خمشی بر روی یک ساختار کامپوزیت و FEA از طریق رویکرد مدل سازی چند مقیاسی حاصل آمده است. مدل پیشنهادی به نظر قابلیت پیش بینی رفتار مکانیکی کامپوزیت های قیطانی به صورت دقیق و کارا را خواهد داشت.