بررسی اثر ناحیه غنی از رزین بر رشد ترک در هسته‌ی فومی پره کامپوزیتی توربین بادی به روش المان محدود

نوع مقاله: مقاله مستقل

نویسندگان

1 کارشناس ارشد، گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه فردوسی مشهد، مشهد

2 استاد، گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه فردوسی مشهد، مشهد

3 دانشجوی دکتری، گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه فردوسی مشهد، مشهد

10.22044/jsfm.2018.7122.2641

چکیده

ناحیه‌ی غنی از رزین یکی از عیوب رایج حین فرایند ساخت کامپوزیت‌های ساندویچی در روش تزریق رزین به کمک خلا است. در این مقاله، شبیه‌سازی عددی گسترش ترک در نمونه‌های کامپوزیت ساندویچی از پره‌ی توربین بادی با استفاده از معیار بسته شدن مجازی ترک و روش اجزای محدود توسعه یافته انجام می‌شود. با در نظر گرفتن سه اندازه‌ی مختلف برای ناحیه‌ی غنی از رزین، اثر ابعاد این ناحیه بر رفتار رشد ترک و واماندگی کامپوزیت ساندویچی بررسی می‌شود. نتایج حل عددی نشان دادند که ترک از زیر غلتک بارگذاری و در ناحیه‌ی زیر پوسته واقع در فوم شروع شده، تا مرکز هسته‌ی فومی رشد کرده و در نهایت با کاهش زاویه، به سمت ناحیه‌ی شیب‌دار در نمونه گسترش یافته و به سطح تماس هسته و پوسته می‌رسد. با استخراج مقادیر فاکتور شدت تنش مشاهده شد که در شروع رشد ترک، مود دوم و در ادامه رشد ترک مود اول به عنوان مودهای غالب شکست هستند. همچنین نتیجه گرفته شد که اضافه شدن ناحیه غنی از رزین با اندازه‌های کم و متوسط به نمونه‌های کامپوزیت ساندویچی، باعث ایجاد تأخیر در روند خرابی می‌شوند و در صورت زیاد بودن این ناحیه، فرآیند گسترش خرابی را شتاب می‌بخشد و نهایتاً منجر به فروپاشی سریع‌تر سازه می‌شود. در نهایت آزمون خمش چهار نقطه‌ای روی نمونه‌های کامپوزیت ساندویچی انجام شده و تطابق خوبی بین نتایج حل عددی و تجربی رشد ترک و نمودار بار-جابجایی حاصل شده است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1]   Zenkert D (1997) An introduction to sandwich construction. Engineering Materials Advisory Services.

[2]   Chen C, Kam T (2011) Failure analysis of small composite sandwich turbine blade subjected to extreme wind load. Procedia Engineer 14: 1973-1981.

[3]   Kuczma SK, Vizzini AJ (1999) Failure of sandwich to laminate tapered composite structures. AIAA J 37:  227-231.

[4]   Vadakke V, Carlsson LA (2004) Experimental investigation of compression failure of sandwich specimens with face/core debond. Compos Part B-Eng 35: 583-590.

[5]   Steeves CA, Fleck NA (2004) Collapse mechanisms of sandwich beams with composite faces and a foam core loaded in three-point bending. Part II: Experimental investigation and numerical modelling. Int J Mech Sci 46:  585-608.

[6]   Lindberg J (2007) Transition from sandwich to solid skin composites-An investigation of the optimal design. MS. Thesis, KTH School of Engineering Sciences University, KTH Royal Institute of technology.

[7]   Gibson RF (2011) A mechanics of materials/fracture mechanics analysis of core shear failure in foam core composite sandwich beams. J Sandw Struct Mater 13(1): 83-95.

[8] ملکی­نژاد بهابادی ح، رحیمی غ، فرخ آبادی ا (1395) مطالعه عددی و تجربی جدایش رویه از هسته در سازه­های ساندویچی کامپوزیتی با هسته موج­دار ترکیبی تحت بار خمشی. مجله مهندسی مکانیک مدرس 62-52: (6)16.

[9] طاهری بهروز ف، منصوری نیک م (1396) بررسی تجربی و عددی رفتار تیر­های ساندویچی کامپوزیتی تحت خمش چهار نقطه. مجله مهندسی مکانیک مدرس 252-241: (1)17.

[10]    Caliskan U, Apalak MK (2017) Low velosity bending impact behavior of foam core sandwich beams: Experimental. Compos Part B-Eng 112: 158-175.

[11]  راستگو ع، بهاءلو هوره ح (مترجمین)، (1389) آزمون و تحلیل خستگی (نظریه و کاربرد)، چاپ اول، انتشارات دانشگاه تهران، صفحه 321.

[12]    Noury P, Shenoi R, Sinclair I (1998) On mixed-mode fracture of pvc foam. international journal of fracture 92: 131-151.

[13]    ABAQUS (2014) ABAQUS Documentation Dassault Systems, Providence, RI, USA.

[14]    Zamani P, Jaamialahmadi A, Shariati M (2016) Ductile failure and safety optimization of gas pipeline. Journal of Solid Mechanics 8(4): 744-755.

[15]    Mohammadi S (2008) Extended finite element method: For fracture analysis of structures. John Wiley & Sons.

[16]    Data Sheet, Airex Baltek Banova, Airex C70 Universal Structural Foam, Baltec Inc., USA.

[17]    Viana GA, Carlsson LA, (2002) Mechanical properties and fracture characterization of cross-linked PVC foams. J Sandw Struct Mater 4: 99-113.

[18]    Aviles F (2005) Local buckling and debond propagation in sandwich columns and panels. Ph.D Dissertation, Department of Mechanical Engineering, Florida Atlantic University.

[19]  فرجادفر ر، حسینی ف (اردیبهشت 1395) آزمون خواص مکانیکی کامپوزیت­های گلس/اپوکسی با الیاف سه جهته. اسناد پژوهشکده هوا-خورشید، دانشگاه فردوسی مشهد، مشهد، ایران.

[20]    Saenz EE, Carlsson L.A. Karlsson A. (2011) Characterization Of Fracture Toughness G (Sub c) of PVC and PES foams. J Mater Sci 46(9): 3207-3215.

[21]    Poapongsakorn P, Carlsson LA (2013) Fracture toughness of closed-cell PVC foam: Effects of loading configuration and cell size. Compos Struct 102: 1-8.

[22]    Soni SM, Gibson RF, Ayorinde EO (2009) The influence of subzero temperatures on fatigue behavior of composite sandwich structures. Compos Sci Technol 69: 829-838.

[23]   ASTM C393-06 (2006) Standard test method for core sear properties of sandwich constructions by beam flexure.