شکست‌نگاری و ارزیابی آسیب خستگی کامپوزیت‌های زمینه پلیمری تقویت شده با الیاف شیشه به روش غیرمخرب مبتنی بر فرکانس طبیعی

نوع مقاله : مقاله مستقل

نویسندگان

1 دانشجو دکتری، گروه مهندسی مواد و متالورژی، پژوهشکده هواخورشید، دانشگاه فردوسی مشهد، مشهد، ایران

2 دانشیار، گروه مهندسی مواد و متالورژی، پژوهشکده هواخورشید، دانشگاه فردوسی مشهد مشهد، ایران

3 استاد، ازمایشگاه سازه‌های کامپوزیتی و هوشمند، گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه فردوسی مشهد مشهد، ایران

چکیده

با توجه به هزینه، زمان بالا و ماهیت مخرب آزمون‌های خستگی، معرفی جایگزینی غیرمخرب و سریع در توسعه مدل‌های پیش‌بینی عمر سازه‌های کامپوزیتی راهگشا می‌باشد. استحکام باقیمانده معیاری کلیدی برای ارزیابی آسیب خستگی است و در مدل‌های پیش‌بینی عمر، به‌ویژه در پره‌های توربین بادی، استفاده می‌شود. آزمون مدال به‌عنوان روشی غیرمخرب برای شناسایی عیوب خستگی به‌کار برده شده است، اما تا کنون ارتباط آن با آسیب خستگی و استحکام باقیمانده به‌طور کامل بررسی نشده است. در این پژوهش، نمونه‌هایی که تحت بارگذاری خستگی قرار گرفته بودند، مورد تحلیل مدال قرار گرفتند و استحکام باقیمانده آن‌ها اندازه‌گیری شد. نتایج نشان‌دهنده ارتباط معنادار بین استحکام باقیمانده و تغییرات فرکانس طبیعی بودند. ۲۰ درصد کاهش در استحکام باقیمانده (از 415 به 330 مگاپاسکال) طی بارگذاری سیکلی با ۱۲ درصد کاهش در فرکانس طبیعی (از 30.5 به 27 هرتز) همراه است. برای بررسی تاثیر سطوح مختلف تنشی بر آسیب خستگی و استحکام باقیمانده، نمونه‌ها تحت دو سطح تنش بارگذاری قرار گرفتند و سازکارهای شکست آن‌ها مقایسه شدند. تصاویر شکست نگاری نشان دادند که در سطح بارگذاری پایین‌تر، ریزسازکارهای متنوع‌تر و بیشتری فعال گردیده و تغییرات فرکانس طبیعی مد اول در این سطح بیشتر مشاهده شد. لذا پیش بینی می شود فرکانس طبیعی قابلیت تفکیک ریزسازکار‌های ساختاری ایجاد شده در بارگذاری خستگی داراست و به‌عنوان پارامتری غیرمخرب برای ارزیابی آسیب خستگی و استحکام باقیمانده استفاده شد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1] Yang B, Sun D (2013) Testing inspecting and monitoring technologies for wind turbine blades: A survey. Renew Sustain Energy Rev 22:515-526.
[2] Kong C, Taekhyun Kim DH, Sugiyama Y (2006) Investigation of faitigue life for a medium scale composite wind turbine blade. Int. J. Fatigue 28:1382-1388.
[3] Lio Y, Mahadevan S (2005) Probabilistic fatigue life prediction of unidirectional composite laminates. Compos Struct 69:11-19.
[4] Westphal T, Nijssen RPL (2014) Fatigue life prediction and strength degredation of wind turbine rotor blade composites: Validation of constant amplitude formulations with variable amplitude experiments. J Physics: Conference Series 555.
[5] Tsai SW (2012) Composite Materials: Testing and Design. Editor: ASTM STP 497.
[6] Wahl NK (2001) Spectrum fatigue lifetime and residual strength for fiberglass laminates. PhD Thesis. Montana state university.
[7] Stinchomb WW (1986) Nondestructive evalution of damage accumulation processes in composite laminates. Compos Sci Technol 17:343-351.
[8] Ronald F Gibson (2000) Modal vibration response mesurements for characterization of composite materials and structures. Compos Sci Technol 60:2769-2780.
[9] Purekar Ashish S, Lakshmanan Kodanate A, Pines Darryll J (1998) Detecting delamination damage in composite rotorcraft flexbeams using the local wave response. Proceedings of the SPIE 3329. 523-535.
[10] Valdes SHD, Soutis SC (1999) Delamination detection in composite laminates from variations of their modal charactristics. J Sound Vib 228:1-9.
[11] Rotem A (1988) Residual strength after fatigue loading. Int J Fatigue 10:27-31.
[12] Bedewi NE, Kung DN (1997) Effect of fatigue loading on the modal properties of composite structures and its utilization. Compos Struct 37:357-361.
[13] Zou L, Tong L, Steven GP (2000) Vibration-based model-dependent damage (delamination) identification and health monitoring for composite structures—a review. J Sound Vib 23:357-378.
[14] Kim H (2003) Vibration-based damage identification using reconstructed FRFs in composite structure. J Sound Vib 259:1131-1146.
[15] Kessler SS, Spearing SM, Atalla MJ, Cesnik CES, Soutis C (2002) Damage detection in composite materials using frequency response method. Compos part B 33:87-95.
[16] Moon TC, Kim HY, Hwang Wb (2003) Natural frequency reduction model for matrix dominated fatigue damage of composite laminates. Compos Struct 62:19-26.
[17] Damir AN, Elkhatib A, Nassef G (2007) Prediction of fatigue life using modal analysis for grey and ductile cast iron. Int J Fatigue 29:499-507.
[18] Abo-Elkhier M, Hamada AA, El-Deen AB (2014) Prediction of fatigue life of glass fiber reinforced polyster composites using modal testing. Int J Fatigue 69:28-35.
[19] ASTM D3479/ D3479M (2002) Standard Test Method for Tension-Tension Fatigue of Polymer Matrix Composite Materials. West Conshohocken.
[20] Roundi W, Mahi AE, Ghar AE (2017) Experimental and numerical investigation of the effects of stacking sequence and stress ratio on fatigue damage of glass/epoxy composites. Compos Part B: Engineering 109:64-71.
[21] Valizadeh P, Zabett A, Rezaeepazhand J (2024) Investigating the relationship between natural frequency and residual strength and stiffness of cross-ply laminate under cyclic loading. Polym int. online (DOI 10.1002/pi.6682).
[22] ASTM D7028 (2015) Standard Test Method for Glass Transition Temperature (DMA Tg) of Polymer Matrix Composites by Dynamic Mechanical Analysis (DMA). West Conshohocken: ASTM International.
[23] DNVGL-ST-0376 (2015) Rotor blades for wind turbines. Oslo: DNV GL AS.
]۲۴[ سیدعلیرضا مقدس موسوی‌زاده، احد ضابط، سمانه صاحبیان سقی (۱۴۰۱) مطالعه رفتار خستگی در کامپوزیت‌های زمینه پلیمری تقویت شده با الیاف شیشه (GFRP) در سطوح تنشی مختلف، نشریه مهندسی متالورژی و مواد ۳۲ (۲): ۱-۱۲.
[25] Reifsnider KL (1990) Damage and Damage Mechanics in Fatigue of Composite Material. Edn. Elsevier B.V. 11-77.
[26] Eftekhari M, Fatemi A (2016) On the strengthening effect of increasing cycling frequency on fatigue behaviour of some polymers and their composites: Experiment and modeling. Int J Fatigue 87:153-166.
[27] Epaarachchi J (2011) The effect of viscoelasticity on fatigue behaviour of polymer matrix composites. Creep and Fatigue in Polymer Matrix Composites 492-513.
[28] Nosrati N, Zabett A and Sahebian S (2020) Long-Term Creep Behaviour of E-Glass/Epoxy Composite: Time-Temperature Superposition Principle. Plast. Rubber Compos. 49: 254–62.
 
[29] Nosrati N, Zabett A and Sahebian S (2022) Stress Dependency of Creep Response for Glass/Epoxy Composite at Nonlinear and Linear Viscoelastic Behavior. Int. J. Polym. Sci. 9733138: 1-11.
[30] Menard KP (2008) Dynamic mechanical analysis: a practical introduction. London: CRC Press.
[31] Cao MS, Sha GG, Gao YF, Ostachowicz W (2017) Structural damage identification using damping: a compendium of uses and features. Smart Materials and Structures 26:1-14.
[32] Tournour M, Treviso A, Genechten BV, Mundo D (2015) Damping in composite materials: properties and models. Composites Part B 78:144-152.
[33] Ullah I (2011) Vibration-based structural condition monitoring of composite structures. PhD Thesis. Engineering and Physical Sciences. The University of Manchester.
[34] Gibson RF (2000) Modal vibration response measurements for characterization of composite materials and structures. Compos Sci Tech 60:2769-2780.