تحلیل غیر‌خطی سلسله مراتبی رفتار خزش-بازیافت نانوکامپوزیت هیبریدی شیشه/اپوکسی تقویت‌شده با نانوذرات سیلیکا

نوع مقاله : مقاله مستقل

نویسنده

دانشیار، تهران، دانشگاه شهید بهشتی، دانشکده مهندسی عمران، آب و محیط زیست، تهران، ایران.

10.22044/jsfm.2025.15960.3952

چکیده

در این مقاله، یک روش تحلیلی سلسله مراتبی بر اساس میکرومکانیک برای پیش‌بینی رفتار ویسکوالاستیک غیر‌خطی کامپوزیت‌های هیبریدی پایه پلیمری ارائه می‌شود. کامپوزیت هیبریدی مدنظر شامل اجزای شیشه و اپوکسی تقویت‌شده با نانوذرات سیلیکا می‌باشد. یک مدل میکرومکانیکی بر پایه سلول واحد طی دو مرحله برای استخراج پاسخ کرنش کلی خزش-بازیافت نانوکامپوزیت سیلیکا/اپوکسی و نانوکامپوزیت هیبریدی سیلیکا/شیشه/اپوکسی اعمال می‌شود. المان حجمی نماینده شامل سه فاز زمینه، فاز میانی و تقویت، به ترتیب با رفتار ویسکوالاستیک غیرخطی، ویسکوالاستیک غیرخطی یا الاستیک خطی، و الاستیک خطی مدنظر می‌باشد. مدل ساختاری ویسکوالاستیک غیر‌خطی شیپری مورد استفاده قرا می‌گیرد. در این مطالعه، مشخصه‌های فاز میانی شامل ضخامت و مدل رفتاری، وابسته به اندازه، خواص و کسر حجمی نانوذره در نظر گرفته می‌شود. نتایج روش ارائه‌شده با نتایج تجربی جهت اعتبارسنجی مقایسه می‌شود. همچنین، یک تحلیل حساسیت با تغییر تعداد زیر سلول‌ها انجام می‌گیرد. اثر پارامترهای مدل شامل کسر حجمی الیاف و کسر حجمی و اندازه نانو تقویت‌کننده، ضخامت، خواص، و نوع رفتارِ فاز میانی، سطح بار اعمالی و دمای محیط بر رفتار مؤثر الاستیک و ویسکوالاستیک نانوکامپوزیت هیبریدی، و همچنین تاریخچه کلی کرنش خزشی و پاسخ کلی خزش-بازیافت آن مورد بررسی قرار می‌گیرد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1]  Khalili SMR, Eslami Farsani R, Dastmard A, Saeedi A (2015) Experimental investigation of creep behavior in Phenolic based polymer composites. J. of Sci Technol Compos 1 (2): pp. 37-42.
[2]  Tuttle ME, Brinson HF 1986 Prediction of the long-term creep compliance of general composite laminates. Exp Mech 26(1): 89–102.
[3]  Schaffer BG, Adams DF (1981) Nonlinear Viscoelastic Analysis of a Unidirectional Composite Material. J Appl Mech 48(4): 859–865.
[4]  Aboudi J (1990) Micromechanical characterization of the non-linear viscoelastic behavior of resin matrix composites. Compos Sci Technol 38(4): 371–386.
[5]  Schapery RA (1969) On the characterization of nonlinear viscoelastic materials. Polym Eng Sci 9(4): 295–310.
[6]  Haj-Ali RM, Muliana AH (2004) A multi-scale constitutive formulation for the nonlinear viscoelastic analysis of laminated composite materials and structures. Int J Solids Struct 41(13): 3461–3490.
[7]  Zaoutsos SP, Papanicolaou GC (2010) On the influence of preloading in the nonlinear viscoelastic–viscoplastic response of carbon–epoxy composites. Compos Sci Technol 70(6): 922–929.
[8]  Darvizeh A, Ansari R, Mahmoudi MJ, Hassanzadeh MK (2016) Investigation of interphase effect on the non-linear viscoelastic behavior of multiphase polymer composites. Modares Mech Eng 16(1): 181–191 (In persion).
[9]  Rafiee R, Mazhari B (2016) Modeling creep in long fiber reinforced laminated composites using micromechanical rules. J Sci Technol Compos 3(4): 409–418.
[10]         Pasricha A, Turtle ME, Emery AF (1996) Time-dependent response of IM7/5260 composites subjected to cyclic thermo-mechanical loading,” Compos Sci Technol 56(1): 55–62.
[11]         Papanicolaou GC, Zaoutsos SP, Cardon AH (1999) Further development of a data reduction method for the nonlinear viscoelastic characterization of FRPs. Compos part A Appl Sci Manuf 30(7): 839–848.
[12]         Papanicolaou GC, Zaoutsos SP, Kontou EA, (2004) Fiber orientation dependence of continuous carbon/epoxy composites nonlinear viscoelastic behavior. Compos Sci Technol 64(16): 2535–2545.
[13]         Huang B, Kim HS, Wang J, Du J, Guo Y (2016) Time-dependent stress variations in symmetrically viscoelastic composite laminates under uniaxial tensile load. Compos Struct 142: 278–285.
[14]         Galuppi L, Royer-Carfagni G (2012) Laminated beams with viscoelastic interlayer. Int J Solids Struct 49(18): 2637–2645.
[15]         Yang J, Xiong J, Ma L, Wang B, Zhang G,Wu L (2013) Vibration and damping characteristics of hybrid carbon fiber composite pyramidal truss sandwich panels with viscoelastic layers. Compos Struct 106: 570–580.
[16]         Joshi N, Muliana A (2010) Deformation in viscoelastic sandwich composites subject to moisture diffusion. Compos Struct 92(2): 254–264.
[17]         Wei C, Srivastava D, Cho K (2002) Thermal expansion and diffusion coefficients of carbon nanotube-polymer composites. Nano Lett 2(6): 647–650.
[18]         Seidel GD, Lagoudas DC, Mortazavi B, Bardon J, Ahzi S., (2009) A micromechanics model for the electrical conductivity of nanotube-polymer nanocomposites. J Compos Mater 43(9): 917–941.
[19]         Liu H, Brinson LC (2008) Reinforcing efficiency of nanoparticles: A simple comparison for polymer nanocomposites. Compos Sci Technol 68(6): 1502–1512.
[20]         Yao Y., Chen S., and Chen P., 2013 “The effect of a graded interphase on the mechanism of stress transfer in a fiber-reinforced composite,” Mech. Mater., vol. 58, pp. 35–54,.
[21]         Jiang Y, Guo W, Yang H (2008) Numerical studies on the effective shear modulus of particle reinforced composites with an inhomogeneous inter-phase. Comput Mater Sci 43(4): 724–731.
[22]         Boutaleb S. et al. (2009) Micromechanics-based modelling of stiffness and yield stress for silica/polymer nanocomposites. Int J Solids Struct 46(7-8): 1716–1726.
[23]         Odegard GM, Clancy TC, Gates TS (2005) Modeling of the mechanical properties of nanoparticle/polymer composites. Polymer (Guildf) 46(2): 553–562.
[24]         Falahatgar SR., Salehi M, Aghdam MM (2009) Nonlinear viscoelastic response of unidirectional fiber-reinforced composites in off-axis loading. J Reinf Plast Compos 28(15): 1793–1811.
[25]         Sayyidmousavi A, Bougherara H, Falahatgar SR, Fawaz Z (2014) A 3D micromechanical energy-based creep failure criterion for high-temperature polymer-matrix composites. J Reinf Plast Compos 33(4): 380–388.
[26]         Sayyidmousavi A, Bougherara H, Falahatgar SR, Fawaz Z (2015) Thermomechanical viscoelastic response of a unidirectional graphite/polyimide composite at elevated temperatures using a micromechanical approach. J. Compos Mater 49(5):519–534.
[27]         Aboudi J (1982) A continuum theory for fiber-reinforced elastic-viscoplastic composites. Int J Eng Sci 20(5): 605–621.
[28]         Aboudi J, Pindera MJ, Arnold SM (1999) Higher-order theory for functionally graded materials. Compos Part B Eng 30(8): 777–832.
[29]         Muliana AH (2004) Integrated micromechanical-structural framework for the nonlinear viscoelastic behavior of laminated and pultruded composite materials and structures. Ph.D. Thesis, Georgia Institute of Technology.
[30]         Haj‐Ali RM, Muliana AH (2001) Numerical finite element formulation of the Schapery non-linear viscoelastic material model. Int J Numer Methods Eng 59(1): 25–45.
[31]         Haj-Ali RM, Muliana AH (2004) A multi-scale constitutive formulation for the nonlinear viscoelastic analysis of laminated composite materials and structures. Int J Solids Struct 41(13): 3461–3490.
[32]         Lai J, Bakker A (1996) 3-D Schapery representation for non-linear viscoelasticity and finite element implementation. Comput Mech 18(3): 182–191.
[33]         Harris B (1999) Engineering composite materials. IOM, London.
[34]         Aghdam MM, Dezhsetan A (2005) Micromechanics based analysis of randomly distributed fiber reinforced composites using simplified unit cell model. Compos Struct 71(3): 327–332.
[35]         Aboudi J., Arnold S. M., and Bednarcyk B. A., Micromechanics of composite materials: a generalized multiscale analysis approach. Butterworth-Heinemann, 2013.
[36]         Aboudi J., “Micromechanical analysis of composites by the method of cells,” 1989.
[37]         Aboudi J., “Closed form constitutive equations for metal matrix composites,” Int. J. Eng. Sci., vol. 25, no. 9, pp. 1229–1240, 1987.
[38] Haj-Ali           R. and Aboudi J., “Nonlinear micromechanical formulation of the high fidelity generalized method of cells,” Int. J. Solids Struct., vol. 46, no. 13, pp. 2577–2592, 2009.
[39]         Bednarcyk BA, Arnold SM (2002) Transverse tensile and creep modeling of continuously reinforced titanium composites with local debonding. Int J Solids Struct 39(7): 1987–2017.
[40]         Mahmoodi MJ, Aghdam MM, Shakeri M (2010) The effects of interfacial debonding on the elastoplastic response of unidirectional silicon carbide-titanium composites. Proc Inst Mech Eng Part C J Mech Eng Sci 224(2): 259–269.
[41]         Mahmoodi MJ, Hassanzadeh-Aghdam MK (2015) Effects of interphase damage on the elastoviscoplastic behavior of general unidirectional metal matrix composites. Modares Mech Eng 15(3): 95–105. (In persion)
[42]         Sayyidmousavi A, Bougherara H, Fawaz Z (2015) The role of viscoelasticity on the fatigue of angle-ply polymer matrix composites at high and room temperatures- A micromechanical approach. Appl Compos Mater 22(3): 307–321.
[43]         Sun L, Gibson RF, Gordaninejad F (2011) Multiscale analysis of stiffness and fracture of nanoparticle-reinforced composites using micromechanics and global–local finite element models. Eng Fract Mech 78(15): 2645–2662.