مطالعه تجربی و شبیه‌سازی عددی عملکرد کامپوزیت ترموپلاستیک پلی فنیلن سولفاید تقویت شده با الیاف کربن تحت ضربه سرعت بالای گلوله‌های با هندسه مختلف

نوع مقاله : مقاله مستقل

نویسنده

1 دکتری مهندسی مکانیک، رئیس دایره ارتباط با مراکز پژوهشی و صنعتی، دانشگاه افسری امام علی (ع)، تهران، ایران

2 دکتری مهندسی مکانیک، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی شاهرود، شاهرود، ایران

10.22044/jsfm.2024.13692.3800

چکیده

امروزه کامپوزیت های ترموپلاستیک به علت دارا بودن استحکام بالا و وزن کم محبوبیت زیادی در صنایع مختلف پیدا کرده اند. هدف پژوهش حاضر، بررسی عملکرد بالستیکی یک کامپوزیت چهار لایه ترموپلاستیک تحت ضربه سرعت بالا می باشد. این کامپوزیت، از پلیمر پلی فنیلن سولفاید به عنوان ماده زمینه و الیاف کربن به عنوان فاز تقویت کننده بهره می برد. در این پژوهش ابتدا این کامپوزیت با لایه چینی متقارن [0/90/90/0] با استفاده از روش پرس گرم ساخته شده و سپس خواص مکانیکی آن با استفاده از تست کشش بدست آمد. سپس، تست ضربه سرعت بالا بر روی قطعات نمونه انجام شده و با به کارگیری دوربین سرعت بالا، سرعت خروجی گلوله‌ها بدست آمده است. همچنین، شبیه سازی عددی این ضربه سرعت بالا در نرم افزار المان محدود LS-DYNA انجام شد و نتایج آن با داده های تجربی مقایسه و صحت سنجی گردید. در این شبیه سازی از سه گلوله با هندسه مختلف شامل سرکروی، سرتخت و مخروطی استفاده شده است. در نهایت براساس خروجی های عددی و تجربی بدست آمده مشخص گردید که کامپوزیت ساخته شده توانسته به میزان قابل توجهی از انرژی گلوله‌های مورد اصابت را جذب کند. بیشترین میزان این انرژی جذب شده در سرعت اولیه 120 متر بر ثانیه، مربوط به گلوله سرتخت به میزان 67/65 درصد و کمترین آن نیز مربوط به گلوله مخروطی به میزان 66/36 درصد می باشد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


  • Li, H., et al. (2014) Synthesis and characterization of novel poly (phenylene sulfide) containing a chromophore in the main chain. Polymer international. 63(9): p. 1707-1714.
  • Zhao, L., et al. (2019) High-performance polyphenylene sulfide composites with ultra-high content of glass fiber fabrics. Composites Part B: Engineering. 174: p. 106790.
  • Deng, J., et al. (2022) Thermal aging effects on the mechanical behavior of glass-fiber-reinforced polyphenylene sulfide composites. Polymers. 14(7): p. 1275.
  • Jiang, , et al. (2017) Rheological and mechanical properties of polyphenylene sulfide reinforced with round and rectangle cross-section glass fibers. High Performance Polymers, 29(7): p. 849-856.
  • Li, J., et al. (2019) Improving interfacial and mechanical properties of glass fabric/polyphenylene sulfide composites via grafting multi-walled carbon nanotubes. RSC advances. 9(56): p. 32634-32643.
  • Wu, Y., et al. (2019) Improved mechanical properties of graphene oxide/short carbon fiber–polyphenylene sulfide composites. Polymer Composites. 40(10): p. 3866-3876.
  • Reddy, P.R.S., et al., Effect of viscoelastic behaviour of glass laminates on their energy absorption subjected to high velocity impact. Materials & Design, 2016. 98: p. 272-279.
  • Liu, L., et al. (2018)An experimental investigation on high velocity impact behavior of hygrothermal aged CFRP composites. Composite Structures,. 204: p. 645-657.
  • Deka, L., S. Bartus, and U. Vaidya (2008) Damage evolution and energy absorption of E-glass/polypropylene laminates subjected to ballistic impact. J. mate. sci,. 43: p. 4399-4410.

[10] Heimbs, S., et al. (2014) High velocity impact on preloaded composite plates. Composite Structures, 111: p. 158-168.

[11] Ignatova, A., O. Kudryavtsev, and M. Zhikharev (2020) Influence of surface polymer coating on ballistic impact response of multi-layered fabric composites: Experimental and numerical study. International J. Impact Eng., 144: p. 103654.

[12] da Silva, A.A.X., et al. (2021) High-velocity impact behavior of aramid/S2-glass interply hybrid laminates. Applied Composite Materials, 28(6): p. 1899-1917.

[13] Delavari, K. and A. Safavi, The effect of stacking sequence on high-velocity impact resistance of hybrid woven reinforced composites: experimental study and numerical simulation. Fibers and Polymers, 2022: p. 1-12.

[14] Cantwell, W.J. and J. Morton (1991) The impact resistance of composite materials—a review. composites, 1991. 22(5): p. 347-362.

[15] Singh, N.K. and K. Singh (2015) Review on impact analysis of FRP composites validated by LS‐DYNA. Polymer Composites, 36(10): p. 1786-1798.

[16] Barauskas, R. and A. Abraitienė (2007) Computational analysis of impact of a bullet against the multilayer fabrics in LS-DYNA. Int. J. impact eng., 34(7): p. 1286-1305.

[17] Camanho, P.P., et al (2008) A numerical material model for predicting the high velocity impact behaviour of polymer composites. in Mechanical Response of Composites. Springer.

[18] Ansari, M.M. and A. Chakrabarti (2016) Impact behavior of FRP composite plate under low to hyper velocity impact. Composites Part B: Engineering, 95: p. 462-474.

[19] Yen, C.-F., et al. (2020) Modeling and simulation of carbon composite ballistic and blast behavior. J. Compo. Mate, 54(4): p. 485-499.

[20] Mousavi, M.V. and H. Khoramishad (2020) Investigation of energy absorption in hybridized fiber-reinforced polymer composites under high-velocity impact loading. Int. J. Imp. Eng, 146: p. 103692.

[21] Lee, R., (2019) LS-DYNA for Engineers: A Practical Tutorial Book.: BW Publications.

 

[22] Chang, F.-K. and K.-Y. Chang (1987) Post-failure analysis of bolted composite joints in tension or shear-out mode failure. J. Compo. Mate., 21(9): p. 809-833.

[23] Khodadadi, A., et al. (2019) Numerical and experimental study of impact on hyperelastic rubber panels. IRI. Poly. J., 28: p. 113-122.

[24] Asemani, S.S., et al. (2021) The experimental and numerical analysis of the ballistic performance of elastomer matrix Kevlar composites. Polymer Testing, 2021. 102: p. 107311.

[25] Haro, E.E., A.G. Odeshi, and J.A. Szpunar (2016) The energy absorption behavior of hybrid composite laminates containing nano-fillers under ballistic impact. Int. J. Imp. Eng., 96: p. 11-22.