پلیمر تقویت شده با الیاف شیشه

دسته: مقالات منتشر شده در 16 ارديبهشت 1402
نوشته شده توسط Admin بازدید: 262

شناسایی پلیمرهای تقویت شده با الیاف شیشه ازطریق همبستگی حجمی دیجیتال: بررسی حساسیت ناتچ

نتایج آزمایشات کششی چرخه‌ای درجا روی دو نمونه از داگ بون ساخته‌شده از رزین پلی استر تقویت شده با الیاف شیشه‌ای در اینجا ارائه شده است (نمونه دوم حاوی ناتچ مستطیلی ماشین‌کاری شده است). داده‌های تجربی با استفاده از توموگرافی کامپیوتری اشعه ایکس به ‌دست آمد. حجم‌های بازسازی ‌شده نیز ازطریق همبستگی حجمی دیجیتال تحلیل شدند. از آنجایی که هر دو نمونه در سطوح تنشی یکسان شکست خوردند، ماده مورد بررسی به ناتچ حساس نبود. برای تایید بیشتر این فرضیه و مطالعه برهمکنش‌های آسیب فشار، طرح‌های باقیمانده کرنش و همبستگی اصلی در هر دو نمونه مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفتند. حتی در اولین چرخه بارگذاری، یک باند کششی داخلی که در کل ناحیه رباط گسترش می‌یابد، در هر دو نمونه ایجاد شد که از قبل مسیر شکستگی نهایی را نشان می‌دهد. مشاهده شد که علت شکست نهایی مواد مورد مطالعه در درجه اول مزوساختار بودن نخ بود؛ برای مثال، تأثیر ناهمگونی‌های زمینه ای بر اثرات ناشی از ماشین‌کاری و یا تکینگی هندسی نمونه.

 

پلیمرهای تقویت شده با الیاف (FRP) به دلیل خواص پیشرفته آنها (مانند نسبت سختی به وزن بالا، شکل پذیری خوب در حین ساخت) در مقایسه با مواد مهندسی معمولی کاربردهای روزافزونی دارند. ناتچ ها، قطع شدن و دیگر ناپیوستگی‌های هندسی از ویژگی‌های رایج در کاربردهای صنعتی سازه‌های FRP هستند؛ برای مثال تسهیل در اتصال قطعات ساختاری. چنین تکینگی‌های هندسی باعث ایجاد حجم نامطلوب کرنش و تنش می‌شوند که ممکن است منجر به شکست زودرس شود. با توجه به ماهیت ناهمگن آنها، پاسخ مکانیکی و همچنین شکست FRP ها پیامد مستقیم مجموعه رخدادها در سطوح میکروساختاری است. از این‌رو، درک پیوند بین مزوساختار ناهمگن و شکست نهایی، به‌ ویژه در حضور ناپیوستگی‌های هندسی، برای پیش‌بینی قطعی رفتار FRP و همچنین کاهش اثرات استرس و حجم کرنش بسیار مهم است. تحلیل‌های تجربی گسترده بر روی نمونه‌های ناتچ شده FRP در بارگذاری‌های مختلف نشان داد که مکانیسم‌ها در مجاورت آسیب‌های مختلف ریشه ناتچ به دلیل تنش زیاد و شیب کرنش ایجاد می‌شوند. با این‌حال، در اکثر مطالعات موجود، سینماتیک انبوه درجا اندازه ‌گیری نشد و به ویژگی‌های مزو و میکروساختار مرتبط نبود. برای رفع این شکاف، ارتباط بین آزمایشات مکانیکی توموگرافی کامپیوتری اشعه ایکس (XCT) درجا یا خارج از محل با همبستگی حجم دیجیتال (DVC) ضروری است. روش اول یک روش آزمایش غیر مخرب (NDT) است که امکان تجسم تغییرات میکروساختاری در حجم مواد در طول آزمایشات را فراهم می‌کند. این تکنیک تصویربرداری انگیزه زیادی برای آزمایش تجربی مکانیک جامدات فراهم می‌کند. همان‌طور که استفاده از FRP ها شاخه‌های مختلف صنعتی (مانند خودروسازی، صنایع هوافضا، دریایی و نیروگاه‌ها) را بازسازی کرده است، XCT به طور فزاینده‌ای در توصیف پدیده‌های آسیب در چنین موادی نیز کاربرد دارد. ارتباط XCT و DVC در یک چارچوب منحصر به فرد اندازه‌گیری جابجایی میدان کامل و محاسبه نقشه‌های کرنش در فضای سه بعدی را امکان پذیر می‌کند. حجمی بودن گسترش تکنیک همبستگی تصویر دیجیتال (DIC) به طور گسترده استفاده می‌شود. هدف از DVC بررسی تغییر شکل مواد مورد بررسی با همبستگی تصاویر سه ‌بعدی به‌ دست‌آمده بین دو حالت است. اکثر اندازه‌گیری های DVC موجود از FRP ها با DVC محلی انجام شد. چنین الگوریتم‌هایی منطقه مورد علاقه بازرسی شده (ROI) را به حجم‌های فرعی کوچکتر تقسیم می‌کنند و در عین حال، تداوم جابجایی بین حجم‌های فرعی مجاور را تضمین نمی کند (برای مثال، آنها به طور مستقل ثبت می‌شوند). برعکس، رویکردهای جهانی مبتنی بر گسسته سازی المان محدود (FE) و با فرض تداوم میدان‌های جابجایی معرفی شدند.

 

مزیت کلیدی چنین رویکردهایی دسترسی به ادامه همبستگی مربوط به اختلاف سطح خاکستری بین حجم مرجع و حجم ماده تغییر شکل یافته است که با میدان جابجایی اندازه‌گیری شده اصلاح شد. باقیمانده‌های همبستگی نه تنها اطلاعات مفیدی از همگرایی الگوریتم‌های DVC ارائه می‌دهد، بلکه ناپیوستگی‌‌های (برای مثال مناطق آسیب دیده) میدان‌های جابجایی همگرا را نیز آشکار می‌کند. در اینجا، نتایج آزمایشات کششی چرخه‌ای درجا روی دو نمونه داگ بون انجام شد؛ نمونه دوم حاوی ناتچ مستطیل شکل ماشین‌کاری شده بود. ماده مورد مطالعه در اینجا یک رزین پلی استر تقویت شده با الیاف شیشه‌ای پیوسته است. آزمایشات ازطریق XCT  تصویربرداری‌شده و برای اندازه‌گیری سینماتیک توده‌ای با DVC همراه شدند. قبل از تجزیه و تحلیل نتایج همبستگی‌های حجمی، بررسی عدم قطعیت سطوح هر دو آزمایش با مطابقت دو اسکن از پیکربندی تغییر شکل نیافته انجام شد. پاسخ ماده در هر دو آزمایش با گیج های مجازی روی ROI های بررسی شده قرار گرفته‌اند. از آنجایی که هر دو نمونه در سطوح تنش برابر شکست خوردند، می توان گفت که این مواد به ناتچ حساس هستند. برای تایید بیشتر این فرضیه، میدان‌های کرنش ویژه استرس ‌اصلی با هدف مطالعه فعالیت باند کرنشی آنالیز شدند. نقشه‌های باقیمانده همبستگی برای نظارت بر شروع آسیب و رشد، علاوه بر برهمکنش فشار و آسیب مورد بررسی قرار گرفتند. در آخر، میدان‌های اصلی کرنش ویژه استرس بر روی مزوساختار مرجع متناظر در بخش‌های مختلف برای مطالعه تاثیر مزوساختار نخ ناهمگن روی توسعه باند تحت فشار اعمال شدند.

 

در کار حاضر، دو آزمایش درجا (توموگرافی) روی یک کامپوزیت رزین پلی استر تقویت‌شده با الیاف شیشه‌ای پیوسته انجام شد. نمونه‌های داگ بون تحت کشش چرخه ای تک محوری قرار می‌گیرند. برای القای شیب کرنش بالاتر، یک ناتچ مستطیلی منفرد روی لبه یکی از نمونه‌های مورد بررسی قرار داده شد. سینماتیک انبوه ازطریق DVC مبتنی بر FE اندازه گیری شد. استرس در شکست هر دو نمونه نشان داد که مواد مورد بررسی به ناتچ حساس هستند. برای اثبات بیشتر، سویه‌های اصلی و زمینه‌های باقی‌مانده همبستگی در هر دو آزمایش به منظور بررسی فعالیت باند تحت فشار و نقاط آسیب دیده آنالیز شدند. در نهایت، میدان‌های کرنش ویژه استرس از نظر آستانه وکسل-وایز روی مزوساختار مربوطه در پیکربندی مرجع برای بررسی تاثیر معماری نخ بر توسعه باند کرنش اعمال شدند. هدف از این مقاله، درک تأثیر مزوساختار نخ زیرین بر توسعه باند کرنشی و درنتیجه، شکست نهایی مواد مورد مطالعه است. تجزیه و تحلیل میدان‌های کرنش ویژه استرس اصلی هر دو نمونه تشکیل یک باند کرنشی افقی داخلی را نشان داد که در کل ناحیه رباط حتی در ابتدای بارگذاری گسترش می‌یابد. نقاطی با غلظت اضافی روی لبه‌های رباط در هر دو نمونه مشاهده شد. مواد مورد بررسی افزایش سطح کرنش را با وجود شیب کشش زیاد در لبه‌های رباط، در نمونه ناتچ شده منفرد و حتی در ناتچ در داخل باند کرنش افقی حفظ کرد. علاوه براین، مشاهده شد باندهای کششی قبل از شروع هرگونه نشانه‌ای از آسیب در هر دو نمونه ایجاد شدند که به‌طور قابل توجهی تحت تأثیر ناهمگونی‌های مواد اساسی قرار گرفتند (مثلا باندهای کرنش پوشیده شده مشاهده شدند که در امتداد نخ‌های الیاف به طور قابل توجهی در جهت بارگذاری نیز قرار داشتند). باید گفت که مسیر ترک نهایی هر دو نمونه در امتداد باند کششی افقی اولیه که در کل ناحیه رباط امتداد یافته بود، ادامه داشت. این پدیده نشان می‌دهد که اثر باند کرنش تعیین‌شده توسط مزوساختار نخ بر آسیب‌های ناشی از ماشین‌کاری و یا تکینگی هندسی (به عنوان مثال ناتچ) غالب است. بنابراین، شکست نهایی مواد مورد بررسی از قبل با ساختار مزوساختاری نخ علیرغم شیب کرنش بالا و آسیب به رشد در توده مواد تعیین شده بود. این مطالعه مجموعه‌های جدیدی از شواهد تجربی توسعه باند کششی و شکست مواد را مستند می‌کند که درنتیجه، اثبات شد شکست مواد در درجه اول توسط مزوساختار ناهمگن نخ هدایت می‌شود.