بررسی اثر تقویت الیاف رشته پیچ انباشت شده بر رفتار پیچشی میلگرد کامپوزیت پلیمری با آنالیز AE
جهت گیری الیاف کامپوزیتی تأثیر عمده‌ای بر خواص مکانیکی به ویژه توانایی پیچشی کامپوزیت‌های پلیمری دارد. صنایع خودروسازی و هوافضا به طور گسترده در حال توسعه مواد کامپوزیت پلیمری بهتر برای جایگزینی مواد فلزی هستند. در این تحقیق، میله‌های جامد کامپوزیت پلیمری رشته پیچ انباشته شده حاوی الیاف شیشه و بازالت به روش قالب گیری انتقال رزین به کمک خلاء (VARTM) ساخته شدند. به منظور پیش بینی شروع شکست‌های مختلف در مواد کامپوزیتی مانند ترک خوردگی ماتریس، دباندینگ و شکست الیاف از سنسور انتشار آکوستیک و آنالیز سیگنال آن استفاده می‌شود. همچنین از بازه زمانی، دامنه فرکانس (تبدیل فوریه سریع) و روش‌های تبدیل موجک گسسته برای شناسایی سطوح سیگنال تقریبی در حالت‌های مختلف شکست مواد مختلف استفاده می‌شود. تحلیل خوشه‌ای K نیز برای شناسایی طیف فرکانس مربوط به انواع مکانیسم شکست انجام می‌شود. محدوده فرکانس مشاهده شده برای شکست‌های مختلف 0 تا 100 کیلوهرتز برای شکست ماتریس، 100 تا 240 کیلوهرتز برای دباندینگ و 240 تا 500 کیلوهرتز برای شکست الیاف است. بازه زمان و نتایج حاصل از تحلیل FFT با نتایج خوشه بندی K و با شکست نگاری نمونه‌های آزمایش شده مطابقت دارد.
مواد کامپوزیت پلیمری به دلیل دارا بودن خواص مکانیکی خوب، وزن سبک، سرعت چرخش بالا ناشی از افزایش فرکانس طبیعی آنها جایگزین مهمی برای مواد فلزی در صنایع خودروسازی و هوافضا به شمار می‌روند. آنها همچنین از مزایای مواد غیر مغناطیسی با ضریب انبساط حرارتی پایین و مقاومت سایشی بالایی برخوردار هستند. این کامپوزیت‌های پلیمری به عنوان جایگزینی برای فلزات با استحکام بالا مانند میله‌های پیچشی، محورهای محرک و اجزای غیر چرخشی مانند پنل‌های بدنه کاربرد گسترده‌ای در صنایع مختلف خودروسازی دارند. آنها با افزایش عملکرد به کاهش وزن محصولات نهایی کمک می‌کنند. شفت‌ها اجزایی هستند که بیشترین کاربرد را در انتقال حرکت در ماشین آلات دارند. آنها معمولا فشار چرخه‌ای پیچشی را برای مدت طولانی تجربه می‌کنند؛ در نتیجه، پیچش، میرایی و مقاومت در برابر خوردگی به عنوان سه فاکتور ضروری در انتخاب مواد در نظر گرفته می‌شوند. رفتار پیچشی کامپوزیت‌های پلیمری اساسا به تقویت، روش‌ها و توالی‌های انباشت، و همچنین روش ساخت بستگی دارد. بسیاری از کارهای تحقیقاتی انجام شده بر روی شفت‌ها، مقاومت پیچشی را از نظر الیاف و زوایای مختلف مورد بررسی قرار دادند. فقط تعداد محدودی از مطالعات به بررسی تأثیر توالی‌های انباشت پرداخته اند. در کاربرد ساختاری ایرجت‌ها، از پارچه بافته دو محوره استفاده می‌شود که دستیابی به اشکال ساختاری مختلف را آسان تر می‌کند. در ایرجت‌ها، برای کاربردهای ساختاری از پارچه بافته دو محوره استفاده می‌شود که با کمک آن می‌توان به آسانی به اشکال ساختاری مختلف دست یافت.
سوکات و همکارانش شفت‌های کامپوزیت هیبریدی با توالی‌های مختلف انباشت الیاف شیشه و کربن را با استفاده از روش سیم پیچ فیلامنت به منظور بررسی رفتار پیچشی ساختند. مشاهده شد که رفتار پیچشی در توالی‌های مختلف انباشت الیاف در مقایسه با توالی‌های مشابه بیشتر بود. به نظر می‌رسد مواد لایه انباشت اولیه نقش مهمی در بهبود رفتار پیچشی ایفا می‌کند. زاویه انباشت الیاف نیز بر خواص مکانیکی کامپوزیت‌های تقویت شده با الیاف تاثیر می‌گذارد. متاشر و همکارانش نیز یک مدل شبیه سازی برای آلومینیوم هیبریدی با شفت کامپوزیت پلیمری تقویت شده با الیاف (FRP) با زوایای مختلف انباشت الیاف و ظرفیت پیچشی را مطالعه کردند. آنها به این نتیجه رسیدند که زاویه انباشت فیبر نقش کلیدی در بهبود مقاومت پیچشی کامپوزیت‌ها دارد. علاوه براین، کیم و همکارانش یک شفت محرک هیبریدی (فلزی با تقویت کامپوزیت) با تغییر توالی انباشت مواد تقویت کننده را توسعه دادند که نه تنها وزن کمتری داشت، بلکه در مقایسه با شفت محرک فلزی معمولی، قدرت پیچشی بیشتری نیز داشت. مقاومت پیچشی و سایر خواص مطلوب کامپوزیت‌ها می‌تواند با تغییر زاویه انباشت فیبر افزایش یابد.
روش‌های ساخت نقش عمده‌ای در تضمین استحکام مواد کامپوزیتی دارند. روش‌های ساخت مختلفی مانند سیم‌پیچ فیلامنت، پالتروژن، روش قالب گیری انتقالی به کمک خلاء و غیره وجود دارد. تسدلان و همکارانش شفت‌ها را با استفاده از دو روش قالب گیری انتقالی به کمک خلاء و VARTM (قالب گیری انتقال رزین به کمک خلاء)، با تغییر توالی‌های مختلف انباشت الیاف ساختند. در این مطالعه گزارش شد که نمونه‌های VARTM رفتار پیچشی بهتری از نمونه‌های ساخته شده با روش قالب گیری انتقال به کمک خلاء دارند. یکی از چالش‌های موجود در آزمایشات شناسایی نگهدارنده خوب برای حفظ نمونه در اعمال بار گشتاور به نمونه است. نگهداری نمونه‌ها برای آزمایش بدون ایجاد ترک یا خراش‌های سطحی به منظور جلوگیری از لغزش و حفظ نمونه‌ها در حالت مناسب بسیار مهم است. کیم و لی و همکارانش پیوندهای چسبنده مختلف را برای انتقال گشتاور به نمونه‌های لوله‌ای مطالعه کرده و همچنین تکنیک‌های مختلف نگهداری مانند اتصالات دوتایی شش‌ضلعی و تک لپی را با هدف نگه داشتن نمونه‌ها توسعه دادند. مشخص شد که اتصال دو لپ گشتاور از قابلیت انتقال بهتری برخوردار است. سوکات و همکارانش از یک گیره مربع شکل برای نگه داشتن شفت‌های استوانه‌ای در حین مطالعه رفتار پیچشی استفاده کردند. در طی مطالعات پیچشی دینامیکی، مشاهده شد که این گیره‌ها به راحتی نمونه‌ها را بدون لغزش نگه داشتند. از این رو، به روش‌های آسانی برای بررسی پیچش لوله‌های کامپوزیت نیاز است.
شناسایی شروع شکست و شکست داخلی در حین انجام آزمایشات فیزیکی مواد کامپوزیت پلیمری به دلیل خواص ناهمسانگردی که دارند، دشوار است. برای غلبه بر این مشکلات، از بسیاری از تست‌های غیرمخرب برای روش‌های کنترل مانند برش نگاری، ترموگرافی، توموگرافی کامپیوتری اشعه ایکس و اولتراسونیک (CT) استفاده شد.
در این مطالعه، از میله کامپوزیت FRP حاوی تقویت کننده‌های مختلف (بازالت و الیاف شیشه) ساخته شده به روش VARTM و با چیدمان متحدالمرکز الیاف در محور برای شناسایی شکست‌های مختلف در حین تست پیچشی استفاده شد. سیگنال های AE مشاهده شده با استفاده از روش‌های حوزه زمانی و فرکانس تجزیه و تحلیل می‌شوند. برای شناسایی شکست‌های مختلف از روش خوشه بندی K استفاده می‌شود. مشاهدات زیر بر اساس تجزیه و تحلیل AE انجام شده است.
میله‌های کامپوزیت GFRP و BFRP با موفقیت با استفاده از روش VARTM ساخته می‌شوند. گیره‌های سطحی خرطومی استوانه‌ای در مقایسه با گیره‌های مربعی، نیروی گیرایی بهتری برای نگه داشتن نمونه در طول آزمایش بدون آسیب سطحی دارند. به دلیل چیدمان متحدالمرکز الیاف، سیم پیچی و باز شدن الیاف در کامپوزیت‌های GFRP و BFRP در امتداد جهت بار پیچشی در انجام می‌شود. باز شدن الیاف در نمونه‌های BFRP بیشتر از نمونه‌های GFRP است. میله‌های کامپوزیت تقویت شده مارپیچی نسبت به میله‌های پالترود شده، مقاومت خوبی در برابر گشتاور دارند و بار پیچشی را به راحتی به لایه بعدی منتقل می‌کنند. اکثر شکست‌های ماتریس در محدوده فرکانس 0 تا 100 کیلوهرتز شناسایی می‌شوند. دباندینگ با شکست تقویت کننده بین 100 تا 240 کیلوهرتز بازه فرکانسی مشاهده می‌شود در حالی که شکست الیاف در کامپوزیت‌های BFRP و GFRP بین 240 تا 500 کیلوهرتز است. نتایج حاصل از تجزیه و تحلیل دامنه زمان و FFT 95 درصد با نتایج به دست آمده از روش خوشه بندی K مطابقت دارد. روش K یک روش مناسب برای شناسایی محدوده سیگنال شکست مناسب در نقاط مختلف خوشه شکست است.
