new5 free

بررسي تنش‌هاي سه بعدي بين‌لايه‌اي دراتصالات مکانيکي در مواد مرکب لايه‌اي

59.000تومان

توضیحات

دانلود و مشاهده قسمتی از متن کامل پایان نامه :

دانشکده مهندسي مکانيک

پايان‌نامه کارشناسي ارشد در رشته مهندسي مکانيک (طراحي کاربردي)

بررسي تنش‌هاي سه بعدي بين‌لايه‌اي دراتصالات مکانيکي در مواد مرکب لايه‌اي

توسط
………………………….

استاد راهنما
دکتر محمدحسن کدیور

شهريور ماه 1390


به نام خدا

بررسي تنش‌هاي سه بعدي بين‌لايه‌اي در اتصالات مکانيکي در مواد مرکب لايه‌اي

به کوشش:
……………………..

پايان‌نامه
ارائه شده به تحصيلات تکميلي دانشگاه به عنوان بخشي
از فعاليت‌هاي لازم براي أخذ درجه کارشناسي ارشد

در رشته‌ی:
مهندسي مکانيک (طراحي کاربردي)

از دانشگاه شيراز
شيراز
جمهوري اسلامي ايران

ارزيابي شده توسط کميته پايان‌نامه با درجه‌ي: عالي
دکتر محمدحسن کدیور، استاد مهندسي مکانيک (رئيس کميته)
دکتر محمد رحیم نامی ، استادیار مهندسي مکانيک
دکتر محمد رحیم همتیان، دانشيار مهندسي مکانيک

شهريور ماه 1390

به نام خدا

اظهارنامه

اينجانب ……………… (860620) دانشجوي رشته مهندسي مکانيک گرايش طراحي کاربردي دانشکده مهندسي مکانيک اظهار مي‌کنم که اين پايان‌نامه حاصل پژوهش خودم بوده و در جاهايي که از منابع ديگران استفاده کرده‌ام، نشاني دقيق و مشخصات کامل آن را نوشته‌ام. همچنين اظهار مي‌کنم که تحقيق و موضوع پايان‌نامه‌ام تکراري نيست و تعهد مي‌نمايم که بدون مجوز دانشگاه دستاوردهاي آن را منتشر ننموده و يا در اختيار غير قرار ندهم. کليه حقوق اين اثر مطابق با آيين‌نامه‌ي مالکيت فکري و معنوي متعلق به دانشگاه شيراز است.

نام و نام خانوادگي: …………………
تاريخ و امضاء: 31/6/90

سپاسگزاري

اکنون که اين پايان‌نامه به اتمام رسيده ‌است، خداوند را شاکر هستم که به بنده خود اين امکان را داد تا گامي، هرچند کوچک و ناچيز، در شناخت پديده‌هاي هستي بردارد. همچنين بر خود فرض مي‌دانم که از استاد بزرگوار و ارجمندم جناب آقاي دکتر محمدحسن کدیور که همواره مرا از دستگيري‌ها، راهنماي‌ها و مساعدت‌هاي بي‌دريغ خود بهره‌مند نمودند، کمال تشکر و قدرداني را داشته باشم. اميدوارم که خداوند همواره اين توفيق را نصيب ايشان بفرمايد. از اساتيد ارجمند جناب آقاي دکتر محمدرحيم نامی و جناب آقاي دکتر محمدرحيم همتيان که از هيچ راهنمايي دريغ نفرموده و مشاوره اين پايان‌نامه را تقبل نمودند، نيز کمال تشکر را دارم. همچنين از آقاي دکتر امید بوعلي که قبول زحمت فرموده، و به عنوان نماينده تحصيلات تکميلي در جلسه حضور يافتند، سپاسگزارم.
در پايان، با خضوع تمام، زحمات و دلسوزي‌هاي پدر و مادر عزيزم را سپاس مي‌گويم که دعاي خير و وجود لبريز از محبت و دلگرمي‌ ايشان، مشوّق انجام اين پايان‌نامه بود.

چکيده

بررسي تنش‌هاي سه بعدي بين‌لايه‌اي در اتصالات مکانيکي در مواد مرکب لايه‌اي

به کوشش:
……………………………

هدف از انجام این پایان‌نامه بررسی تنش‌های بین لایه‌ای به صورت سه‌بعدی در اتصالات مکانيکي در مواد مرکب لايه‌اي می‌باشد. برای این کار از روش المان محدود و نرم‌افزار ABAQUS استفاده شده است. میدان تنش در هر لایه از ورق کامپوزیت بد‌ست آمده و فشار تماسی بین پین و ورق و جابجایی شعاعی اطراف سوراخ نیز محاسبه شده است. در ادامه جدایش در ورق مورد بررسی قرار گرفته است. در ابتدا تنش‌های بین لایه‌ای و فشار تماسی بدون در نظر گرفتن اصطکاک در سطح تماس میان پیچ و ورق برای لایه‌گذاری متقارن در سه‌ لایه‌چینی متفاوت بدست آمده است. پس از آن تاثیر اصطکاک میان پیچ و ورق مورد ارزیابی قرار گرقته است. سپس جدایش میان لایه‌ها برای دو لایه‌چینی مورد مطالعه قرار گرفته است و تاثیر اصطکاک میان پیچ و ورق بر روی جدایش مورد ارزیابی قرار گرقته است. نتایج نشان می‌دهد که صرف‌نظر کردن از اصطکاک در سطح تماس تا 50% خطا در مقدار تنش‌ها و 46% در نیروی اعمالی برای ایجاد جدایش به همراه دارد.

فهرست مطالب
صفحه عنوان
فصل 1- مقدمه ‌ع
1-1- مروري بر کارهاي گذشته 2
1-2- هدف از انجام تحقيق، ضرورت و کاربردها 6
1-3- نحوه‌ي انجام کار 7

فصل 2- تئوري مواد مرکب و اتصالات مكانيكي 9
2-1- مقدمه 10
2-2- روابط حاكم بر مواد مرکب 11
2-3- انواع لايه‌ها ولايه‌گذاريها 15
2-4- – محاسبه تنش با توجه به بار وارده بر چندلايه 16
2-5- محاسبه ضريب اصطكاك سه بعدي در سطوح تماس 17
2-6- اتصالات در مواد مركب 24
2-6-1- اتصالات چسبي 24
2-6-2- اتصالات مكانيكي 26

فصل 3- راست‌آزمايي 27
3-1- توصيف مسئله 28
3-2- فرمولبندي مسئله 29
3-2-1- مدل المان محدود سه بعدي 32
3-2-1- نتايج 32

فصل 4- نتايج تنش‌هاي بين لايه‌اي در لايه‌گذاري متفاوت 33
4-1- مقدمه 34
4-2- تعريف مسئله 34
4-3- تحليل مسئله به صورت سه‌بعدي 36
4-3-1- مدل المان محدود سه بعدي 36
4-4- بررسي نتايج ميدان تنش در لايه‌گذاري‌هاي متفاوت 39
4-4-1- ميدان تنش در لايه‌گذاري شبه‌ايزوتروپيك 40
4-4-2- ميدان تنش در لايه‌گذاري عرضي 48
4-4-3- ميدان تنش در لايه‌گذاري زاويه‌اي 57
4-5- بررسي اثر اصطكاك بين پيچ و ورق 63
4-5-1- ميدان تنش در لايه‌گذاري عرضي 63
4-5-2- ميدان تنش در لايه‌گذاري زاويه‌اي 69
فصل 5- جدايش در ورق 74
5-1- مقدمه 76
5-2- تحليل مسئله 76
5-3- نتايج جدايش در لايه‌گذاري عرضي 77
5-4- نتايج جدايش در لايه‌گذاري زاويه‌اي 84
فصل 6- بررسي فشار تماسي و جابجايي شعاعي در اتصالات 84
6-1- مقدمه 87
6-1- بررسي سطح تماس در لايه‌گذاري عرضي و زاويه‌اي 87
6-3- اثر اصطكاك در فشار تماسي و جابجايي شعاعي 90
فصل 7- نتیجه‌گیری 96
مراجع: 103

فهرست شكل‌ها
صفحه عنوان
شکل ‏1 1- اتصال تک لبه مکانيکي 9
شکل ‏2 1- اتصال ورق و پين 18
شکل ‏2 2-شرایط مرزی 20
شکل ‏2 3-نمونه‌هايي از اتصالات چسبي 26
شکل ‏2 4-نمونه‌هايي از اتصالات مكانيكي 27
شکل ‏2 5-اتصال چسبي-مكانيكي 28
شکل ‏3 1-شکل ورق تحت بارگذاری 29
شکل ‏3 2-مدل المان محدود سه‌بعدی 32
شکل ‏3 3-مقایسه‌ی نتایج 33
شکل ‏4 1-هندسه صفحه مركب و اتصال صفحه 35
شکل ‏4 2- مدل المان محدود 38
شکل ‏4 3-تغيير فرم ورق و مختصات در نظر گرقته شده اطراف سوراخ 38
شکل ‏4 4-مدل المان محدود سه‌بعدي 39
شکل ‏4 5-كانتور تنش هاي شعاعي نسبت به صفحه لهيدگي اطراف سوراخ در لايه‌گذاري شبه‌ايزوتروپيك 40
شکل ‏4 6-كانتورهاي تنشهاي شعاعي نسبت صفحه مياني اطراف سوراخ در لايه‌گذاري شبه‌ايزوتروپيك 41
شکل ‏4 7-كانتورهاي تنشهاي شعاعي بين لايه‌اي در لايه‌گذاري شبه‌ايزوتروپيك 42
شکل ‏4 8-كانتورهاي تنشهاي مماسي بين لايه‌اي در لايه‌گذاري شبه‌ايزوتروپيك 44
شکل ‏4 9-مقايسه تنش‌هاي شعاعي بين لايه‌اي در لايه‌گذاري شبه‌ايزوتروپيك 45
شکل ‏4 10-مقايسه تنش‌هاي شعاعي بين لايه‌اي در لايه‌گذاري شبه‌ايزوتروپيك در تمامي لايه‌ها 46
شکل ‏4 11-مقايسه تنش‌هاي مماسي بين لايه‌اي در لايه‌گذاري شبه‌ايزوتروپيك 47
شکل ‏4 12- مقايسه تنش‌هاي مماسي بين لايه‌اي در لايه‌گذاري شبه‌ايزوتروپيك در تمامي لايه‌ها 48
شکل ‏4 13-كانتورهاي تنشهاي شعاعي نسبت به صفحه مياني اطراف سوراخ در لايه‌گذاري عرضي 49
شکل ‏4 14-كانتور تنش هاي شعاعي نسبت به صفحه لهيدگي اطراف سوراخ در لايه‌گذاري عرضي 50
شکل ‏4 15-كانتورهاي تنشهاي شعاعي بين لايه‌اي در لايه‌گذاري عرضي 51
شکل ‏4 16- كانتورهاي تنشهاي مماسي بين لايه‌اي در لايه‌گذاري عرضي 53
شکل ‏4 17- مقايسه تنش‌هاي شعاعي بين لايه‌اي در لايه‌گذاري عرضي در تمامي لايه‌ها 54
شکل ‏4 18- مقايسه تنش‌هاي مماسي بين لايه‌اي در لايه‌گذاري عرضي در تمامي لايه‌ها 55
شکل ‏4 19-مقايسه تنش‌هاي شعاعي بين لايه‌اي در لايه‌گذاري عرضي در هر لايه الف)لايه الف)˚0 ؛ ب) لايه ˚90 ؛ ج ) لايه ˚0 ؛ د ) لايه ˚90 56
شکل ‏4 20-مقايسه تنش‌هاي مماسي بين لايه‌اي در لايه‌گذاري عرضي در هر لايه الف)لايه الف)˚0 ؛ ب) لايه ˚90 ؛ ج ) لايه ˚0 ؛ د ) لايه ˚90 57
شکل ‏4 21-كانتورهاي تنشهاي شعاعي نسبت به صفحه مياني اطراف سوراخ در لايه‌گذاري زاويه‌اي 58
شکل ‏4 22-كانتورهاي تنشهاي شعاعي نسبت به صفحه لهيدگي اطراف سوراخ در لايه‌گذاري زاويه‌اي 58
شکل ‏4 23-كانتورهاي تنشهاي شعاعي بين لايه‌اي در لايه‌گذاري زاويه‌اي 59
شکل ‏4 24-مقايسه تنش‌هاي مماسي بين لايه‌اي در لايه‌گذاري زاويه‌اي 60
شکل ‏4 25-كانتورهاي تنشهاي مماسي بين لايه‌اي در لايه‌گذاري زاويه‌اي 62
شکل ‏4 26-مقايسه تنش‌هاي مماسي بين لايه‌اي در لايه‌گذاري زاويه‌اي 63
شکل ‏4 27-مقايسه تنش‌هاي شعاعي بين لايه‌اي در لايه‌گذاري عرضي 65
شکل ‏4 28-مقايسه تنش‌هاي مماسي بين لايه‌اي در لايه‌گذاري عرضي 66
شکل ‏4 29- مقايسه جابجايي شعاعي در لايه‌گذاري عرضي 69
شکل ‏4 30-مقايسه تنش‌هاي شعاعي بين لايه‌اي در لايه‌گذاري زاويه‌اي 70
شکل ‏4 31-مقايسه تنش‌هاي مماسي بين لايه‌اي در لايه‌گذاري زاويه‌اي 72
شکل ‏4 32-مقايسه جابجايي شعاعي بين لايه‌اي در لايه‌گذاري زاويه‌اي 75
شکل ‏5 1-تنش‌هاي بين لايه‌اي در راستاي ضخامت در لايه‌گذاري در لايه‌گذاري عرضي براي (0 = ) بين لايه اول و دوم 78
شکل ‏5 2-تنش‌هاي بين لايه‌اي در راستاي ضخامت در لايه‌گذاري در لايه‌گذاري عرضي براي(2/0= ) بين لايه اول و دوم 80
شکل ‏5 3-تنش‌هاي بين لايه‌اي در راستاي ضخامت در لايه‌گذاري در لايه‌گذاري عرضي براي (2179/0= ) بين لايه سوم و چهارم 81
شکل ‏5 4-تنش‌هاي بين لايه‌اي در راستاي ضخامت در لايه‌گذاري در لايه‌گذاري عرضي براي (2179/0= و 2/0= ) بين لايه سوم و چهارم 82
شکل ‏5 5- نيروبر حسب جابجايي تا ايجاد ترك بين لايه‌اي درلايه‌گذاري عرضي 83
شکل ‏5 6-تنش‌هاي بين لايه‌اي در راستاي ضخامت در لايه‌گذاري زاويه‌اي براي (0 = ) بين لايه اول و دوم الف (تنش نرمال ؛ ب) تنش برشي(RZ ) ؛ پ ) تنش برشي(Zθ) ؛ ت ) تنش‌هاي بررشي و نرمال 85
شکل ‏5 7-تنش‌هاي بين لايه‌اي در راستاي ضخامت در لايه‌گذاري زاويه‌اي براي (2/0= ) بين لايه اول و دوم 86
شکل ‏5 8-نيرو بر حسب جابجايي تا ايجاد ترك بين لايه‌اي درلايه‌گذاري زاويه‌اي 87
شکل ‏6 1- نمودار فشار تماس درلايه‌گذاري عرضي 88
شکل ‏6 2-نمودار جابجايي شعاعي درلايه‌گذاري عرضي 89
شکل ‏6 3-نمودار فشار تماسي درلايه‌گذاري زاويه‌اي 89
شکل ‏6 4-نمودار جابجايي شعاعي درلايه‌گذاري زاويه‌اي 90
شکل ‏6 5- نمودار فشار تماس لایه اول درلايه‌گذاري عرضي 91
شکل ‏6 6- نمودار فشار تماس لایه دوم درلايه‌گذاري عرضي 91
شکل ‏6 7- نمودار فشار تماس لایه سوم درلايه‌گذاري عرضي 92
شکل ‏6 8- نمودار فشار تماسی لایه چهارم درلايه‌گذاري عرضي 92
شکل ‏6 9- نمودار فشار تماسي لایه اول درلايه‌گذاري زاويه‌اي 93
شکل ‏6 10- نمودار فشار تماسي لایه دوم درلايه‌گذاري زاويه‌اي 94
شکل ‏6 11- نمودار فشار تماسي لایه سوم درلايه‌گذاري زاويه‌اي 94
شکل ‏6 12- نمودار فشار تماسي لایه چهارم درلايه‌گذاري زاويه‌اي 95
شکل ‏6 13- نمودار جابجایی شعاعی لایه اول درلايه‌گذاري عرضي 95
شکل ‏6 14- نمودار جابجایی شعاعی لایه دوم درلايه‌گذاري عرضي 96
شکل ‏6 15- نمودار جابجایی شعاعی لایه سوم درلايه‌گذاري عرضي 96
شکل ‏6 16- نمودار جابجایی شعاعی لایه چهارم درلايه‌گذاري عرضي 97
شکل ‏6 17- نمودارجابجایی شعاعی لایه اول درلايه‌گذاري زاويه‌اي 98
شکل ‏6 18- نمودار جابجایی شعاعی لایه دوم لايه‌گذاري زاويه‌اي 99
شکل ‏6 19- نمودار جابجایی شعاعی لایه سوم لايه‌گذاري زاويه‌اي 99
شکل ‏6 20- نمودار جابجایی شعاعی لایه چهارم لايه‌گذاري زاويه‌اي 100

فهرست جدول‌ها
صفحه عنوان
جدول ‏4 1- ابعاد و اندازهء صفحه و اتصال 35
جدول ‏4 2- هندسه و خواص الاستيك پيچ 36
جدول ‏4 3- ضرائب يك لايه تك جهته 36
جدول ‏4 4- مقادير و محل تنش شعاعي و مماسي ماكزيمم در لايه‌گذاري عرضي با وجود اصطكاك در حالت‌هاي متفاوت 67
جدول ‏4 5- مقادير و محل تنش شعاعي و مماسي ماكزيمم در لايه‌گذاري زاويه‌اي با وجود اصطكاك در حالت‌هاي متفاوت 73

فصل اول

مقدمه

بيشتر ماشينها و دستگاهها از اعضاء متعددي تشكيل شده‌‌اند كه با اتصالات مختلف به يكديگر مرتبط مي‌‌شوند. قابليت ساخت و سرويس آسانتر قطعات از دلايل اصلي ساخت ماشينها يا دستگاهها با بيش از يك عضو مي‌‌باشد. اعضاء اتصال‌‌دهنده، مانند يك پيچ و مهره معمولي مي‌‌توانند در موارد متفاوتي بكار روند و در اكثر اين موارد عضوهاي اتصال‌دهنده وظيفه انتقال بارهاي وارده را دارند. ايدة تكرار استفاده از اعضاء اتصال دهنده وقتي حائز اهميت مي‌‌شود كه بدانيم براي مثال يك اتومبيل بيش از ده ‌‌هزار قطعه، ماشين ابزار بيش از بيست‌‌ هزار قطعه و كارخانه نورد بيش از يك ميليون قطعه دارند.
اتصالات مي‌توانند دائمي يا غير دائمي باشند. انتخاب اين موضوع بستگي به هدف بكارگيري اتصال و مسائل اقتصادي دارد. استفاده از اتصالات دائمي تنها يكبار امكان‌‌پذير است اما اين اتصالات ارزانتر بوده و نيروهاي ديناميكي را راحت‌تر تحمل مي‌‌كنند، بنابراين در جائيكه استحكام موردنظر است مي‌‌توان با اطمينان از اين نوع اتصال استفاده كرد. اتصالات غير‌‌دائمي قابليت استفاده مجدد بيشتري دارند اما براي تحمل بارهاي وارده مختلف چندان مناسب نيستند.
امروزه مواد مرکب در صنعت اهميت خود را نشان داده است و بنابراين مسائل آن نيز بايد با دقت بيشتري بررسي گردد. يکي از مهمترين اين مسائل اتصال قطعات مرکب چند لايه‌هاي به يکديگر مي‌باشد. به طور کلي سه گروه اصلي اتصالات در صفحات مرکب چند لايه وجود دارند: اتصالات چسبي ، اتصالات مكانيكي ، تركيبي از اتصالات چسبي و مكانيكي . اتصالات مكانيكي كاربرد وسيعي در صنعت به خصوص سازه‌هاي هوايي دارد. لذا از ديرباز طراحان توجه خاصي به آن معطوف كرده‌اند. تعيين مقاومت نهايي و نوع گسيختگي اتصال، تحليل تنش در محل قرارگيري پين كه داراي تمركز تنش بالايي است را ضروري مي‌‌نمايد.
نظر به اينكه انجام تحليلهاي ساده و پايه‌اي نمي‌تواند معيار مناسبي جهت تعيين نقاط تمركز تنش، توزيع تنش در اتصالات وتعيين تنش‌هاي بين صفحه‌اي باشد، بسياري از محققان به روشهاي تحليلي پيچيده روي آورده‌اند. گرچه روشهاي پيچيده مذكور پارامترهاي بيشتري همچون مسئله تماس پرچ با ورق در چنين اتصالاتي را مورد بررسي قرار داده و به تأثير كمي و كيفي آنها بر رفتار اتصال مي‌پردازد اما استفاده كاربردي از آنها امكان‌پذير نمي‌باشد. بر همين اساس در سالهاي اخير با گسترش و پيشرفت در صنعت توليد سخت‌افزار و نرم‌افزارهاي رايانه‌اي استفاده از روشهاي عددي به خصوص روش اجزاء محدود و نرم‌افزارهاي خاص آن، روند فزاينده‌اي پيدا نموده است. با استفاده از روش اجزاء محدود مي‌توان هندسه‌هاي پيچيده، بارگذاريهاي متنوع و شرايط مرزي گوناگوني را در اين اتصالات مدلسازي و تحليل نمود.

1-1- مروري بر کارهاي گذشته
مبحث تمركز تنش در يك سوراخ داير‌ه‌اي شكل بر روي ورق كه تحت بار وارده از يك پين قرار گرفته و در شرايط تنش صفحه‌اي و يا كرنش صفحه‌اي قرار دارد يكي از مسائل كلاسيك در تئوري الاستيسيتة خطي مي‌باشد
درسالهاي بين 1940 تا 1950 مطالعات تحليلي نسبتاً خوبي بر روي اتصالات چسبي درفلزات انجام شد و سپس اين تحقيقات براي مواد مرکب در اواخر سال 1960 مورد استفاده قرار گرفت. اما اتصالات مکانيکي مواد مرکب از نظر تحليلي كمتر مورد توجه قرار مي‌گرفت. پس از رشد و توسعه مواد مرکب در صنعت به خصوص صنعت هوايي، طراحي و تحليل اتصالات مكانيكي درمواد مرکب مورد توجه محققان قرار گرفت.
به طور كلي در سه دهه گذشته مقالات زيادي در زمينه اتصالات مكانيكي در مواد مرکب ارائه شده است، بخش عمده‌اي از مقالات، بوسيله نتايج تجربي اثرات دما و رطوبت، ترتيب لايه‌ها‌، خواص هندسي، تلرانس و لقي بين پين و سوراخ را مورد بررسي قرار داده است ]1 و 2.[ روشهاي تحليلي قسمت کوچکتري از تحقيقات در زمينه اتصالات مکانيکي را به خود اختصاص داده است. در اين موارد از مدل هاي دو بعدي استفاده شده و در نهايت با ساده سازي مسئله توزيع تنش در اطراف سوراخ بدست آمده است ]3 و 4[.
در بخش ديگري از مقالات نيز از روشهاي عددي جهت پيش‌بيني ميدان تنش در اتصالات مكانيكي استفاده شده است ]5-8.[ بطور كلي مهمترين مرحله در روشهاي عددي، تحليل تنش و دستيابي به نمودار توزيع تنش اطراف سوراخ مي‌باشد، زيرا پارامترهاي مختلفي از جمله: نحوه مدلسازي اتصال (دوبعدي يا سه بعدي)، نحوه اعمال شرايط مرزي، لقي و اصطكاك بين پين و سوراخ ، متقارن يا نامتقارن بودن اتصال و ترتيب لايه‌ها تاثير بسيار زيادي در توزيع تنش بين لايه ها دارند.
از نظر مدلسازي اجزاء محدود، نوع المانهاي مورد استفاده در هندسه مدل در حالتهاي دو بعدي و سه بعدي، نوع المانهاي تماس مورد استفاده و ويژگيهاي آنها مانند سختي تماسي و ميزان نفوذپذيري المانهاي درگير، و يا اصطكاك بين سطوح تماس را مي‌توان از عوامل مؤثر بر رفتار اتصالات غير دائم پيچ و پين برشمرد. البته قابل ذکر است که اغلب محققان از مدلهاي دوبعدي خطي اجزاء محدود استفاده نموده‌اند.
در مدلهاي دوبعدي براي مدلسازي پين سه روش مورد استفاده محققان قرار گرفته است. روش اول به اين صورت است که جابه‌جايي شعاعي گره‌هاي اطراف سوراخ مقيد مي‌شود و بار به لبه اتصال اعمال مي شود ]9[. در روش ديگر بار به صورت يك تنش شعاعي كسينوسي بر روي لبه سوراخ اعمال مي‌گردد و لبه اتصال مقيد مي‌شود ]10.[ بعضي از محققان نيز براي مدلسازي پين از المانهاي صلب يا خرپا استفاده كرده‌اند كه بار به صورت متمركز به مركز پين اعمال مي‌شود ]11[. لازم به ذكر است اين روشها هميشه جواب دقيقي را نشان نمي‌دهند. بنابراين براي دستيابي به جوابهاي بهتر مي‌بايست بار اعمالي پين را به صورت واقعي‌تري مدل نمود.
علاوه بر تحقيقاتي كه به صورت تجربي بر روي تنش هاي بين لايه اي و اثر اين تنش ها بر لايه لايه شدن صفحات انجام شده است(به عنوان مثال توسظ دنيل در سال 1974 [18] روش هاي تحليلي زيادي براي تعيين ميدان تنش اطراف سوراخ هاي باز ارائه شد.
اما رفتار مكانيكي صفحات مركب كه داراي اتصالات هستند بسيار دشوارتر است.كمنهو و متيو [19] در سال 1997 بررسي جامعي برروي آسيب‌هاي وارده بر صفحات در نزديكي سوراخ‌ها انجام دادند. در ضمن در اين ميان مدل هاي ساده شده زيادي براي مطالعه عددي ميدان تنش و شكست در اتصالات مكانيكي در صفحات مركب ارائه شد.به عنوان نمونه دانو [6] يک مدل دو بعدي را براي پيش بيني پاسخ اتصالات ميان صفحات مرکب تحت بارگذاري بررسي کرد که در اين مدل اتصالات صلب در نظر گرفته شده بود. در همين زمينه تحليل هاي سه بعدي نيز توسط چن در سال 1995 [13]، ايرمن در سال 1998 [20] انجام شد. ايرمن در بررسي خود اتصالات را الاستيك فرض كرده بود واز اثر اصطكاك در ميان صفحات مركب صرفنظر كرده بود.
يانگ و يان در سال 2003 [5] روش دقيق عددى براي بررسي رفتار مكانيكي صفحات مركب با اتصالات الاستيسيته را تعيين كردند. آنها اتصالات را ايزوتروپيك فرض كردند و در سطح تماس اتصال و صفحات اصطكاك را لحاظ كردند. صفحات در تحليل آنها متقارن مي باشد.
هاير همکارانش در سال 1987 [12] با روش عددي اثرات الاستيسيته پين، لقي و اصطکاک را بر توزيع تنش شعاعي و محيطي اطراف سوراخ در اتصالات مکانيکي صفحات اورتوتروپيک بررسي کردند. مدل استفاده شده به صورت دو بعدي بوده و از دو لايه گذاري متقارن جهت بررسي پارامترهاي فوق استفاده شده است.
چن به همراه همكارانش در سال 1995 [13] تحليل تنش تماس سه بعدي يك اتصال مكانيكي مواد مرکب لايه‌اي متقارن را با روش عددي انجام دادند. آنها با استفاده از تماس محلي بين پين با سوراخ و در نظر گرفتن اصطكاك و لقي بصورت سه بعدي نتايج خود رابه دست آوردند.
در سال 1999 زيائو [14] و همكارانش ضريب اصطكاك موثر براي يك ماده مرکب لايه‌اي را در تحليل ورق با اتصال پين مورد مطالعه قرار دادند. آنها نشان دادند كه ضريب اصطكاك در جهات مختلف در يک لايه مقادير متفاوتي را داراست، سپس براي مدل سازي ، توزيع غيريكنواخت ضريب اصطكاك بصورت تابعي از زاويه را بكار بردند.
آير در سال 2000 ]15[ با ساختن يک مدل المان محدود توزيع تنش شعاعي و محيطي را در اتصالات پيني بدست آورده و اثرات اصطکاک، هندسه و بار دو محوري را بررسي کرد. البته تحقيق او محدود به صفحات ايزوتروپيک بوده با اين تفاوت که اثر جنس پين بر توزيع تنش شعاعي و محيطي مورد بررسي قرار گرفته است.
کديور و شاهي در سال 2002 ]16[ سطح تماس پين وسوراخ را بوسيله يک مدل سه بعدي المان محدود و به کمک نرم افزار ANSYS در امتداد ضخامت چندلايه محاسبه کرده‌اند، آنها پين را صلب فرض نموده‌اند و با اعمال شرايط مرزي مناسب، اثرات پين بر روي سوراخ را مدل کرده و تاثير شکل هندسي بر ناحيه تماس و توزيع تنش را بررسي نموده‌اند.
شياه و چن در سال2006 تنش هاي بين لايه اي را بين صفحات نازك كامپوزيت تحت بارهاي گرمايي تحليل كردند. آنها از روش المان مرزي استفاده كردند و صفحات را بسيار نازك فرض كردند. در ضمن صفحات به صورت شبه ايزوتروبيك مورد مطالعه قرار گرفتند. و در پايان براي بررسي صحت تحليل هاي خود نتايج را با يك نمونه عددي شرح دادند.
مک کارتي و همکارانش در سال 2006 [17] با استفاده از روش المان محدود و نرم افزار MARC اثر لقي را بر توزيع تنش در اتصال مرکب چند پين مورد بررسي قرار داده اند.
كديور و ياوري در سال 2007 [21] به كمك نرم‌افزارABAQUS اثر سطح تماس بين بين و ورق را در اتصالات تك لبه مكانيكي در مواد مركب بررسي كرده‌اند. در اين تحقيق رفتار سه بعدي اتصالات در نظر كرفته شده است. آنها اثر اصطكاك را نيز لحاظ كرده‌اند.
ويمر در سال 2008 [22] به صورت عددي جدايي در صفحات مركب را شبيه سازي كرد. وي در اين بررسي تركيبي از نيروهاي بحراني و شكست را در نظر كرفت.
در سال 2009 الن‌فاي [23] صفحات مركب را با جدايي داخلي در صفحات به كمك روش المان محدود مدل كرد. اين مدل نيز سه بعدي بود و در ان فركانس هاي طبيعي و جابه جايي ها در حالت هاي مختلف اندازه‌گيري شد.

1-2- هدف از انجام تحقيق، ضرورت و کاربردها
وجود تنش‌هاي بين لايه‌اي در صفحات مرکب باعث جدايي در لبه‌‌هاي آزاد مي‌شود. همچنين جدايي بين لايه‌ها ممکن است در لبه‌ها اطراف سوراخ‌ها يا در انتهاي قطعات لوله‌اي اتفاق افتد. در تمامي حالات جدايي صفحات و لايه لايه شدن آنها سبب شکست زود هنگام در قطعه مي‌شود که اين مورد بايددر طراحي قطعه مد نظر قرار بگيرد. تنش‌هاي بين لايه‌اي به ميزان بسيار زيادي به نحوهء چيدن لايه‌ها و لايه‌گذاري بستگي دارد. بطوريکه با تغير در نحوه لايه‌گذاري ممکن است تنش عمود بر صفحات از تنش کششي به تنش فشاري تبديل شود. اين در حاليست که در تئوري کلاسيک تنش‌ها تحت تاثير نحوه لايه‌گذاري نبودند.
همانطور مي‌دانيم چگونگي توزيع تنش بين صفحات در اتصالات پيني تاکنون مورد مطالعات بسياري واقع گرديده است. در اکثر مطالعاتي که روي اتصالات انجام شده است، بعلت پيچيدگي از مدلهاي دو بعدي استفاده نموده‌اند و از پارمترهايي نظير: اثر اصطکاک بين پين و صفحات، هندسه و ترتيب لايه‌ها و نامتقارن بودن صفحه‌ها صرفنظر گرديده است. همچنين در اکثر مطالعات صفحات مرکب متقارن فرض گرديده است. تقارن صفحات باعث سادگي کار همچنين از نظر محاسبات عددي باعث سادگي مدل و در نتيجه سرعت محاسبات مي‌گردد.در ضمن در اکثر موارد اثر بار گذاري هاي مختلف نيز بررسي نشده است و تنش ها تنها در صفحات محاسبه شده‌اند.
اينگونه اتصالات، استفاده از مدلهاي سابق را عملا” غير ممکن مي‌سازد و لذا جهت بررسي آنها بايد کل قطعه مدلسازي مورد مطالعه قرار گيرد. يک صفحه مرکب لايه‌اي غير متقارن اگر تحت نيروي صفحه‌اي قرار گيرد در سه جهتz , y ,x تغيير طول خواهد داشت و علاوه بر آن در سه جهت اصلي نيز ممکن است تحت پيچش و خميدگي واقع گردد. اين رفتار در دو صفحه مرکب متصل به هم اگر حداقل يکي از آنها غير متقارن باشد، در محل اتصال باعث رفتاري دوگانه مي‌گردد.
هدف از انجام اين تحقيق بررسي تنش هاي بين لايه اي صفحات مرکب در اتصالات مکانيکي وتاثير لايه گذاري هاي متفاوت بر تنش هاي ايجاد شده بين صفحات، چگونگي توزيع تنش مي باشد. همچنين اثر پارامترهاي اصطکاک، هندسه، محل سوراخ و جنس صفحات بر تنش هاي بين لايه اي در صفحات مرکب بررسي خواهد شد.

1-3- نحوه‌ي انجام کار
با توجه به اهميت اتصالات کامپوزيتي در سازه‌ها به خصوص سازه‌هاي هوايي، تحليل اتصالات مکانيکي براي طراحي مناسب تر و بهينه بسيار مهم مي‌باشد. در عمل به دليل پيچيدگي‌هاي خاص ،شرايط مرزي غيرخطي و تعداد پارامترهاي موثر، حل اينگونه مسائل به صورت تحليلي امري مشکل و غير ممکن به نظر مي‌رسد. به همين دليل استفاده از نرم‌افزارهاي قوي و روشهاي عددي در مدلسازي در کنار کار آزمايشگاهي بسيار سودمند مي‌باشد. به همين جهت در اين رساله نيز از هر دو روش استفاده خواهد شد.
براي حل مسئله، اتصالات مرکب به صورت سه بعدي با در نظر گرفتن تنش هاي بين لايه اي در صفحات مركب به همراه اصطکاک در نرم‌افزار المان محدود ABAQUS 6.9.1 مدل سازي خواهد شد. و صفحات مرکب را به صورت جامد در نظر مي گيريم.
براي اطمينان از صحت روش حل، ابتدا از يک مدل ارائه شده در منابع موجود استفاده مي‌شود و نتايج حاصل مقايسه مي‌گردد. در اين کار از نتايج توزيع تنش جونز ]1[ براي قياس نتايج حاصل از در نظر گرفتن تنش ها بين لايه ها در مدل‌سازي اتصال استفاده مي‌شود.
پس از اين مرحله و اطمينان از صحت نتايج حاصل از نرم افزار، اثر پارامترهاي مختلف بر تنش هاي بين لايه اي و توزيع تنش بررسي مي شود. حل مسئله براي حالت هاي متقارن به متقارن، نامتقارن به متقارن و نامتقارن به نامتقارن انجام خواهد شد. براي هر حالت اثر لايه گذاري هاي شبه ايزوتروپيک ، عرضي و زاويه‌اي روي تنش هاي بين صفحه اي، توزيع تنش، مقدار و موقعيت بيشينه تنش مورد بررسي قرار خواهد گرفت.

در مرحله بعد اثر اصطکاک و هندسه بر تنش هاي بين لايه ها در صفحات و توزيع تنش ديده مي شود. ابتدا ضرائب مختلف اصطکاک در بين لايه ها را در نظر مي گيريم و در هر مورد توزيع تنش و همچنين لايه لايه شدن صفحات را موردارزيابي قرار ميدهيم. در نهايت به تاثير هندسه اتصال روي تنش هاي بين لايهاي پرداخته مي شود. به اين صورت که با تغييرات هندسه (شکل ‏0 1) و محاسبه توزيع تنش در راستاي ضخامت اثرات آنها ارزيابي مي شود.

شکل ‏0 1- اتصال تک لبه مکانيکي
با در نظر گرفتن ابعاد مختلف براي اتصال و انجام سه آزمايش براي هر کدام جهت کاهش خطا، تأثير هندسه ارزيابي خواهد شد.

فصل دوم
فصل 2- تئوري مواد مرکب و اتصالات مكانيكي

فصل دوم
تئوري مواد مرکب و اتصالات مكانيكي

2-1- مقدمه
مواد مركب مورد استفاده در صنايع مهندسي به تركيبي از مواد كه بصورت متالوژيكي تركيب شده‌اند اطلاق مي‌شود.هر يك از اجزا در مواد مركب خواص وساختمان مخصوص خود را دارند ودر عين حال مواد مركب داراي ويژگي‌هاي خاصي مثل سفتي,سختي‌,چگالي پايين, مقاومت گرمايي, مقاومت خوردگي وهدايت مي‌باشند.كاربرد مواد كامپوزيت به زمانهاي بسيار دور باز مي‌گردد.ايرانيان باستان براي مقاوم كردن گل از كاه استفاده مي‌كردندومصريان تخته‌هاي چند لايه را مورد استفاده قرار مي‌دادند.آنها مي‌دانستند كه اينگونه تخته‌ها در مقابل پيچش در اثر رطوبت مقاومت بيشتري دارند.استفاده از مواد مركب در صنعت از اوايل دهه‌ء پنجاه ميلادي به طور وسيع رايج شد.استفاده از مواد مركب در صنايع هواپيمايي,‌زير درياييها وخودروسازي افزايش يافته استفاده از اين موادنسبت مقاومت به وزن ونيز نسبت سختي به وزن بالايي دارند. به خصوص در ساخت بدنه هواپيما كه در آن وزن و استحكام از حساسيت بالايي برخوردار است.بررسي‌هاي عامي نشان مي‌دهد كه خواص موادمركب اغلب به عوامل زير بستگي دارد:
1)خصوصيات موادي ومكانيكي هريك از اجزا
2)درصد وزني اجزا تشكيل‌دهنده
3)اندازه‌,شكل وتوزيع اجزاي ناپيوسته
4)ميزان و قدرت پيوند اجزا
5)جهت‌گيري اجزا مختلف
اجزا مورد استفاده مي‌تواند از جنس مواد آلي‌,فلزات ويا سراميك‌ها باشد.بنابراين آزادي انتخاب به گونه‌اي است كه مي‌توان مواد كامپوزيت را با طيفي از خواص و مشخصات گوناگون توليد كرد.روشهاي متفاوتي براي دسته بندي مواد مركب مطرح شده استك
1)بر اساس جنس مواد تقويت شونده(ماتريس‌ها)
2)بر اساس جنس مواد تقويت كننده(الياف)
3)بر اساس هندسه مواد:اليافي,لايه‌اي,ذره‌اي‌وغيره
مواد مركب چند لايه‌اي در سازه‌هاي مختلفي كاربرد پيدا كرده‌اند.با توجه به شرايط عملكرد سازه براي دستيابي به سختي‌هاي مناسب در جهات مورد نظر,لايه‌گذاري‌هاي مختلفي استفاده مي‌شود.اينگونه مواد اغاب بر اساس تئوري كلاسيك لايه‌اي يا تئوري كلاسيك چندلايه‌ها آناليز مي‌شوند.

2-2- روابط حاكم بر مواد مرکب
ارتباط تنش- کرنش بر اساس قانون هوک و در حالت کلي به شکل زير بيان مي‌شود:
(‏2 1)


مراجع:
1- Kelly G, Hallström S. “Bearing strength of carbon fibre/epoxy laminates: effects of bolt-hole clearance”. Composites Part B: engineering, 35:331-43. 2004.
2- Hyer MW, Liu D. “Stresses in a quasi-isotropic pin-loaded connecter using photoelasticity”. Exp Mech, 23(3): 249-56. 1984.
3- McCarthy MA, McCarthy CT, Lawlor VP, Stanley WF. “Three-dimensional finite element analysis of single-bolt, single-lap composite bolted joints: part I – model development and validation”. Composite Structures, 71:140-58. 2005.
4- McCarthy CT, McCarthy MA. “Three-dimensional finite element analysis of single-bolt, single-lap composite bolted joints: part II – effects of bolt-hole clearance”. Composite Structures, 71:159-75. 2005.
5- Yang B, Pan E, Yuan FG. “Three-dimensional stress analysis in composite laminates with an elastically pinned hole”. International Journal of Solids and Structures, 40:2017-35. 2003.
6- Dano ML, Gendron G, Picard A. “ Stress and failure analysis of mechanically fastened joints in composite laminates”. Composite Structures, 50:287-96. 2000.
7- Karakuzu R, Gülem T, İċten BM. “Failure analysis of woven laminated glass-vinylester composites with pin-loaded hole”. Composite Structures, 72: 27-32. 2006.
8- Aktas A, Dirikolu MH. “An experimental and numerical investigation of strength characteristics of carbon-epoxy pinned-joint plates”. Composites Science and Technology, 64: 1605-11. 2004.
9- Lessard L, Shokrieh M. “Two-dimensional modeling of composite pinned-joint failure”. Journal of Composite Materials, 29(5). 1995.
10- Chang FK. “The effect of pin load distribution on the strength of pin loaded holes in laminated composites”. Journal of Composite Materials, 20. 1986.
11- Hamada H, Maekawa Z. “Strength prediction of mechanically fastened quasi-isotropic carbon/epoxy joints”. Journal of Composite Materials, 30(14). 1996.
12- Hyer MW, Klang EC, Cooper DE. “The effect of pin elasticity, clearance and friction on the streses in a pin-loaded orthotropic plate”. Journal of Composite Materials, 21:190-206. 1987.
13- Chen WH, Lee SS, Yeh JT. “Three-dimensional contact stress analysis of a composite laminate with bolted joint”. Composite Structures, 30: 287-297. 1995.
14- Xiao Y, Wang W, Takao Y. “The Effective friction coefficient of a laminate composite and analysis of pin-loaded plates”. Journal of Composite Materials, 34(1). 2000.
15- Iyer K. “Solutions for contact in pinned connections”. International Journal of Solids and Structures, 38: 9133-48. 2001.
16- Kadivar MH, Shahi H. “A 3D contact area in pinned composite joints”. MS thesis, Shiraz University, 2002.
17- McCarthy MA, McCarthy CT, Padhi GS. “A simple method for determining the effects of bolt-hole clearance on load distribution in single-column multi-bolt composite joints”. Composite Structures, 73: 78-87. 2006.
18- Daniel, I., R. Rowlands, and J. Whiteside, 1974, “Effects of Material and Stacking Sequence on Behavior of Composite Plates with Holes” Experimental Mechanics, Vol. 14, No. 1, 1-9
19- Camanho PP and Matthews FL “Stress analysis and strength prediction of mechanically fastened joints in FRP: a review, Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 1997, 28(6), 529-547.
20- Ireman, T. Three-dimensional stress analysis of bolted single-lap joints. Composite Struct., 43: 195-216 (1998).
21- Yavari V. and Kadivar MH “The effect of contact area interaction on 3-D behavior of mechanically fastened joint in laminated composite materials” MSc. Thesis 2007.
22- Wimmer G., Pettermann H.E.: A Semi-Analytical Model for the Simulation of Delamination in Laminated Composites; Compos.Sci.Technol. 68, 2332-2339, 2008
23- Alnefaie K. “Finite element modeling of composite plates with internal delamination” Composite Structures 90, 21–27 (2009).
24- Hashin, Z., 1980, “Failure Criteria for Unidirectional Fiber Composites,” J. Appl . Mech. 47, 329-334.

ABSTRACT

Investigation of interlaminar 3-D stresses in mechanically fastened joints in laminated composite materials

by

Maziyar Vesal Shirazi

The aim of this thesis is studying the three dimensional interlaminar stresses in mechanically fastened joints in laminated composite materials. To perform this, the finite element method and the software ABAQUS have been used. The stress field has been computed in each ply of composite plate and the contact pressure between bolt and plate and radial displacement around the hole have been evaluated. In addition delamination has been investigated in plate. first interlaminar stresses and contact pressure have been computed without friction on the contact area between bolt and plate for symmetric stacking sequence for three different lay-ups. Then the effect of friction between bolt and plate has been evaluated. In this thesis we modified friction coefficients for three-dimensional contact stress analysis. Next delamination between the laminates has been studied for two lay-ups and the effect of friction between bolt and plate on delamination has been evaluated. Results have shown that ignorance of friction on contact area may lead 50% error in stresses and 46% error in distributed load on delamination.


IN THE NAME OF GOD

INVESTIGATION OF INTERLAMINAR 3-D STRESSES IN MECHANICALLY FASTENED JOINTS IN LAMINATED COMPOSITE MATERIALS

BY
MAZIYAR VESAL SHIRAZI

THESIS
SUBMITTED TO THE SCHOOL OF GRADUATE STUDIES IN PARTIAL FULFILMENT OF THE REQUIREMENTS FOR THE DEGREE OF MASTER OF SCIENCE (M.SC.)

IN
MECHANICAL ENGINEERING
(APPLIED DESIGN)

SHIRAZ UNIVERSITY
SHIRAZ
IRAN

EVALUATED AND APPROVED BY THE THESIS COMMITTEE AS:
EXCELLENT

M.H. KADIVAR, Ph.D., PROF. OF MECHANICAL ENGINEERING (CHAIRMAN)
M.R. NAMI, Ph.D., ASSISTANT PROF. OF MECHANICAL ENGINEERING
M.R. HEMATIAN, Ph.D., ASSOCIATE PROF. OF MECHANICAL ENGINEERING

SEPTEMBER 2011

Shiraz University
Faculty of Mechanical Engineering

M.Sc. Thesis in Mechanical Engineering (Applied design)

Investigation of interlaminar 3-D stresses in mechanically fastened joints in laminated composite materials

By
Maziyar Vesal Shirazi

Supervised by
M.H. Kadivar , Ph.D

September 2011

دیدگاهها

هیچ دیدگاهی برای این محصول نوشته نشده است.

اولین نفری باشید که دیدگاهی را ارسال می کنید برای “بررسي تنش‌هاي سه بعدي بين‌لايه‌اي دراتصالات مکانيکي در مواد مرکب لايه‌اي”

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

− 2 = 1