روش‌های جدید تخمین نیروی تماس ضربه سرعت پایین بر روی ورق‌های چندلایه کامپوزیت-فلز

نوع مقاله : پژوهشی کامل

نویسندگان

1 استادیار، مجتمع دانشگاهی مواد و فناوری های ساخت ، دانشگاه صنعتی مالک اشتر، تهران، ایران.

2 کارشناسی ارشد، مجتمع دانشگاهی مواد و فناوری های ساخت ، دانشگاه صنعتی مالک اشتر، تهران، ایران

3 دانشجوی دکتری، مجتمع دانشگاهی مواد و فناوری های ساخت ، دانشگاه صنعتی مالک اشتر، تهران، ایران

4 جعفر اسکندری جم استاد، مجتمع دانشگاهی مواد و فناوری های ساخت ، دانشگاه صنعتی مالک اشتر، تهران، ایران

چکیده

در این مقاله پاسخ ضربه سرعت پایین بر ورق‌های کامپوزیت-فلز (FML) با استفاده از سه مدل جدید مورد بررسی قرار می‌گیرد. ورق مورد بررسی اورتوتروپیک ویژه می­باشد. شرایط مرزی به صورت تکیه‌گاه ساده و رفتار ماده، الاستیک خطی در نظر گرفته شده است. روابط برمبنای نظریه کلاسیک ورق بوده و روش سری‌های فوریه برای حل روابط تحلیلی استفاده شده است. جرم ضربه‌زننده بزرگ و لذا پاسخ ضربه، شبه‌استاتیک در نظر گرفته شده است. در روش اول، تاریخچه نیروی تماس ابتدا به صورت یک نیم‌سینوس در نظر گرفته شده و سپس بیشینه نیروی تماس و مدت تماس محاسبه می‌شود. در روش دوم، یک مدل جرم و فنر دو درجه آزادی، با محاسبه سفتی تماس مؤثر طی یک چرخه تکرار سریع، بیان می‌شود. در روش سوم که برای نخستین بار در این مقاله ارائه شده است، ورق به صورت جرم و فنرهای سری که تشکیل یک مدل جرم و فنر چند درجه آزادی می‌دهند، در نظر گرفته شده و نیروی اعمالی بر فنر آخر، به ‌عنوان نیروی تماس معرفی شده است. اعتبارسنجی این مدل‌ها با مقایسه نتایج با نتایج تحلیلی و تجربی تحقیقات گذشته، انجام شده و تطابق خوبی مشاهده شده است. نتایج نشان می‌دهد که مدل جدید جرم و فنر چند درجه آزادی، خیز ورق را در محل اعمال ضربه، با دقت بیشتری در مقایسه با مدل جرم و فنر دو درجه آزادی به دست می‌دهد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1]     Aslan Z., Karakuzu R. and Okutan B., The response of laminated composite plates under low-velocity impact loading. Composite Structure, Vol. 59, No. 1, pp. 119-127, 2003.
[2]     Karakuzu R., Erbil E. and Aktas M., Impact characterization of glass/epoxy composite plates: An experimental and numerical study. Composites Part B-Eng, Vol. 41, No. 5, pp. 388-395, 2010.
[3]     Zouggar K., Boukhoulda F. B., Haddag B. and Nouari M., Numerical and experimental investigations of S-Glass/Polyester composite laminate plate under low energy impact. Composites Part B- Eng, Vol. 89, pp. 169-186, 2016.
[4]  ارژنگ‌پی آ.، درویزه ا.، یارمحمد توسکی م. و انصاری ر.، مدل‌سازی تکامل آسیب ورق کامپوزیتی تحت ضربه کم‌سرعت خارج از مرکز. نشریه علوم و فناوری کامپوزیت، د. ، ش. 3، ص. 243-252، 1395.
[5]     Her S. C. and Liang Y. C., The finite element analysis of composite laminates and shell structures subjected to low velocity impact. Composite Structure, Vol. 66, No. 1-4, pp. 277-285, 2004.
[6]     Ansari M. M., Chakrabarti A. and Iqbal M. A., Effects of impactor and other geometric parameters on impact behavior of FRP laminated composite plate. AMSE Journal Series: Modelling A, Vol. 89, No. 1, pp. 25-44, 2016.
[7]     Setoodeh A., Malekzadeh P. and Nikbin K., Low-velocity impact analysis of laminated composite plates using a 3D elasticity based layerwise FEM. Materials & Design, Vol. 30, No. 9, pp. 3795-3801, 2009.
[8]  قاجار ر.، شرعیات م. و حسینی ح.، تحلیل عددی الاستیسیته غیرخطی ضربه کم‌سرعت خارج از مرکز ورق ساندویچی مستطیلی با رویه‌های کامپوزیتی تحت پیش‌بار دوبعدی. مجله مکانیک سازه‌ها و شاره‌ها، د. 5، ش. 1، ص. 87-99، 1394.
[9]     Shivakumar K. N., Elber W. and Lllg W., Prediction of Impact Force and Duration Due to Low-Velocity Impact on Circular Composite Laminates. Applied Mechanics, Vol. 52, pp. 674-680, 1985.
[10] Pierson M. O. and Vaziri R., Analytical Solution for Low-Velocity Impact Response of Composite Plates. AIAA Journal, Vol. 34, No. 8, pp. 1633-1640, 1996.
[11] Olsson R., Mass criterion for wave controlled impact response of composite plates. Composites Part-A, Vol. 31, pp. 879–887, 2000.
[12] Abrate S., Modeling of impacts on composite structures. Composite Structures, Vol. 51, pp. 129–138, 2001.
[13] Christoforou A. P., Elsharkawy A. A. and Guedouar L. H., An Inverse Solution for Low-Velocity Impact in Composite Plates. Computers & Structures, Vol. 79, pp. 2607-2619, 2001.
[14] Choi I. H. and Lim C. H., Low-velocity impact analysis of composite laminates using linearized contact law. Composite structures, Vol. 66, No. 1-4, pp. 125-132, 2004.
[15] Khalili S. M., Mittal R. K. and Mohammad Panah N. Analysis of fiber reinforced composite plates subjected to transverse impact in the presence of initial stresses. Composite Structures, Vol. 77, No. 2, pp. 263-268, 2007.
[16] Payeganeh G. H., Ashenai Ghasemi F. and Malekzadeh K., Dynamic response of fiber–metal laminates (FMLs) subjected to low-velocity impact. Thin-Walled Structures, Vol. 48, No. 1, pp. 62-70, 2010.
[17] Khalili S. M., Malekzadeh K. and Veysi Gorgabad A., Low-velocity transverse impact response of functionally graded plates with temperature dependent properties. Composite Structures, Vol. 96, pp. 64-74, 2013.
[18]          آشنای قاسمی ف.، ملک‌زاده‌فرد ک. و خلیلی م. ع.، پاسخ دینامیکی تیر ساندویچی خمیده دارای هسته انعطاف‌پذیر تحت ضربه شعاعی با سرعت پایین. مجله مکانیک سازه‌ها و شاره‌ها، د. 5، ش. 1، ص. 13-29، 1394.
[19]          شرعیات م.، پاچناری م. ح. و مظفری ع.، تحلیل ضربه کم‌سرعت ورق کامپوزیتی ویسکوالاستیک دارای لایه‌های انعطاف‌پذیر با تئوری لایه‌ای و فرمول‌بندی انرژی جدید. فصل‌نامه مکانیک هوافضا، د. 14، ش. 1، ص. 81-95، 1395.
[20]          پاک‌نژاد ر.، آشنای قاسمی ف. و ملک‌زاده‌فرد ک.، تأثیرات شرایط مرزی دلخواه بر پاسخ ورق چندلایه کامپوزیتی تحت ضربه با جرم بزرگ و سرعت پایین. مجله مکانیک سازه‌ها و شاره‌ها، د. 8، ش. 1، ص. 35-49، 1396.
[21]          قدس­بین جهرمی ع. و حاتمی ح.، مطالعه عددی رفتار لوله­های فلزی مشبک و تأثیر اندازه سطح مقطع و چندلایه کردن لوله­ها تحت بارگذاری ضربه­ای محوری با سرعت کم. نشریه مهندسی مکانیک امیرکبیر، د. 49، ش. 4، ص. 685-696، 1396.
[22]          حاتمی ح. و فتح­اللهی ا. ب.، بررسی و مقایسه نظری و عددی تأثیر اینرسی در رفتار فروریزش جاذب مشبک تک سلولی و دو سلولی تحت بارگذاری ضربه­ای. نشریه مهندسی مکانیک امیرکبیر، د. 50، ش. 5، ص. 999-1014، 1397.
[23]          بشیری آ.، حسینی م. و حاتمی ح. بررسی تحربی و عددی ورق یک و دو لایه آلومینیوم 3105 با اتصالات مکانیکی تحت ضربه سقوط آزاد. نشریه علوم کاربردی و محاسباتی در مکانیک، د. 30، ش. 2، ص. 109-124، 1398.
[24] Khalili S. M. R., Malekzadeh K., Davar A. and Mahajan P., Dynamic Response of Pre-stressed Fibre Metal Laminate (FML) Circular Cylindrical Shells Subjected to Lateral Pressure Pulse Loads. Composite Structures, Vol. 92, No. 6, pp. 1308-1317, 2010.
[25] Vlot A. and Gunnink J. W., Fibre metal laminates – an introduction. Kluwer Academic Publishers, Dordrecht (Boston, London), 2001.
[26]              داور ع.، تحلیل پوسته‌های استوانه‌ای از جنس FML و FGM در معرض بارگذاری ضربه عرضی، رساله دکتری، دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی، 1389.
[27] Gibson F., Principles of Composite Material Mechanics. 2rd edn. CRC Press, Ohio.
[28] Ugural A. C., Stresses in Beams, Plates and Shells. 3rd edn. CRC Press, Texas A&M University, 2010.
[29] Jones R. M., Mechanics of Composite Materials. 2rd edn, Taylor & Francis, Virginia, 1998.
[30] Apetre N. A., Sankar B. V. and Ambur D. R., Low-Velocity Impact Response of Sandwich Beams with Functionally Graded Core. Solid and Structures, Vol. 43, pp. 2479–2496, 2006.
[31] Soedel W., Vibration of shells and plates. 3rd edn, Marcel Dekker INC, New York, 2004.
[32] Swanson S. R., Limits of Quasi-Static Solutions in Impact of Composite Structures. Composites Engineering, Vol. 2, No. 4, pp. 261–267, 1992.
[33] Khalili S. M. R., Soroush M., Davar A. and Rahmani O., Finite element modeling of low-velocity impact on laminated composite plates and cylindrical shells. Composite Structures, Vol. 93, No. 5, pp. 1363-1375, 2011.
[34] Delfosse D., Vaziri R., Pierson M. O. and Poursartip A., Analysis of the Non-Penetrating Impact Behaviour of CFRP Laminates. In 9th International Conference on Composite Materials, Madrid, Spain, 1993.