بررسی مکانیک آسیب تجربی، تحلیلی و عددی کامپوزیت متعامد دارای ترک ماتریس

هرگاه یک ورق کامپوزیتی چندلایه، تحت بارگذاری کششی شبه استاتیک یا بارگذاری خستگی قرار گیرد، چندین نوع آسیب در آن ایجاد می شود؛ از جمله ترک های ماتریس، ترک های ثانویه و لایه لایه شدگی. اولین نوع آسیب، ترک های ماتریس اند که در لایه های دارای زاویه نسبت به جهت بارگذاری بوجود می آیند. این ترک ها اگرچه منجر به گسیختگی نمی شوند، اما خواص مکانیکی معادل ورق کامپوزیت را کاهش می دهند و می توانند باعث واماندگی سازه گردند. در این مقاله، یک مدل تحلیلی غیرخطی جدید، برای پیش بینی کاهش سفتی ورق های کامپوزیت متعامد ارائه و بکار گرفته می شود. بدین منظور، یک تابع چندجمله ای درجه سوم بعنوان انرژی آزاد هلمهولز پیشنهاد و پس از بررسی تحلیلی تابع پیشنهادی، روابط مربوطه استخراج می گردند. سپس برای اعمال روند افزایش تعداد ترک های ماتریس در روابط، یک آزمایش تجربی میکروسکوپی طراحی و در مورد کامپوزیت متعامد شیشه/اپوکسی استفاده می شود. همچنین برای تعیین ثوابت آسیب موجود در روابط استخراج شده، مدل های میکرومکانیکی اجزا محدود به همراه شرایط مرزی تناوب (pbc) بکار می رود. نتایج این مدل با شبیه سازی های عددی میکرومکانیکی سه بعدی، آزمایش های تجربی بارگذاری-باربرداری تک محوره شبه استاتیک و پژوهش های پیشین صحت سنجی می گردند. نتایج نشان می دهند که مدل پیشنهادی نسبت به مدل های خطی و غیرخطی پیشین، پیش بینی های دقیق تری ارائه می کند. همچنین با استفاده از روش میکروسکوپی پیشنهادی، روند افزایش تعداد ترک های ماتریس به راحتی شناسایی می گردد.

experimental, analytical, and numerical investigation of damage mechanics of the cross-ply composite laminate with matrix crack

once a composite laminate is subjected to quasi-static tensile or fatigue loading, some damage modes initiate and propagate in the laminate. the first damage mode is the matrix crack that forms in the layers with an angle to the loading direction. although not leading to breakage, these cracks reduce the equivalent mechanical properties of the composite laminate. in this paper, a new nonlinear analytical model is presented and used to predict the stiffness degradation of the cross-ply composite laminates. for this purpose, a new third-order polynomial function is proposed as the helmholtz free energy of the composite, and the appropriate equations are derived. a microscopic experimental test is designed and accompanied by the analytical model to investigate the damage progression in a glass/epoxy cross-ply laminate. also, finite-element micromechanical models with periodic boundary conditions (pbc) are proposed and used to determine the damage constants. the model is validated against the 3d micromechanical models and the quasi-static uniaxial loading-unloading experimental tests. the validation shows a very good agreement between the model and the experiments.