حمید مرشدی - دانشکده فنی و مهندسی
جلسه دفاع از پایاننامه کارشناسی ارشد در رشته مهندسی مکانیک گرایش طراحی کاربردی
مطالعه تجربی خواص محافظهای لایهای (FML) تحت ضربات سرعت بالا با استفاده از تغییر چیدمان لایهها
استاد راهنما
دکتر غلامحسین مجذوبی
اساتید ممتحن
دکتر علی علوینیا، دکتر امیرحسین محمودی
پژوهشگر
حمید مرشدی
چكيده:
با ترکیب خواص خستگی و شکست مواد مرکب تقویت شده با الیاف و شکلپذیری و پایداری فلزات، بنابر تعریف لمینیتها، افامالها مادهای تولید میکنند که دارای مشخصات هر دو گروه فلزات و مواد مرکب به طور همزمان میباشد. امروزه این مواد به صورت گسترده در صنایع مختلف از جمله هواپیماسازی در هواپیماهای A380 و C-17 استفاده میشوند. افامالها که در واقع ترکیبی از فلز و ماده مرکب پلیمری تقویت شده با الیاف هستند، در ابتدا برای بهبود خواص خستگی مواد توسعه یافتند. اگرچه، سپس، افامالها به دلیل چگالی پایین و استحکام نسبتاً خوب، در حوزه بالستیک نیز مورد توجه قرار گرفتند.
در پژوهش حاضر، رفتار بالستیک افامالهای آلومینیومی و آلومینیوم-تیتانیومی با چیدمانهای مختلف و با استفاده از رزین اپوکسی آرالدیت و سختکننده آرادور 5052، مورد بررسی قرار گرفته است. بالغ بر 300 لایه فلز و ماده مرکب برای ساخت حدود 50 نمونه افامال مختلف مورد استفاده قرار گرفتند.
هدف اساسی در این پژوهش، ارزیابی تاثیر الیاف و مواد مختلف بر روی حد بالستیک افامالها بود. در این مطالعه، الیاف کولار بافتهشده، شیشه نوع S بافتهشده، الیاف تکجهته کربن و الیاف تکجهته شیشه نوع E و فلزات آلومینیوم و تیتانیوم برای ساخت افامالها مورد استفاده قرار گرفتهاند.
بیشترین محافظت ضربه برای افامالهای ساخته شده از آلومینیوم و کولار به دست آمد. افامالهای آلومینیوم-تیتانیومی و الیاف شیشه در مقام بعد از نظر سطح محافظت قرار دارد. مقامهای بعدی سطح محافظت به ترتیب برای افامالهای آلومینیومی الیاف شیشه تکجهته نوع E با چیدمان ضربدری، شیشه S، سایر چیدمانهای شیشه E و کربن به دست آمدند. افامالهای 2/3 (به صورت فلز/ماده مرکب/فلز/ماده مرکب/فلز) حد بالستیک بالاتری نسبت به چیدمان 1/2 (فلز/ماده مرکب/فلز) ارائه دادند، اما انرژی جذب شده نرمالیزه آنها کوچکتر بود.
افزایش ضخامت لایه ماده مرکب از یک سو منجر به افزایش حد بالستیک افامال شد و از طرف دیگر موجب کاهش انرژی نرمالیزه جذب شده توسط افامال در محدوده حد بالستیک گردید.
در صورتی که (در افامالهای 1/2 آلومینیومی) یک لایه آلومینیومی با تیتانیوم جایگزین شود انرژی جذب شده و حد بالستیک افزایش مییابد. قرار دادن تیتانیوم در سمت ضربه باعث کاهش حد بالستیک نسبت به حالتی که لایه تیتانیوم در سمت مقابل ضربه قرار گیرد، میگردد.
تاثیر توع تکیهگاه در این پژوهش مورد بررسی قرار گرفت. نتایج نشان داد که اگر اجازه لقی کوچکی به تکیهگاه نمونه داده شود، حد بالستیک در مقایسه با تکیهگاه بدون لقی افزایش مییابد.
در این پایاننامه آزمایشهای بالستیک با استفاده از نرمافزار اجزای محدود LS-DYNA شبیهسازی شدند. تماس بین لایهها به صورتی در نظر گرفته شد که پدیده لایهلایهشدن در افامالها قابل مشاهده و بررسی باشد. دو مدل ماده و دو معیار خرابی مختلف برای مواد مرکب استفاده شد و از مدل ماده کوپر-سیموندز برای مدلسازی لایههای فلزی استفاده گردید. با توجه به تغییر شکل کوچک پرتابه در آزمایشها، مدل ماده صلب برای شبیهسازی پرتابه مورد استفاده قرار گرفت. پس از اعتبار سنجی شبیهسازیها، تاثیر شکل نوک پرتابه بر روی حد بالستیک افامالها بررسی شد. نتایج نشان دادند که کمینه و بیشینه حد بالستیک، به ترتیب برای پرتابههای مخروطی و سرتخت به دست آمدند.
Abstract:
By combining the fatigue and fracture properties of fiber-reinforced composites with deformability and durability of metals, according to laminates definition, the FMLs produce materials that have characteristics of metals and composites at the same time. Today, these materials are used in various industries such as aircraft manufacturing including A380 and C-17 aircrafts. FMLs that are in fact a combination of metal and polymer composite were initially developed to improve the fatigue characteristics of the materials. However, later and because of their low density and relatively good strength the FML’s attracted the attentions in the ballistics too.
In the current study, the ballistic behavior of aluminium and aluminium-titanium FMLs with different arrangements was investigated using Araldite resin and Aradur hardener of epoxy 5052. Over 300 layers of metals and composites were used to fabricate about 50 FML specimens.
The main objective of this study was to evaluate the effect of various fibers and materials on the ballistic limit of FMLs. In this study, woven kevlar, woven glass type S, unidirectional (UD) carbon fiber, unidirectional glass type E fibers and also aluminum and titanium as metals were used to fabricate the specimens.
The highest impact protection was obtained for the FMLs made of aluminium and kevlar. The aluminium-titanium and UD E-glass FMLs provided the next high levels of protection. The next levels of protection were obtained for UD glass Type E by angle-ply arrangement, S2-glass, other types of E-glass and carbon FML, respectively. 3/2 FMLs (i.e. M/C/M/C/M where M refers to metal sheet and C refers to composite ply) gave higher ballistic limit than 2/1 arrangement but their normalized absorbed energy was lower.
The increase in thickness of the composite layer gave rise to the increase in ballistic limit of the FML on one hand and resulted in the decrease in the normalized absorbed energy within the range of ballistic limit of FML on the other hand.
The ballistic limit and absorbed energy increased by replacing of an aluminium layer with a titanium layer (in 2/1 aluminium FMLs). The ballistic limit is decreased by inserting titanium layer in impacted side, instead of non-impacted side.
The effect of support type was investigated in this work. The results showed that if some clearance is allowed at the supports of the specimens, the ballistic limit would increase with respect to the support with no clearance.
In this thesis, the ballistic tests were simulated using LS-DYNA finite element software. The contact between layers was considered such that delamination become visible and verifiable. For the composites, two different material model and failure criteria were used and the Cowper-Symonds material model was used for the metal layers. Due to small deformation of the projectiles in the experiments, the rigid material model was applied to model them. After validating the simulations, the effect of projectile nose shape on the ballistic limit of the FMLs was investigated. The results showed that the minimum and maximum ballistic limits were obtained for the conical and blunt projectile, respectively.
زمان : 25 خرداد 1394 ساعت 11:30
مکان : آمفی تئاتر دانشکده مهندسی
رزومه
نام: حمید
نام خانوادگی: مرشدی
تاریخ تولد: 24/5/1367
شماره تماس: 09108000226
مدارک تحصیلی:
دانشجوی کارشناسی ارشد مهندسی مکانیک-طراحی کاربردی دانشگاه بوعلی سینا همدان با معدل 62/17 (دروس)، پایاننامه با کاربرد بالستیک کامپوزیتها؛
کارشناسی مهندسی مکانیک-طراحی جامدات دانشگاه بوعلی سینا همدان با رتبه 1971 ناحیه 2 کنکور سراسری سال 1386.
مدارک فنی و حرفهای:
دوره جوشکاری دستی؛ دوره هیدرولیک؛ دوره پنوماتیک؛ دوره نرمافزار آباکوس؛ دوره نرمافزار انسیس.
مهارت نرمافزاری:
طراحی به وسیله نرمافزار Inventor و AutoCAD؛
شبیهسازی ضربه، انفجار، تغییر شکل و ... به وسیله نرمافزار ABAQUS، ANSYS و LS-DYNA؛
توانایی کار با نرمافزارهای Fortran 90، Matlab، Working model و ...