محمد کشفی - دانشکده فنی و مهندسی
دانشکدة فنی و مهندسی
گروه آموزشي مکانیک
پایان نامه برای دریافت درجه دکتری در رشته مهندسی مکانیک گرایش طراحی کاربردی
عنوان:
بررسی خواص مکانیکی و خرابی در ورقهای فلزی الیافی با استفاده از شبیهسازی و آزمایش
استاد راهنما:
دکتر غلامحسین مجذوبی
استاد مشاور:
دکتر احسان خادمی
نگارش:
محمد کشفی
26 دی 1396
Bu-Ali Sina University
Faculty of Engineering
Department of Mechanical Engineering
Thesis submitted for PhD of Mechanical Engineering
Mechanical characterization and damage analysis of FMLs by simulation and experiment
Supervisor:
Gholam Hossein Majzoobi (Ph. D)
Advisor:
Ehsan Khadmi (Ph.D)
By:
Mohammad Kashfi
January 2018
ورقهای فلزی الیافی (FML) مواد ترکیبی جدیدی هستند که به دلیل خواص مکانیکی بهتر در مقایسه با فلزات و مواد مرکب زمینه اپوکسی بهصورت گسترده در صنایع هوایی مورداستفاده قرار میگیرند. در این رساله، رفتار مکانیکی و همچنین، پیشروی خرابی در این مواد بهصورت تجربی و شبیهسازی عددی بر پایه روش اجزاء محدود، بررسی شده است. FML استفاده شده در این پژوهش که تحت عنوان گلار نیز شناخته میشود، از آلومینیوم 2024 و الیاف شیشه بافته شده در بستر اپوکسی، ساخته شده است. آزمایش کشش بر روی لایه ماده مرکب شیشه-اپوکسی نشان داد که رفتار آن بهصورت الاستیک غیرخطی است. با انجام آزمایش بارگذاری و باربرداری بر روی نمونه، مشخص شد که دلیل رفتار غیرخطی، پیشروی خرابی در ماده طی آزمایش کشش است. بر این اساس مدل خرابی غیرخطی سادهای برای بهبود نتایج مدل ماده مورد استفاده، ارائه شد. شبیهسازیهای عددی با استفاده از پیادهسازی مدل مذکور در زیر برنامه نرمافزار اجزاء محدود مارک انجام پذیرفت. نتایج نشان داد که مدل ارائه شده میتواند با دقت خوبی رفتار ماده را در مقایسه با آزمایشها پیشبینی کند. در مرحله بعد، یک مدل ماده یکپارچه جهت پیشبینی رفتار الاستیک و پلاستیک FML ارائه شده است. تمامی ثوابت مدل را میتوان بر اساس هندسه و خواص مکانیکی زیر لایهها محاسبه نمود. مدل مذکور به میزان قابلملاحظهای میتواند زمان حل محاسبات را به دلیل حذف قید تماسی در بین لایهها، کاهش دهد. صحت این مدل برای FML درجه 1 و 2 در دو درصد مختلف نسبت فلز به کل ماده، مورد بررسی قرار گرفت. علاوه بر این تعدادی آزمایش بر روی آلومینیوم 2024 شیاردار جهت بررسی شکست نرم آن بر اساس مکانیک خرابی محیط پیوسته تحت ضرایب تنش سهبعدی مختلف نیز انجام شد. ضرایب مدل خرابی بنورا در این بررسی محاسبه شد و نتایج عددی و تجربی با هم مقایسه شدند. نتایج آزمایشگاهی نشان داد که مدل مذکور میتواند بهخوبی پیشروی خرابی در آلومینیوم 2024 را برای ضرایب مختلف سهبعدی تنش، پیشبینی نماید. در بخش پایانی رساله حاضر، یک مدل خرابی یکپارچه نیز جهت بررسی خرابی در FMLها با در نظرگیری اثر ضریب سهبعدی شدن تنش، ارائه گردید. این مدل باعث میشود تا بتوان بهجای مدل اجزا محدود لایهلایه در تحلیل FMLها، از یک مدل یکپارچه استفاده نمود. جهت صحهگذاری بر نتایج مدل، آزمایش کاهش سفتی ماده بر روی نمونههای بدون شیار و شیاردار انجام پذیرفت. تطابق مناسبی بین نتایج شبیهسازی و آزمایشگاهی در هر دو مورد مشاهده شد. علاوه بر این، نتایج نشان داد که مدل ارائه شده نهتنها توانسته است رفتار غیرخطی FML را پیشبینی نماید، بلکه کرنش متناظر با شکست لایه ماده مرکب را نیز با دقت خوبی میتواند تخمین بزند.
Fiber metal laminates (FMLs) are new hybrid materials, which are widely used in aircraft industry due to their higher mechanical properties compared to monolithic metal and epoxy based composites. In this work, mechanical behavior of the FML and its damage evolution are investigated by experiment and simulation. The FML used in this study is made by aluminum 2024 and glass-fiber reinforced epoxy (GFRE) known as GLARE. The tensile test on GFRE layer showed nonlinear elastic behavior, and the stiffness degradation test demonstrated this behavior is due to damage evolution and material degradation. Therefore, a simple nonlinear damage is presented to improve the results of the proposed material model. Numerical simulations are performed by implementing the material model into the user subroutine of MSC MARC FE code. The results of the proposed model showed a reasonable agreement with the experiments. Furthermore, a new constitutive bulk material model is introduced to predict elastic-plastic behavior of FMLs. The constants of the bulk model can be obtained from the geometry and mechanical properties of the sub layers. This bulk model can significantly reduce the computational efforts and CPU time by ignoring the contact between the FML layers. The proposed model was validated by performing tensile tests on FML grades I and II and also on low and high metal volume fraction (MVF). Moreover, a series of experiments for different stress triaxialities using notched specimens are conducted to study the ductile damage of aluminum 2024 considering continuum damage mechanics (CDM). This investigation is presented to obtain the Bonora damage model for aluminum 2024. FE simulations are performed using the Bonora damage model and are compared with the experimental data. Results show that the damage model can predict the damage evolution for different stress triaxialities. In the last section of this work, a new bulk damage model is proposed to predict the induced damage of FML considering stress triaxiality effect. In this model, the multi-layer FE model is substituted by a bulk model. The stiffness degradation test was carried out to validate the proposed model for plain and notched FML specimens. A reasonable agreement was obtained between the FE and the experimental results for both of them. Additionally, the results indicated that the proposed model not only predicts the strong nonlinear behavior of plain and notched specimens, but can estimate their failure strain with sufficient accuracy, too.
كارنامه سوابق آموزشي و پژوهشي
1- اطلاعات شخصي
نام |
محمد |
نام خانوادگي |
کشفی |
تلفن همراه |
۰۹۱۲۸۴۵۸۶۱۶ |
آدرس پست الكترونيكي m.kashfi@basu.ac.ir , mkashfi12@gmail.com: |
2- سوابق تحصيلي
دوره دکتری |
|||
دانشگاه |
بوعلی سینا همدان |
استاد راهنما |
دكتر غلامحسين مجذوبي |
رشته |
مهندسي مكانيك |
معدل |
۲۵/۱۸ |
گرايش |
طراحي كاربردي |
آزمون جامع |
گذرانده شده در آبانماه 1392 |
دوره زمانی |
139۱~ تاکنون |
زمینه پژوهشی |
مواد کامپوزیتی، شبیه سازی عددی، مکانیک خرابی |
ü رتبه نخست در بین دانشجویان دکتری مهندسی مکانیک گرایش طراحی کاربردی ü فرصت تحقیقاتی در دانشگاه کاسینو، کشور ایتالیا به مدت 10 ماه ü عنوان پایان نامه: بررسی خواص مکانیکی و خرابی در ورقهای فلزی الیافی با استفاده از شبیهسازی و آزمایش |
|||
دوره کارشناسی ارشد |
|||
دانشگاه |
بوعلی سینا همدان |
استاد راهنما |
دكتر غلامحسين مجذوبي |
رشته |
مهندسي مكانيك |
معدل |
43/۱۸ |
گرايش |
طراحي كاربردي |
سهمیه قبولی |
استعدادهاي درخشان |
دوره زمانی |
1389~ 1391 |
زمینه پژوهشی |
رفتار مکانیکی مواد در نرخکرنش بالا، شبیه سازی عددی، تفنگ گازی |
ü رتبه نخست در بین دانشجویان کارشناسی ارشد مهندسی مکانیک تمامی گرایش ها ü عنوان پایان نامه: طراحی و شبیه سازی تفنگ گازی برای متراکم سازی پودر (نمره 20) |
|||
دوره کارشناسی |
|||
دانشگاه |
بوعلی سینا همدان |
استاد راهنما |
دكتر مهدی کریمی |
رشته |
مهندسي مكانيك |
معدل |
۶۱/۱۶ |
گرايش |
طراحي كاربردي |
سهمیه قبولی |
آزمون سراسری |
دوره زمانی |
13۸۵~ ۱۳۸۹ |
زمینه پژوهشی |
تحلیل ارتعاشات و پایش وضعیت تجهیزات دوار |
ü رتبه نخست در بین دانشجویان کارشناسی مهندسی مکانیک تمامی گرایش ها ü عنوان پایان نامه: بررسی آزمایشگاهی و نرمافزاری عیب ناهم محوری در ارتعاشات سیستم انتقال قدرت تسمه و پولی (نمره 20) |
3- برخی مقالههای علمی
1- F. Vesali, M.A. Rezvani, M. Kashfi; Dynamics of universal joints, its failures and some propositions for practically improving its performance and life expectancy; Journal of Mechanical Science and Technology,2012.
2- E. Ahmadi, H. Barikloo, and M. Kashfi, Viscoelastic finite element analysis of the dynamic behavior of apple under impact loading with regard to its different layers, Computers and Electronics in Agriculture 121, 2016.
3- M. Kashfi, A. Ghazi and A. Ghavamian, Numerical study on fracture patterns and crack growth on concrete under impact loading, 11th World Congress on Computational Mechanics (WCCM XI), 2014, Barcelona, Spain
4- N. Bonora, G. Iannitti, M. Kashfi, G.H. Majzoobi, A. Ruggiero, Caratterizzazione e analisi del comportamento a rottura di un GLARE, AIAS – Associazione Italiana Per L’analisi Delle Sollecitazioni, 2016, Trieste, Italy.
5- M. Kashfi, G.H. Majzoobi, N. Bonora, G. Iannitti, A. Ruggiero and E. Khademi, A new damage model to predict orthotropic nonlinear behavior of woven glass-epoxy composite by experiment and iterative simulation, The 5th International Conference on Composites (CCFA5), 2016, Tehran, Iran.
6- M. Kashfi, G.H. Majzoobi, N. Bonora, G. Iannitti, A. Ruggiero, E. Khademi, A study on fiber metal laminates by using a new damage model for composite layer, International Journal of Mechanical Sciences, 75-80, 131, 2017.
7- محمد کشفی، غلامحسین مجذوبی، احسان خادمی، نیکولا بنورا، جانلوکا یانیتی، اندرو روجرو، کاوه رحمانی، تعیین مدل ماده خمیری چرخهای آلومینیوم 2024 با استفاده از شبیهسازی تکراری و الگوریتم ژنتیک، بیست و پنجمین کنفرانس بین المللی مهندسی مکانیک، دانشگاه تربیت مدرس، 1396، تهران.
4- زبان های خارجی
زبان |
میزان تسلط |
توضیحات |
انگلیسی |
عالی |
دارای مدرک زبان MSRT و TOEFL |
ایتالیایی |
خوب |
به دلیل گذراندن دوره 10 ماهه فرصت مطالعاتی در ایتالیا |
5- نرمافزارهای مسلط:
- CATIA شامل قسمتهای Part Design, Sketcher Design, Assembly Design,
- ANSYS شامل تحلیلهای استاتیکی و ارتعاشاتی (Workbench)
- Explicit AUTODYN (تحلیل مسائل ضربه)
- Deform 3D & 2D
- ABAQUS
- MSC MARC
- Algor Simulation (تحلیل مسائل ضربه و رفتار استاتیکی برای هندسه های پیچیده)
- MATLAB
- AutoCAD (دو بعدی)
6- دورههای آموزشی طی شده
- مدرک «بهره برداری از ماشینهای فرز CNC درجه 2» از سازمان فنی و حرفهای کشور با نمره خیلی خوب (87-88)
- مدرک «مدل سازی در نرم افزار CATIA» از سازمان فنی و حرفهای کشور با نمره عالی (88-89)
- مدرک «برنامه ریزی نگهداری و تعمیرات PM» از مرکز اطلاعات و فناوری ایران با نمره عالی (89)
- آشنایی با نرم افزار ANSYS در دانشکده مهندسی دانشگاه بوعلی سینا (87)
- OPAL-RT Europe presentation, University of Cassino, 4th February 2016, Cassino Italy.
- 6° Seminar on Failure Analysis, 26 April 2016, Cassino, Italy.