دراسة عددية وتجريبية لآلية كسر الكلال للمواد المركبة ذات الأساس البوليمري

الباحث

علي محمد جاسم

المشرف

ابتهال عبد الرزاق محمود

الجامعة

الجامعة التكنولوجية

الكلية / القسم

قسم الهندسة الميكانيكية / الهندسة الميكانيكية

الشهادة

دكتوراه

السنة

2022

لغة الرسالة

انكليزي

الكلمات المفتاحية

Fatigue fracture;Polymer matrix composite;Crack growth;Numerical simulation

في السنوات الأخيرة 6 أثار القلق العالمي بشأن القضايا البيئية اهتماما كبيرا ، وأصبحت الألياف الطبيعية بديلاً جذابًا للألياف الاصطناعية في التطبيقات الصناعية بسبب كثافتها المنخفضة وتكلفتها القليلة وقدرتها على التجدد وقابليتها للتحلل البيولوجي. في هذا البحث تم تقييم خصائص الانحناء (باستخدام اختبار الانحناء ثلاثي النقاط) واختبارات الشد واختبارات معامل مقاومة الكسر (fracture toughness) ومنحنى S-N وقيم حدود تحمل الكلال (endurance limit) للمواد المركبة. تم تحضير خلطات Anti تحتوي على الايبوكسي (EP) والبولي يوريثين (Pu) بنسب وزنية مختلفة (0/ ، 75 ، 710 و 15/) بدون تقوية بالألياف الطبيعية ، تم استخدام نسيج ألياف من القطن والجوت والحرير والصوف والكتان الطبيعي. لغرض تدعيم المادة الاساس ، والذي تم ترتيبه بزاوية 90/0 وبمزيج زوايا تشمل 90/0 و 45 / -45 لكل نوع من التعزيزات. بعد ذلك ، تم تدعيم طبقات القطن بثلاثة أنواع من الهجائن و تشمل: خيوط من الكتان الاتجاه الطولي متداخلة مع ألياف نسيج الجوت بنفس الطبقة (JF) ، وألياف قصيرة من الجوت والحرير موزعة عشوائيًا وطبقات من نسيج الحرير Hejf) و Hejs و (Acs و تم تهجين طبقات الصوف عن طريق نسج الكتان ونسج Hwf ( JF و (Awjf تم استخدام طريقة (Vacuum infusion method) لتحضير العينات ، بهذه الطريقة ، يتم وضع طبقات نسيج الألياف داخل كيس ٠ يجب أن يكون هذا الكيس محكم الإغلاق تمامًا مرتبط مع أنابيب الإدخال والإخراج لمزيج المادة الاساس ، عند تنشيط مضخة التفريغ يتم اخراج الهواءء.حيث يسمح اختلاف الضغط بمرور المزيج عبر الأنابيب الى طبقات نسيج الألياف حتى يتم التشبع ، ثم يتم إغلاق مدخل ومخرج أنابيب المزيج وإيقاف المضخة. يتم احفظ القالب لمدة ثلاثة أيام في درجة حرارة الغرفة. باستخدام برنامج 19 ANSYS Workbench تم المقارنة بين النتائج التجريبية و العددية لمعامل مقاومة الكسر ،(fracture toughness) معادلات ads Basquin حدود تحمل الكلال (endurance limit) تم استخدام SEM للتحقيق في توصيف الصور المجهرية لدراسة اليات الفشل. أظهرت النتائج العملية أن النسبة الوزنية المئوية 10 بولي يوريثان في الخلطاتٌ هي النسبة المثلى لتوفير أفضل عمر للتعب وقيمة an التحمل ، و المركبات التي تحتوي على ألياف الكتان تملك أعلى الخصائص الميكانيكية ، بينما المركبات التي تحتوي على ألياف الحرير تملك أعلى إنفعال عند الكسرءالمركبات المكونة من ألياف مرتبة بنسبة 0 °/ 90 ° لها خصائص ميكانيكية وعمر إجهاد و قيمة حد التحمل أعلى من al gall المركبة المكونة من ألياف مرتبة بواسطة توليفة تتضمن 0 * / 90 5° 45 °/-45 ° بينما معامل مقاومة الكسر أقل ، تم تحسين صلابة الكسر لمركبات القطن بنسبة 1 420.147 5 26.789 ، على التوالي ، عند التهجين إلى Hejs ، Hcjf و lain ،Hes ازدادت GUS yo الصوف بنسبة 2108.878 و 270.122 على التوالي عند التهجين إلى Hw و Hwijf تم تحسين ad حد تحمل الكلال لمركب القطن بنسبة 738.229 و 21.017“ و 6.303/ على التوالي عند التهجين الى Hejs ، Hcjf و Hes بينما تم تحسين مركبات الصوف بنسبة 5 و 166.549 على التوالي عند التهجين إلى 111 و Hwjf كشف اختبار SEM لعينات التعب عن عدة أنواع من آليات التلف المرتبطة ببعضها البعض ، مما تسبب في حدوث تدهور على مستويات مختلفة ، وتشمل هذه الآليات: تشقق المادة الاساس ، تضرر وتشقق الألياف ، وسحب الألياف ،. وفك ارتباط الألياف / المصفوفة ، وكسر الألياف ، والفراغات (الناتجة من استخراج الألياف من المصفوفة). التدهور المركب المرتبط بواحدة أو أكثر من آليات الضرر .و يحدث الكسر بسبب تراكم الضرر.

In recent years, a global concern aroused about environmental issues, natural fibers are become attractive alternative for synthetic fibers in industrial applications due to their lower density, lower cost, renewal capacity, and biodegradability. In this research, the flexural properties (using 3 a point bending test), tensile tests, fracture toughness tests, S-N curve and the endurance limit values were evaluated for composite materials. Binary blends containing epoxy (EP) and polyurethane (Pu) at various weight percentages (0%, 5%, 10% and 15 %) without natural fiber reinforcement were prepared, and cotton, jute, silk, wool and flax natural woven fibers were used as reinforcement, which was laminated by 0°/90° and by a combination of 0°/90° and 45°/-45° angle orientation for each type reinforcement. Then, the cotton layers were hybridized by three types arrangement, which include cross interfering between Jute woven and unidirectional flax fiber as interplay (JF) woven, short fibers of jute and silk distributed randomly and silk woven (Hcjf, Hcjs and Hcs), and wool layers were hybridized by flax woven and JF woven (Hwf and Hwjf). Vacuum infusion method (VIM) was used to prepare the sample, by this method, woven fibers stacked within a vacuum bag, this bag must be completely hermetic with its respective input and output blend pipelines, and then the vacuum pump was activated in order to extract the air and to check the leak. The pressure difference leads to infusion, which allows the blend to pass through the woven fibers until saturation, then the inlet and outlet of blend tubes were closed and the pump was turned off. The mold was kept for three days to cure at the room temperature The experimental results were compared by using numerical ANSYS Workbench 19 results for fracture toughness, Basquin equations and endurance limit values. SEM was used to investigate the characterization of microscopy images. The evaluated results showed that the weight percentage of 10% polyurethane in the blends was the optimal percentage providing the best fatigue life and the endurance limit value. The composites containing flax fiber has the highest mechanical properties, while, the composites containing silk fiber has the highest break elongation. The composites consisting of fiber arranged by 0°/90° has mechanical properties, fatigue life and endurance limit value higher than the composites consisting of fiber arranged by a combination, including 0°/90° and 45°/-45°, whereas the fracture toughness is lower. The fracture toughness of cotton composites was improved by 44.221%, 20.147% and 6.789%, respectively, when hybridized to Hcjf, Hcjs and Hcs, while for wool composites, it was increased by 108.878 % and 70.122 %, respectively when hybridized to Hwf and Hwjf. The endurance limit values of cotton composite improved by 38.229 %, 21.017 % and 6.303 %, respectively, when hybridized to Hcjf, Hcjs and Hcs, whereas for wool composites, it was improved by 132.895 % and 66.549 %, respectively, when hybridized to Hwf and Hwjf. SEM test for fatigue samples detected several types of damage mechanisms related together, which caused degradations growing on different scales. These mechanisms include matrix cracking, fiber bridging, fiber pulling-out, fiber/matrix de-bonding, fiber breakage, voids (resulting from the extraction of the fibers from the matrix) and delamination. For the composite degradation related with one or more of damage mechanisms, the fracture occurs due to the damage accumulation.

طلب نسخة من الملف

الملفات غير منشورة على الموقع. اترك بياناتك وسيتواصل معك موظفو قسم الشؤون الثقافية والفنون لإرسال النسخة مجاناً.

الاسم

رقم الهاتف

البريد الإلكتروني

الغرض من الطلب (اختياري)

إرسال الطلب