شکل ۷-۹- نمودار سرعت خروجی پرتابه برحسب سرعت اولیه برای شش لایه متقارن با تکیه‎گاه تماما صلب ۱۱۳
شکل ۷-۱۰- نمودار سرعت خروجی پرتابه برحسب سرعت اولیه برای شش لایه متقارن با تکیه‎گاه تماما ساده ۱۱۳
شکل ۷-۱۱- نمودار سرعت خروجی پرتابه برحسب سرعت اولیه برای سه‎لایه با تکیه‎گاه تماما صلب ۱۱۴
شکل ۷-۱۲- نمودار سرعت خروجی پرتابه برحسب سرعت اولیه برای سه‎لایه با تکیه‎گاه تماما ساده ۱۱۴
شکل ۷-۱۳- نمودار تغییرات سرعت پرتابه برحسب زمان برای شش لایه متقارن با تکیه‎گاه تماما صلب ۱۱۵
شکل ۷-۱۴- نمودار تغییرات سرعت پرتابه برحسب زمان برای شش لایه متقارن با تکیه‎گاه تماما ساده ۱۱۵
شکل ۷-۱۵- نمودار تغییرات سرعت پرتابه برحسب زمان برای سه‎لایه با تکیه‎گاه تماما صلب ۱۱۶
شکل ۷-۱۶- نمودار تغییرات سرعت پرتابه برحسب زمان برای سه‎لایه با تکیه‎گاه تماما ساده ۱۱۶
شکل ۷-۱۷- کانتور توزیع تنش ایجاد شده در قطعه شش لایه با تکیه‎گاه تماما صلب تحت سرعت‎های اولیه مختلف ۱۱۷
فصل اول
مقدمه
۱-۱- مقدمه
استفاده از سازه‎های چندلایه‎ای کامپوزیتی در صنایع مختلف، در سالهای اخیر روند روبه رشد و فزاینده‎ای داشته‎است. نسبت استحکام ویژه بالا، چقرمگی، مقاومت در برابر خوردگی و خستگی، مقاومت مناسب در مقابل واکنشهای موجود در محیط‎های شیمیایی، نفوذناپذیری در برابر آب، عایق مناسب حرارتی، قابلیت متنوع شکل دهی و دوخت و … از جمله دلایل قرارگیری این مواد در کانون توجه و اهمیت طراحان و صنعتکاران بشمار می‎آیند.

چند لایه‎های کامپوزیت از طریق قرار دادن لایه‎های حصیری و سوزنی روی هم و چسباندن آنها بوسیله رزین و با بهره گرفتن از پروسه‎های ساخت دستی، کیسه خلا و تزریق رزین در خلا ساخته می شوند. با وجود مزایای چند لایه‎های کامپوزیت، همواره معایبی نیز در بکارگیری این چند لایه ها وجود داشته است که ذهن دانشمندان و سازندگان را درگیر کرده است. مهمترین معایب آنها عبارتند از :
الف) خواص مکانیکی آنها در راستای ضخامت نسبت به خواص مکانیکی درون صفحه‎ای پایین‎تر می‎باشد.
ب) در برابر جدایش لایه ها ضعیف می‎باشند.
ج) در برابر ضربه ضعیف بوده و خواص مکانیکی آنها پس از ضربه پایین می‎باشد.
د) هزینه ساخت آنها نسبتاً بالا می‎باشد.
در سال‎های گذشته روش‎های مختلفی برای حل مسائل فوق ارائه گردیده است. یکی از این روش‎ها بکارگیری کامپوزیت‎های سه بعدی می باشد. ساخت اولین نمونه‎های کامپوزیت سه بعدی به سال ۱۹۶۰ برمی‎گردد. در طی این ۵۰ سال تحقیقات زیادی در زمینه روش های تولید کامپوزیت سه بعدی، افزایش خواص مکانیکی، تجاری سازی آنها و … انجام شده است. تنوع ساختار و روش‎های تولید گوناگون، دامنه وسیعی از خواص مکانیکی را برای کامپوزیت‎های سه بعدی به ارمغان آورده‎است. همچنین این کامپوزیت ها برخلاف کامپوزیت‎های دو بعدی دارای رشته های فایبر در جهت ضخامت می‎باشند. این موضوع علاوه بر تقویت خواص مکانیکی در راستای ضخامت، از جدایش لایه ها تا حد امکان جلوگیری نموده و مقاومت در برابر ضربه را افزایش می‎دهد. در حقیقت کامپوزیت‎های سه بعدی برخی از معایب اصلی کامپوزیت های دو بعدی را تا حد زیادی مرتفع کرده اند.
کامپوزیت های سه بعدی به چهار دسته اصلیِ Braided,Woven، Knitted و Stitched تقسیم بندی می‎شوند که تفاوت آنها در نوع ساختار داخلی و قرارگیری الیاف می‎باشد. یکی از انواع کامپوزیت های سه بعدیِ Stitched، کامپوزیت پیشرفته چند راستا یا NCF می‎باشد. کامپوزیت های پیشرفته چند راستا از طریق قرارگیری الیاف تک جهته روی یکدیگر و اتصال آنها به یکدیگر به کمک الیاف عمودی (الیاف در راستای ضخامت) تولید می‎گردند، در حالیکه در کامپوزیت های دو بعدی رشته های فایبر بصورت تار و پود در محل خود قرار گرفته‎اند. کامپوزیت های پیشرفته چند راستا در مقایسه با کامپوزیت های دو بعدی، دارای خواص مکانیکی بهتر، سختی بیشتر، مقاومت بالاتر در برابر جدایش لایه ها و استحکام بیشتر در برابر بارهای ضربه ای و انفجاری می‎باشند.
در ساختار داخلی سه بعدی کامپوزیت های پیشرفته چند راستا، الیاف عمودی در فواصل معین در راستای ضخامت و روی سطح لایه های بالا و پایین قرار گرفته است. با عبور الیاف عمودی از ضخامت، الیافِ لایه ها دچار انحراف شده و حفره هایی در ساختار داخلی ایجاد می‎گردد. این حفره‎ها در پروسه های ساخت کاملاً با رزین پر می‎شوند. با توجه به این موضوع ساختار داخلی کامپوزیت‎های پیشرفته چند راستا یک ساختار ناهمگن و غیر ایزوتروپیک می‎باشد و خواص مکانیکی آنها با روش های متداولِ مورد استفاده در کامپوزیت های دو بعدی قابل محاسبه نیست. همچنین با توجه به وجود الیاف عمودی در راستای ضخامت، نمی‏توان کامپوزیت های پیشرفته چند راستا را ایزوتروپیکِ عرضی فرض نمود]۲[.
انجام بررسی‎های تجربی، تئوری و عددی متعدد جهت شناخت هرچه بیشتر خصلت‎های رفتاری کامپوزیت‎های مختلف تحت شرایط بیرونی مختلف یکی از دل‎مشغولی‎های عمده محققان در سالهای اخیر بوده بطوریکه نتایج به بارنشسته قبلی در کارکردهای عملی و صنعتی نیز به نمره قابل قبولی دست پیدا کرده‎اند.
از جمله این آزمایشات و مشاهدات که بر روی کامپوزیت ها انجام پذیرفته، پاسخ این لایه ها تحت بارگذاری ضربه است. ضربه قطعه خارجی در برخورد با قطعه کامپوزیتی از جمله مواردی است که اجزایی همچون بال و بدنه سازه های هوایی و دریایی را تهدید میکند و در صورت عدم دارایی استحکام مناسب می تواند به تخریب های گسترده و زیان آور بیانجامد. چرا که با همه این تفاسیر و تفاصیل، هنوز نیز کم و کیف پاسخ چندلایه های کامپوزیتی سه بعدی تحت بارگذاری های مساله سازی چون ضربه، محل دغدغه و اندیشه محققان است. بارهای ضربه‎ای محتملی که در طول پروسه تولید و یا حین سرویس دهی و یا تعمیرات رخ می‏دهند گاهی تولید آسیب های داخلی کرده که با بازرسی های چشمی قابل تشخیص نیستند و در بارگذاری‎های بعدی گسترش پیدا کرده و موجب کاهش استحکام سازه و متعاقبا وارد آمدن خسارت و صدمات به سازه و سازه های مرتبط و مجاور می‎شود. لذا منطقی است که در هنگام طراحی این سازه ها، جهت حصول اطمینان از میزان مقاومت شان در برابر بارهای ضربه‎ای، استحکام آنها در این بارگذاری‎ها مورد بررسی قرار گیرد.
۱-۲- پیشینه تحقیق
بعلت فراگیر و حائز اهمیت بودن پدیده ضربه بر روی سازه‎های کامپوزیتی، تاکنون مطالعات تجربی، عددی و تحلیلی متعددی جهت مطالعه پروسه ضربه بر روی انواع مختلف کامپوزیتها صورت پذیرفته است.
شاید بتوان گفت اولین مطالعات تجربی و آزمایشگاهی بر روی مواد مرکب تحت ضربه بالستیک به دهه ۶۰ میلادی برمی گردد که اسناد آن تا مدتها بعلت ارتباط با تحقیقات صنایع نظامی تا اواخر دهه ۸۰ بصورت سری باقی ماند تا اینکه در آن زمان مقالات متعددی در این زمینه انتشار یافت که از آن جمله می توان بررسی رفتار بالستیک چندلایه های فایبر با ماتریس‎های اپوکسی و وینیل استر توسط واسادف^[۱] در ۱۹۸۷ اشاره کرد]۳۴[.
کانت وِل^[۲] در ۱۹۸۸ به آنالیز چندلایه های کربن-اپوکسی تحت محدوده وسیعی از سرعت‎ها (۱۰ تا ۵۰۰ متر بر ثانیه) با بهره گرفتن از آزمایشات غیرمخرب اولتراسونیک پرداخت]۳۵[.
چن چانگ^[۳] و وو^[۴] در ۱۹۹۴ با ترتیب آزمایشی برای چندلایه های بافته شده گلاس – اپوکسی تحت ضربه گلوله با سر نیم کروی و محدوده سرعت بین ۲/۸ تا ۸/۹۲ دریافتند که به موازات افزایش سرعت گلوله، الگوی ناحیه تخریب از حالت دایره به فرم بیضوی و نهایتا لوزی تغییر شکل می دهد. ضمن اینکه برای سرعت های پایین تر از حد بالستیک انرژی جذب شده و ناحیه لایه لایه شده دارای رابطه خطی با انرژی اولیه گلوله هستند ]۳۶[.
سان^[۵] و پوتی^[۶] در ۱۹۹۶ سرعت حد بالستیک و سرعت باقیمانده گلوله بعد از پروسه ضربه را با بهره گرفتن از یک مدل المان محدود دو گرهی و دو درجه آزادی به ازای هر گره پیش بینی کردند]۳۷[.
ناندال^[۷] و همکارانش در ۱۹۹۸ ضمن نادیده گرفتن رفتار غیرایزوترپیک چندلایه‎های گلاس- پلی استر تحت ضربه از یک کد اجزاء محدود دوبعدی LS-DYNA جهت پیش بینی توسعه گونه های مختلف تخریب آنها بهره بردند]۳۸[.
لوناسی^[۸] و همکارانش در سال ۲۰۰۰ یک مدل تحلیلی شکست برای آنالیز سازه های نازک بافته شده گلاس-اپوکسی تحت بارگذاری ضربه ارائه کردند که به پیش بینی تخریب درون صفحه‎ای کامپوزیت شامل شکست ماتریس و فایبر در جهات تار و پور می انجامید]۳۹[.
نایک^[۹] و همکارانش در سال ۲۰۰۰ با بهره گیری از قانون تماسی هرتز به ارائه مدلی عددی برمبنای اجزاء محدود جهت بررسی و مقایسه رفتار (شامل ماکزیمم نیروی تماسی بوجودآمده در ضربه، ماکزیمم جابجایی، طول زمان ضربه) چندلایه های تک جهته و بافته شده صفحه‎ای که در هر چهار وجه خود مهار شده اند تحت ضربه سرعت پایین پرداختند]۴۰[.
فوجی^[۱۰] و همکارانش در ۲۰۰۲ نشان دادند که برای CFRP ها هرچه سرعت ضربه بیشتر باشد، توسعه ناحیه تخریب کمتر است]۴۱[ .
لوپزپونت^[۱۱] و همکارانش در ۲۰۰۲ تاثیر دما و نواری یا بافته شده بودن^[۱۲] فایبرها را روی سایز ناحیه تخریب CFRP ها تحت ضربه سرعت بالا بررسی کردند.]۴۲[.
کیم^[۱۳] و همکارانش در ۲۰۰۳ رفتار پنل های شبه ایزوتروپیک کربن-اپوکسی را تحت ضربه دانه‎های تگرگ مورد بررسی قرار دادند و به مکانیزم‎های تخریب مختلف تحت سرعت‎های مختلف دست یافتند]۴۳[.
مدلسازی‎های تماما سه بعدی نظیر آنچه بعدا لوپزپونت و همکارانش در ۲۰۰۳ ارائه کردند نیز مطرح شد، که بعنوان مثال می توان به تلاش چن^[۱۴] و همکارانش در ۱۹۹۷ اشاره کرد که از یک روش بسیار بدیع برای بررسی ضربه های با سرعت بالاتر از ۵۰۰ متر بر ثانیه بر چندلایه های کربن – اپوکسی بهره بردند. آنها از هیدرودینامیک ذره مسطح شده^[۱۵] که در اواخر دهه ۷۰ جهت حل مسائل اجرام سماوی و برخورد اجسام ریزاتمی با یکدیگر استفاده می شد، برای گسسته سازی فضایی مدل سه بعدی استفاده کردند]۴۴[.
روش های تحلیلی متعددی نیز برای دریافت پاسخ کلی سیستم تحت ضربه با در نظر گرفتن قانون بقای مومنتم و معادله انرژی که شامل معادلات جبری و دیفرانسیل می شوند ارائه شده‎اند. نایک و همکارانش در ۲۰۰۵ با بررسی تحلیلی چندلایه های بافته شده دوبعدی تحت ضربه بالستیک براساس تئوری موج توانستند ضمن تعیین انرژی جذب شده توسط مکانیزم‎های مختلف تخریب در هر بازه زمانی و میزان کاهش سرعت در انتهای هر بازه به پیش بینی سرعت حد بالستیک، طول زمان تماس و شعاع ناحیه تخریب دست یابند که توسط نتایج آزمایشگاهی نیز صحت نتایج خود را تایید کردند]۴۵[.
در سال ۲۰۰۶ نیز لوپزپونت و همکارانش یک مدل تحلیلی برای پیش بینی سرعت باقیمانده گلوله در پلیت های بافته شده صفحه‎ای نازک از جنس کربن-اپوکسی تحت ضربه آن گلوله با سرعت بالا ارائه کردند]۴۶[.
در ۲۰۰۶ یونسانگ^[۱۶] و همکارانش به بررسی آزمایشگاهی رفتار تحت ضربه یک چندلایه سه جهته عمودی با بهره گرفتن از دستگاه ارتقاء یافته میله فشاری هاپکینسون^[۱۷] پرداختند و با تحلیل نمودار نیرو-جابجایی کامپوزیت، حساسیت انرژی جذب شده شکست و نیروی شکست را نسبت به نرخ کرنش مورد آنالیز قرار دادند و دریافتند این انرژی رابطه مستقیمی با سرعت اولیه گلوله و به تبع آن نرخ کرنش دارد. همچنین مود شکست در بارگذاری شبه استاتیکی عرضی را شکست کششی لایه عقبی و شکست فشاری لایه جلویی، و در بارگذاری عرضی ناشی از ضربه شکست ماتریس و فایبر ارزیابی کردند و هیچگونه مکانیزم لایه لایه شدن را نیز گزارش نکردند]۴۷[.