پاسخ کامپوزیت های تقویت شده فیبر به بارهای انفجاری زیر آب Response of fiber reinforced composites to underwater explosive loads
- نوع فایل : کتاب
- زبان : فارسی
- ناشر : الزویر Elsevier
- چاپ و سال / کشور: 2007
توضیحات
رشته های مرتبط: مهندسی عمران، سازه و سازه های دریایی
۱٫ مقدمه مواجه با بارهای ضربه ایی شدید،خطر عمده ایی است که ساختارهای شناور و ناوها را تهدید می کند که می تواند به دلیل انفجار زیرآبی مین یا اژدر، اصابت ساختار به شی نیمه غوطه ور در آب و یا فشار کوبیدگی که در وضعیت های زیاد دریا رخ می دهد باشد.در این وضعیت ها جلوی ناو به بالای سطح آب می رود و سپس به سرعت مجددا وارد آب میشود.این امواج ضربه ای معمولا باعث تولید آمپولس های با فشار بسیار زیاد و کوتاه مدت مشود و در نهایت منجر به تغییر شکل(سرعت کشش)زیاد می شود که همین امر باعث آسیب ساختاری شدید می گردد. به منظور کاهش وزن شناور خالی، و در نتیجه افزایش بار مفید ، منفعت زیادی در ایجاد ساختارهای کم وزن برای جایگزینی قطعات فلزی پلیتی متعارف در نواحی منتخب شناور وجود دارد. برای اینکه محافظت کافی از این ساختارها در برابر انفججارهای زیرآبی انجام گیرد، باید این ساختارها را به گونه ای ساخت که در برابر بارهای انفجاری مقاوم باشند و از استحکام باقیماندۀ (پس از ضربه) خوب برخوردار باشند.برآورد طول عمر مستلزم آگاهی و شناخت کاهش تدریجی خواص مواد در نتیجۀ رشد و افزاش آسیب داخلی میباشد. جذب انرژی در شراط بالیستک به تکامل تدریجی آسیب در هدف بستگی دارد که این هدف خواص ماده را به تدریج کاهش می دهد.با وجود اینکه مدلهای گوناگون برای توضیح مکانیسم تغییر شکل کمپوسیت ها ایجاد شده است، اما هچ یک از مدل ها بنا به دلایلی چون اختلاف رفتاری انواع فایبرها،ساختارهای کمپوسیت و فابریک،تغییر در ویژگیهای ترمودینامیکی،خمیدگی و انعطاف پذیری،ناهمسانگردی ، حساسیت میزان مواد کمپوسیت، و این حققت که مواد کمپوسیت نسبت به مواد مونولیت (مثل فلز) که اساس مکانیک تغییر شکل زیاد بر مبنای آنها میباشد، کل پرسه را کاملا شاخصه بندی نمی کنند. آغاز و تکثیر آسیب در کمپوسیت ها به دلیل بارهای انفجاری از نظر آزمایشی ،آنالیتی و عددی مورد مطالعه قرار گرفته اند.به خاطر ضربۀ زیرآبی و بارگیری هوای دم، آزمایشات معمولا با قرار دادن کمپوسیت های بزرگ(۳مت در ۳ متر) یا قطعات تمام اندازۀ شناور در معرض میزان رو به افزایش بارهای ضربه ایی و سپس آزمایش لامینت برای مشاهدۀ آسب ساختاری عظیم به دلیل شکست فابر، ترک در ماتریکس ، جداشدن فایبر/ماتریکس و لایه لایه شدگی انجام شد. موریتز از آزمایش خمیدگی چهارگوش برای اندازه گیری استحکام خمش باقی ماندۀ لامینت پلیمر محکم شده با شیشه(GRP) استفاده کرد. البته این آزمایش بعد از اینکه موج ضربه ایی زیرآبی در اثر انفجار ایجاد شد،انجام گرفت.آزمایش که توسط میکروسکوپ الکترونی اسکن کننده لامینت و در فشار ضربه ایی ۸MPa انجام شد نشان داد که آسیب به ترک برداشتگی نسبی ماتریکس پلیمر و لایه لایه شدگی جزئی محدود بود.در نتیجه استحکام خمش اساس ثابت وبدون تغییر حفظ شد.بااینحال، زمان که فشار اوج موج ضربه ایی از ۸MPa بیشتر شد، لامینت در اثر ایجاد ترک پلیمر ، پیچش و شکست فایبرها و نواحی لایه لایه شدگی بزرگ شدیدا آسیب دید.تنش های بسیار متراکم در ناحیۀ نزدیک سطح ضربه خورده ، فایبرگلاس های آن قسمت را خمیده کرد و تنشهای کششی زیاد نزدیک سطح پشتی باعث ترک شدگی پلیمر و فایبرگلاس های آن قسمت شد.در سرتاسر لامینت،لایه لایه شدگی گسترده در بسیاری از سطوح مشترک بین لایه های مجاور رخ داد.میزان آسیب طبقآن چیزی که از زوال و تخریب تدریجی سختی واستحکام خمش باقی مانده مشهود است، با افزایش شدت فشار ضربه ایی از ۸MPa به ۲۸MPa افزایش یافت.ویل و دیگران نشان دادند که به دلیل ضربات با شدت زیاد، ساختار به باب محلی پاسخ می دهد. مقدار جزئی برای تغییر شکل فایبرها و ساختار ها مورد استفاده قرار می گیرد و مقدار زیاد انرژی در مکانیسم هایی مانند لایه لایه شدگی،جداشدن، و بیرون آمدن فایبر منتشر می شود.در ادامۀ این قسمت خلاصه ایی از نتایج مربوط به تأثیر مواد گوناگون، پارامترهای بارگیری و هندسی بر پاسخ ساختار به بارهای ضربه ایی را ارائه خواهیم داد.
۱٫ مقدمه مواجه با بارهای ضربه ایی شدید،خطر عمده ایی است که ساختارهای شناور و ناوها را تهدید می کند که می تواند به دلیل انفجار زیرآبی مین یا اژدر، اصابت ساختار به شی نیمه غوطه ور در آب و یا فشار کوبیدگی که در وضعیت های زیاد دریا رخ می دهد باشد.در این وضعیت ها جلوی ناو به بالای سطح آب می رود و سپس به سرعت مجددا وارد آب میشود.این امواج ضربه ای معمولا باعث تولید آمپولس های با فشار بسیار زیاد و کوتاه مدت مشود و در نهایت منجر به تغییر شکل(سرعت کشش)زیاد می شود که همین امر باعث آسیب ساختاری شدید می گردد. به منظور کاهش وزن شناور خالی، و در نتیجه افزایش بار مفید ، منفعت زیادی در ایجاد ساختارهای کم وزن برای جایگزینی قطعات فلزی پلیتی متعارف در نواحی منتخب شناور وجود دارد. برای اینکه محافظت کافی از این ساختارها در برابر انفججارهای زیرآبی انجام گیرد، باید این ساختارها را به گونه ای ساخت که در برابر بارهای انفجاری مقاوم باشند و از استحکام باقیماندۀ (پس از ضربه) خوب برخوردار باشند.برآورد طول عمر مستلزم آگاهی و شناخت کاهش تدریجی خواص مواد در نتیجۀ رشد و افزاش آسیب داخلی میباشد. جذب انرژی در شراط بالیستک به تکامل تدریجی آسیب در هدف بستگی دارد که این هدف خواص ماده را به تدریج کاهش می دهد.با وجود اینکه مدلهای گوناگون برای توضیح مکانیسم تغییر شکل کمپوسیت ها ایجاد شده است، اما هچ یک از مدل ها بنا به دلایلی چون اختلاف رفتاری انواع فایبرها،ساختارهای کمپوسیت و فابریک،تغییر در ویژگیهای ترمودینامیکی،خمیدگی و انعطاف پذیری،ناهمسانگردی ، حساسیت میزان مواد کمپوسیت، و این حققت که مواد کمپوسیت نسبت به مواد مونولیت (مثل فلز) که اساس مکانیک تغییر شکل زیاد بر مبنای آنها میباشد، کل پرسه را کاملا شاخصه بندی نمی کنند. آغاز و تکثیر آسیب در کمپوسیت ها به دلیل بارهای انفجاری از نظر آزمایشی ،آنالیتی و عددی مورد مطالعه قرار گرفته اند.به خاطر ضربۀ زیرآبی و بارگیری هوای دم، آزمایشات معمولا با قرار دادن کمپوسیت های بزرگ(۳مت در ۳ متر) یا قطعات تمام اندازۀ شناور در معرض میزان رو به افزایش بارهای ضربه ایی و سپس آزمایش لامینت برای مشاهدۀ آسب ساختاری عظیم به دلیل شکست فابر، ترک در ماتریکس ، جداشدن فایبر/ماتریکس و لایه لایه شدگی انجام شد. موریتز از آزمایش خمیدگی چهارگوش برای اندازه گیری استحکام خمش باقی ماندۀ لامینت پلیمر محکم شده با شیشه(GRP) استفاده کرد. البته این آزمایش بعد از اینکه موج ضربه ایی زیرآبی در اثر انفجار ایجاد شد،انجام گرفت.آزمایش که توسط میکروسکوپ الکترونی اسکن کننده لامینت و در فشار ضربه ایی ۸MPa انجام شد نشان داد که آسیب به ترک برداشتگی نسبی ماتریکس پلیمر و لایه لایه شدگی جزئی محدود بود.در نتیجه استحکام خمش اساس ثابت وبدون تغییر حفظ شد.بااینحال، زمان که فشار اوج موج ضربه ایی از ۸MPa بیشتر شد، لامینت در اثر ایجاد ترک پلیمر ، پیچش و شکست فایبرها و نواحی لایه لایه شدگی بزرگ شدیدا آسیب دید.تنش های بسیار متراکم در ناحیۀ نزدیک سطح ضربه خورده ، فایبرگلاس های آن قسمت را خمیده کرد و تنشهای کششی زیاد نزدیک سطح پشتی باعث ترک شدگی پلیمر و فایبرگلاس های آن قسمت شد.در سرتاسر لامینت،لایه لایه شدگی گسترده در بسیاری از سطوح مشترک بین لایه های مجاور رخ داد.میزان آسیب طبقآن چیزی که از زوال و تخریب تدریجی سختی واستحکام خمش باقی مانده مشهود است، با افزایش شدت فشار ضربه ایی از ۸MPa به ۲۸MPa افزایش یافت.ویل و دیگران نشان دادند که به دلیل ضربات با شدت زیاد، ساختار به باب محلی پاسخ می دهد. مقدار جزئی برای تغییر شکل فایبرها و ساختار ها مورد استفاده قرار می گیرد و مقدار زیاد انرژی در مکانیسم هایی مانند لایه لایه شدگی،جداشدن، و بیرون آمدن فایبر منتشر می شود.در ادامۀ این قسمت خلاصه ایی از نتایج مربوط به تأثیر مواد گوناگون، پارامترهای بارگیری و هندسی بر پاسخ ساختار به بارهای ضربه ایی را ارائه خواهیم داد.
Description
A major threat to ship structures and marine vessels is being exposed to severe shock loads [1,2] which could be due to the underwater explosion of a mine or a torpedo, the structure striking a partially submerged object in water, and/or the slamming pressure that occurs at high sea states when the forefront of the vessel rises above the water surface and then rapidly reenters the water. These shock waves generally generate impulses of very high pressures but short durations, resulting in extremely high strain rates, which may cause severe structural damage. In order to decrease weight of the empty ship and thus increase payload, there is significant interest in developing lightweight structures for replacing conventional plate– beam metallic components in selected areas of a ship. For such structures to provide adequate protection against underwater blast, they must have high resistance to impulsive loads and good residual (post-impact) strength [3]. The estimation of service life requires knowing the progressive degradation of material properties as a consequence of growth of the internal damage. The absorption of energy in ballistic situations depends on the evolution of damage in the target that progressively degrades its material properties. Although several models have been developed to describe the deformation mechanisms of composites, no one model adequately characterizes the entire process due to numerous factors like the difference in behavior between fiber types, fabric and composite constructions, the variation in thermomechanical properties, ductility, anisotropy, rate sensitivity of composite materials, and the fact that composite materials respond differently from monolithic materials (e.g., a metal) upon which fundamentals of the mechanics of high strain rate deformation are based [4]. The initiation and propagation of damage in composites due to impulsive loads has been studied experimentally, analytically and numerically. For underwater shock and air blast loading, tests are usually performed by subjecting large composite panels (up to 3 m · ۳ m in size) or full scale sections of a ship to increasing levels of shock loads and then examining the laminate for evidence of gross structural damage [1] due to fiber breakage, matrix cracking, fiber/matrix debonding, and delamination. Mouritz [3] used the four-point bend test to measure the residual flexural strength of a glass reinforced polymer (GRP) laminate after it had been impulsively loaded by an underwater shock wave produced by an explosion. The examination by a scanning electron microscope of the laminate tested at a shock pressure of 8 MPa revealed that damage was confined to some cracking of the polymer matrix and a small number of short delaminations; consequently, the flexural strength remained essentially unchanged. However, when the peak pressure of the shock wave exceeded 8 MPa, the laminate was severely damaged by cracking of the polymer, breakage and buckling of fibers, and large delamination zones. High compressive stresses in the area near the impacted surface buckled glass fibers there, and high tensile stresses near the back surface caused cracking of the polymer and glass fibers there. Throughout the laminate, extensive delamination occurred at many interfaces between adjoining plies. The extent of damage, as evidenced by the progressive deterioration of the residual flexural strength and stiffness, increased with an increase in the intensity of the shock pressure from 8 to 28 MPa. Will et al. [5] have pointed out that for high velocity impacts the structure responds in a local mode, a little energy is used to deform fibers and the structure, and a significant amount of energy is dissipated in mechanisms such as delamination, debonding and fiber pull-out. In the remainder of this Section, we summarize literature results regarding effects of different material, geometric and loading parameters on structure’s response to impulsive loads.