دانلود رایگان ترجمه مقاله نتایج تجربی از یک آزمایش کششی شبه استاتیک (سیج ۲۰۱۸)

مبتدی (مناسب برای درک مفهوم کلی مطلب) 

برای دستیابی به یک توصیف جامع از کرنش سنج های یکپارچه، بررسی های ساختاری و مترولوژی با استفاده از چندین نمونه استاندارد (۲۵۰ mm × ۴۰ mm × ۲ mm) ساخته شده از مواد کربن اپوکسی انجام شده است. الیاف کربن با کشش بالا و رزین اپوکسی برای تولید دکل سکان، برای بدست آوردن لمینیت تک جهته که خواص آن در جدول ۱ گزارش شده است، استفاده می شوند. هشت لایه به صورت متقارن در یک صفحه شبه ایزوتروپیک (همسانگرد) انباشته شده تا ۲۰ نمونه از آن ها بدست آید، که از هرگونه اتصال مکانیکی بین بار درون صفحه ای و تغییر شکل های خارج از صفحه و بالعکس جلوگیری می کند (جونز، ۱۹۹۸).
در میان آن ها، ۱۰ نمونه برای انجام تست های خمش با شکاف (ENF) با هدف ارزیابی چقرمگی حالت دوم GIIC مجهز شده اند (Sham Prasad و همکاران، ۲۰۱۱). آن ها مطابق با استاندارد مربوطه (ASTM D7905 / D7905M-14، ۲۰۱۴)، یک فیلم پلی تترا فلورو اتیلن (PTFE) 13 میکرومتری را در امتداد صفحه خنثی معرفی می کنند. نیروها از طریق یک فیکسچر مخصوص خمش سه نقطه ای تحت بارگذاری جابجایی کنترل شده که توسط یک دستگاه تست ۱۰-KN Zwick-Roell Z010 ارائه شده، به نمونه اعمال می شوند. ثبت نیروی اعمال شده در مقابل جابجایی غلتک مرکزی با استفاده از ثبت کننده زمان واقعی آنالوگ به دیجیتال (A/D) X-Y دستگاه و تعیین نرخ نمونه برداری از ۵۰ هرتز بدست می آید. GIIC با استفاده از روش کالیبراسیون سازگاری (CC) بدست می آید (Jagannathan و همکاران، ۲۰۱۵)، که اعتقاد بر این است که نرخ آزاد شدن انرژی کرنش بحرانی برای رشد ترک از فیلم جاسازی شده را نشان می دهد (Bru et al.، ۲۰۱۶). میانگین نتایج GIIC از پنج آزمایش مشابه در هر یک از ساختارهای مسطح و یکپارچه انجام شده است. آن ها به ترتیب در حدود ۲۱۷ و J/m2 201 هستند، با پراکندگی در حدود ۷٪ که مانع از هرگونه اثر بحرانی بر رفتار شکست می شود در حالی که حسگرهای تعبیه شده برای نمونه تحت آزمایش است.

با استفاده از همان ترتیب، ۱۰ آزمایش دیگر طبق استاندارد D7264 / D7264M-15 (2015) انجام می شود. مدول خمشی الاستیک به عنوان مدول وتر الاستیسیته از بار و جابجایی ثبت شده محاسبه می شود. مقدار میانگین از پنج آزمایش مشابه در ساختارهای مسطح و یکپارچه به ترتیب حدود ۵/۱۲ و GPa 5/13 است. با وجود پراکندگی حدود ۹٪ هنوز هم قابل قبول است، اما به طور غیر منتظره نشان می دهد که سفتی خمشی در حین قرار دادن سنسور به دلیل پیکربندی عمودی پین ها افزایش می یابد (برای موقعیت کرنش سنج و پین ها به شکل ۳ مراجعه کنید).
نکته مهم برای هدف این تحقیق، کارآیی مترولوژی سنسور تعبیه شده است. مقایسه اندازه گیری با انجام تست های خمشی بر روی نمونه های یکپارچه ریز مطابق استاندارد D7264 / D7264M-15 (2015) انجام شده است. نتایج حاصل از کرنش سنج های تعبیه شده به صورت مناسب برای بدست آوردن حداکثر تغییر شکل مورد انتظار در سطح فوقانی، جایی که یک کرنش سنج معمولی دیگر نصب شده، قابل درجه بندی است. کرنش سنج LY46- 10 / 350A نصب شده در سطح توسط HBM برای مطابقت با مشخصات محلول تعبیه شده انتخاب شده است. از سیستم تقویت کننده متراکم چند کاناله PICAS برای تقویت کرنش سنج ها با یک پیکربندی چند بخشی استفاده می شود، در حالی که اسیلوسکوپ OnoSokki CF3600 سیگنال های ولتاژ را با نرخ نمونه گیری ۱۰ هرتز دیجیتالی می کند. یک نتیجه معمولی بدست آمده در شکل ۴ گزارش شده است. توزیع پروانه ای کرنش از طریق ضخامت نمونه منجر به خروجی ولتاژهای مختلف می شود. از این رو، یک عامل هم ارزی β با توجه به اینکه توزیع به منظور دستیابی به تغییر شکل معادل نشان داده شده، محاسبه می شود. اندازه گیری های مختلف در پنج نمونه انجام شده است، که تکرارپذیری و همچنین تکثیرپذیری آزمایش ها را نشان می دهد. جدول ۲ β را با نسبت (α) بین حداکثر تغییر شکل های اندازه گیری شده توسط هر دو کرنش سنج مقایسه می کند. با توجه به جزئیات، وقتی α از β بزرگتر باشد، کرنش سنج معمولی تغییر شکل بزرگتر از داده های معادل حاصل از سنسور تعبیه شده را بر می گرداند. عامل هم ارزی کرنش سنج بستگی به ضخامت نمونه (h) و فاصله از سطح (d) دارد که در اینجا محاسبه شده است و همچنین ضخامت کرنش سنج (t). درصد خطایی که در همان جدول گزارش شده است تفاوت بسیار ناچیزی را در حین استفاده از مورد دومی نشان می دهد. شایان ذکر است که خطا به دلیل ناهمراستایی محتمل سنسورها که در اینجا به شدت با توالی لایه ای شدن محدود شده، استفاده می شود (Horoschenkoff و همکاران، ۲۰۰۶).

طیف سنجی EMI
یک دستگاه اندازه گیری به وضوح برای التراسوند SHM در مواد بسیار ضعیف طراحی شده است. این دستگاه قادر به انجام هر دو اندازه گیری EMI و نصب در حداکثر ۱۲ کانال با تسهیم تقسیم زمان است. ولتاژ القایی بالا تا ۱۰۰ Vpp و جریان ها تا A 2 توسط محرک پیزو PD200 تولید شده توسط PiezoDrive فراهم می شوند. تبدیل A / D با استفاده از گستره دستی HS3 در ۱۰ MSPS انجام می شود. دستگاه برای فعال سازی EMI تا حداکثر ۱ مگاهرتز مشخص شده است. هر کانال تسهیم کننده از دو قطب همراه با دو پرتابه مکانیکی تشکیل شده است تا هم سیگنال های فعال سازی و هم سیگنال های پایه را تغییر دهند (شکل ۵). این طراحی پیچیده فقط برای قابلیت اضافه شدن گیره به زمین ضروری است، که نیاز به قابلیت مسیریابی دو سیگنال مستقل به کانال های پیزو دلخواه دارد. تمام مسیرهای سیگنال استفاده نشده برای جلوگیری از برخورد متقابل بین کانال ها پایه گذاری شده-اند. پیزوها به کابل های هم محور متصل هستند، زیرا سیگنال های پرقدرت برای تأثیرگذاری بر تجهیزات دیگر بدون حفاظ مناسب، به اندازه کافی قوی خواهند بود. مدار EMI از یک مقاومت شانت برای اندازه گیری جریان از طریق مبدل استفاده کرده و همزمان ولتاژ تحریک را اندازه می گیرد. ایده اصلی طراحی کار پیرس و همکاران (۲۰۰۴) را دنبال می کند، همراه با برخی از اصلاحات اساسی برای بکار بردن سیگنال های دامنه بالا. مقدار مقاومت شانت بسیار کم تر از Ω ۰٫۰۵ برای به حداقل رساندن اتلاف انرژی استفاده می شود، که به یک مدار تقویت کننده پیچیده تر نیاز دارد (شکل ۶). ولتاژ تحریک با ضریب ۱۰ کاهش می یابد تا از تداخل بین ولتاژ و کانال های جریان داخل واحد مبدل آنالوگ به دیجیتال (ADC) جلوگیری شود.
راه اندازی آزمایشی
نقشه و تصویری از نمونه دکل سکان به ترتیب در شکل های ۷ و ۸ نشان داده شده است. این نمونه شامل یک هسته CFRP با سطح مقطع مستطیل شکل و یک قسمت فلزی در هر دو انتهای آن است که برای اصلاح صحیح نمونه در دستگاه تست الکترو هیدرولیکی Schenck 2500-kN اتصال پیچی شده است. علاوه بر این، یک پین فلزی به فلانج های فلزی متصل است. این پین فلزی بخشی از طراحی واقعی دکل سکان برای اتصال قطعات CFRP به جزء فلزی است که تیغه سکان را به دکل وصل می کند. تشخیص خرابی پین برای عملکرد ایمن کشتی مهم است.

دو مبدل پیزوالکتریک در سطح نمونه نصب می شوند. مبدل مستطیلی (GmbH سرامیک PI) DuraAct با اندازه ۱۶ mm × ۱۳ mm × ۰٫۵ بر روی مواد CFRP با استفاده از چسب سیانوآکریلات با ضخامت چند میکرون چسبانده شده است. یک مبدل دایره ای PIC255 (PI Ceramic GmbH) با قطر ۱۰ میلی متر و ضخامت ۰٫۲۵ میلی متر در قسمت فولادی به همراه سنسور دمایی DS18B20 قرار داده شده است که دمای جریان را روی سطح نمونه ثبت می کند تا اثرات مربوط به دما را بتوان شناسایی کرد.
شکل ۹ تصویری از سیستم کسب داده برای کرنش و EMI را نشان می دهد. کرنش سنج به یک تقویت کننده وصل شده که سیگنال کرنش DC تقویت شده را به ADC می فرستد. در این حالت، ما از Handyscope HS3 از مهندسی TiePie استفاده کرده ایم که از کنترل از راه دور MATLAB پشتیبانی می کند. طیف های هر دو کانال EMI و دمای جریان از طریق اترنت به رایانه منتقل می شوند. تمام داده های اندازه گیری به طور همزمان و در یک فایل HDF5 واحد ذخیره می شوند.

نتایج تجربی
شکل ۱۰ نمودارهای نیرو-جابجایی آزمایشات را برای ۵ نمونه دکل سکان که در این مطالعه استفاده می شوند، نشان می دهد. در آغاز، همه منحنی ها رفتار تقریباً خطی الاستیک را نشان می دهند، که به رنگ سبز مشخص شده است. در این مرحله می توان نمونه را سالم در نظر گرفت و تاکنون با بازرسی بصری و عدم وجود وقایع انتشار آکوستیک تایید شده که هیچ آسیبی به آن وارد نشده است. با افزایش بیشتر بار، می توان با تغییر در شیب نمودارهای نیرو-جابجایی، کاهش سفتی را که به رنگ نارنجی مشخص شده است، مشاهده کرد (Puck، ۱۹۹۶؛ Schu¨ rmann، ۲۰۰۷). در CFRP، کاهش سفتی در اثر شکست بین الیافی ایجاد می شود، یعنی ترک های کوچکی در زمینه اپوکسی ایجاد می شود. در قطعات فولادی، کاهش سفتی در اثر پلاستیک شدن (نرم سازی) مواد ایجاد می شود. هر دو پدیده با آسیب غیرقابل برگشت در ماده مرتبط هستند که تشخیص آن ها هدف اصلی این مطالعه است. هنگامی که این مرحله اتفاق می افتد، یک افت ناگهانی معمولی در منحنی به طور جزئی ظاهر می-شود (ASTM D7905 / D7905M-14 ، ۲۰۱۴)، اما افزایش بیشتر نیرو ممکن است. دوباره شیب خیلی سریع افزایش یافته، اما خیلی زود به سمت شکست کامل کاهش می یابد. هنگامی که اولین ترک های شدید در فولاد یا پارگی های اولیه الیاف کربن رخ می دهد، می توان افت سطح نیرو را تشخیص داد. در این حالت که به رنگ قرمز مشخص شده است، اتصال معمولاً شکسته شده و دیگر قادر به نگه داشتن نیرو نیست. در سناریوی واقعی، وقتی بار با جابجایی دستگاه هدایت نشود، جدا کردن قطعات متصل امکان پذیر است و در هر صورت با تشخیص آسیب قبل از رسیدن به سطح شکست کامل، باید از آن جلوگیری کرد. در حین آزمایش، روندها برای ۱۸۰ ثانیه در نقاط مشخص شده با فلش متوقف شده اند، تا اندازه گیری های EMI را بدون دخالت در نویزهای دستگاه تست انجام دهند. در طی این توقف ها، یک آرامش جزئی از سطح نیرو مشاهده می شود، اما سطح اصلی خیلی سریع پس از ادامه آزمایش بدست می آید.
منحنی کرنش که در شکل ۱۰ رسم شده است، کرنش را در مقابل امتداد جابجایی از سنسور تعبیه شده در نمونه ۴ نشان می دهد. این مثال به روشنی نشان می دهد که بار را می توان با استفاده از کرنش سنج تعبیه شده تا زمان شکست، کنترل کرد، که اطلاعات صحیحی در مورد افزایش بار، متوقف شدن طی روند بارگذاری و شکست وخیم را ارائه می کند. همانطور که در بالا بحث شد، هر دو نیرو و کرنش در مقابل طرح های جابجایی به وضوح نوعی از شکست لایه اولیه را از طریق افت ناگهانی و جزئی در منحنی نشان می دهند (ASTM D7905 / D7905M-14، ۲۰۱۴). این رفتار در شکل ۱۰ از توزیع کرنش کاملاً واضح است (حدود mm/m 0.7). با افزایش بیشتر بار، تغییر شکل دوباره و خیلی سریع به سمت شکست کامل شروع می شود اما شیب منحنی خیلی زود به دلیل کاهش سفتی کلی کاهش می یابد.