دستگاهها و بطور کلی ساختارهایی که در اطراف خود مشاهده می کنیم از اجزاء و قسمت های گوناگونی تشکیل شده است که هر کدام از آنها بنا به ضرورت هایی بدین شکل ساخته شده اند. در بعضی موارد به علت محدودیت های ساخت مانند ابعاد و اندازه یا متفاوت بودن جنس مواد به کار رفته و یا به علت فرسوده شدن زودتر بعضی از قسمت ها و نیاز به تعویض کردن آنها و عوامل مختلف دیگری، ساختار به طور یکنواخت ساخته نمی شود و نیاز به اتصالات جزء انکار ناپذیر می باشد. لذا مبحث اتصالات یک از زمینه های حائز اهمیت در صنعت می باشد.
به طور کلی اتصالات بنا به کاربرد آنها شامل اتصالات دائمی و غیر دائمی می باشند. اتصالات دائمی در مواقعی که نیاز به تعویض عضو وجود ندارد مورد استفاده قرار می گیرد. این نوع اتصال ارزانتر و قابلیت تحمل نیروهای دینامیکی را دارا می باشد. در مقابل در اتصالات غیر دائمی قابلیت باز و بسته شدن و کنترل در نحوه اتصال وجود دارد و بخاطر چنین خصوصیتی نسبت به اتصالات دائمی بسیار پرکاربردترند.
با توجه به نسبت استحکام به وزن بالای مواد مرکب[1]، این مواد در صنعت کاربرد بسیار زیادی دارد. یکی از مسائلی که در مبحث مواد مرکب مورد توجه قرار گرفته است، مبحث اتصال مواد کامپوزیتی می باشد که بخاطر غیر ایزوتروپیک بودن[2] آنها، پیشگویی در مورد توزیع آنها پیچیده می باشد. اتصالات در مواد کامپوزیتی شامل اتصالات چسبی[3] و اتصالات مکانیکی[4] می باشد و در بعضی مواقع نیز از ترکیبی[5] از آنها استفاده می­شود. اتصالات مکانیکی با توجه به قابلیت باز و بسته شدن در صنعت کاربرد بیشتری نسبت اتصالات چسبی دارد و بنابراین بسیار مورد توجه طراحان قرار گرفته است.
در سال های گذشته با توجه به محدود بودن پارامترهای موجود و سادگی مباحث مورد نظر روش های تحلیلی مورد استفاده قرار می گرفت اما امروزه با در نظر گرفتن پیچیدگی های موجود، وجود عوامل گوناگون موثر در تحلیل و استفاده کاربردی در صنعت، روش های عددی بخصوص روش المان محدود[6] و نرم افزارهای خاص آن بسیار مورد توجه محققین قرار گرفته است. با استفاده از روش المان محدود می توان انواع لایه چینی ها، شرایط مرزی، اصطکاک، لقی و عوامل مختلف دیگری را مورد بررسی قرار داد.
1-1-پیشینه تحقیق
در زمینه توزیع تنش و چگونگی شکست در سوراخ دایره ای شکل بر روی صفحه کامپوزیتی که تحت بار وارده از پین قرار گرفته و در شرایط تنش صفحه ای[7] و کرنش صفحه ای[8] قرار دارد، تحقیقات زیادی انجام شده است. در دهه های گذشته بخش زیادی از مقالات و تحقیقات گذشته در مورد اتصالات مواد کامپوزیتی به صورت نتایج تجربی شکل گرفته است که با گسترش مواد کامپوزیتی در صنعت نیاز به کارهای تحلیلی بیش از پیش مورد توجه محققین قرار گرفت. به طور کلی تحقیق در زمینه اتصالات از دو بخش تشکیل شده است که شامل توزیع تنش و تحلیل اتصال مورد نظر و بخش دیگر بررسی شکست و چگونگی مدهای شکست ایجاد شده و رشد ترک در اتصال می باشد. در زمینه توزیع تنش و تحلیل اتصال از گذشته تا کنون کارهای بسیاری زیادی انجام شده است که شامل بررسی اثرات هندسه، اصطکاک، لقی و چیدمان لایه ها بر روی توزیع تنش می باشد] 6-1[. در زمینه رشد آسیب و مدهای شکست ایجاد شده تحقیقات به گستردگی حالت قبل نبوده است، یکی از اولین تحقیقات انجام شده در ضمینه چگونگی رشد آسیب در لایه های کامپوزیتی توسط لیزارد و همکارانش در سال 1991 انجام شد]7[. این تحقیق بر روی لایه کامپوزیتی شامل یک سوراخ، تحت بار فشاری انجام شده است. آنها از مدل آسیب پیشرو[9]، جهت بدست آوردن مدهای شکست داخلی، خارجی و گسترش آنها که تابعی از بار اولیه اعمال شده تا بار نهایی است، استفاده کردند. این مدل شامل تحلیل تنش و شکست می باشد که در آن، تنش ها و کرنش های درونی لایه ها را به صورت یک تحلیل المان محدود غیر خطی بدست آورده اند، این تحلیل بر اساس تئوری تغییر شکل محدود[10] و با در نظر گرفتن خصوصیات غیر خطی مواد و هندسه انجام گرفته است. در این تحلیل که شامل چندین معیار شکست و مدل هایی شامل تغییر تدریجی خواص ماده است به بررسی انواع و چگونگی بسط آسیب های بوجود آمده در ماده پرداخته شده است.
در سال 1999، ژیائو و همکارانش به بررسی ضریب اصطکاک در سطح تماس پرداختند]8[. آنها نشان دادند که ضریب اصطکاک، وابسته به زوایای الیاف در سطح تماس است و به کمک تست های آزمایشگاهی، نمودار ضریب اصطکاک را با توجه به زوایای الیاف با سطح تماس بدست آوردند و در نهایت با استفاده از فرمولاسیون ضریب اصظکاک موثر را بدست آوردند. 

خرید متن کامل این پایان نامه در سایت nefo.ir

در سال 2000 توسط دانو تحقیقاتی بر روی تحلیل تنش و شکست لایه های کامپوزیتی تحت بار بر روی پین صورت گرفت]9[. در این تحقیق از یک مدل المان محدود جهت تحلیل لایه کامپوزیتی استفاده شده است. در مدل مذکور، تماس بین سطح سوراخ و پین، آسیب تدریجی و روابط غیر خطی تنش-کرنش در نظر گرفته شده است. جهت بررسی شکست تدریجی لایه ها از ترکیبی از دو معیار شکست ماکزیمم تنش[11] و هشین[12] استفاده کرده اند. در این مطالعه به بررسی اثر معیارهای شکست، رفتار غیر خطی برشی بر روی پیش بینی مقاومت و منحنی جابجایی پین- بار پرداخته اند.
کرماندیس و همکارانش نیز در سال 2000 از مدلی جهت بدست آوردن آسیب تدریجی بوجود آمده در یک اتصال پیچی تحت بار کششی استفاده کردند]10[. در این مدل به محاسبه مقاومت شعاعی و سختی شعاعی لایه ها، با هندسه و مکان پیچ متفاوت پرداخته است. آنها در این مطالعه به تحلیل سختی، تحلیل شکست و کاهش تدریجی خواص ماده پرداخته اند. آنها جهت تحلیل تنش از برنامه المان محدود ANSYS استفاده کرده اند و معیار مورد نظر را نیز هشین در نظر گرفته اند.
کدیور و شاهی ]11[ در سال 2002 سطح تماس پین و سوراخ را بوسیله یک مدل سه بعدی المان محدود و به کمک نرم افزارANSYS در امتداد ضخامت چند لایه محاسبه کردند. آنها پین را صلب فرض نموده و با اعمال شرایط مرزی مناسب، اثرات پین بر روی سوراخ را مدل کرده و تاثیر شکل هندسی بر ناحیه تماس و توزیع تنش را بررسی نمودند.
در سال 2002 اُکاتان در قالب رساله ی دکترا با در نظر گرفتن یک اتصال پینی به صورت دو بعدی به بررسی مقاومت اتصال پرداخته اند]12.[ در این تحلیل خواص ماده به صورت غیر خطی در نظر گرفته شده است و شکست را تا حالت نهایی با کاهش خاصیت مورد بررسی قرار گرفته است. در این تحقیق تمرکز بیشتر بر اثرات هندسه بر روی شکست است و به بررسی مدهای شکست کمتر مورد توجه قرار گرفته است.
در سال 2002 ، تیزرپس و همکارانش به بررسی آسیب پیشرو در یک اتصال پیچی تحت بار کششی یکنواخت پرداخته اند]13[. آنها به پیشگویی آسیب و مقاومت نهایی آخرین مد شکست با توجه به کاهش خواص ماده با توجه مد شکست رخ داده، پرداخته اند. در این مدل اتصال به همراه اصطکاک در سطح تماس با در نظر گرفتن ضریب اصطکاک ثابت در سطح تماس مدلسازی و بر اساس تئوری شکست هشین مورد تحلیل قرار گرفته است.
در سال 2005 ، مک کارتی و همکارانش آسیب پیشرو را در اتصال چند پیچ با لقی های متفاوت مورد بررسی قرار دادند]14[. آنها اتصال را به صورت سه بعدی در نظر گرفته اند و با متفاوت در نظر گرفتن لقی پیچ ها به بررسی اثر لقی بر روی آسیب پیشرو پرداخته است. در این تحقیق خواص ماده به صورت غیر خطی و متغیر با توجه به مدهای شکست در نظر گرفته شده است.
در سال 2008، بلزیس از مدل آسیب تدریجی جهت بدست آوردن تاثیر رفتار کمانش و مدهای مختلف شکست بر روی صفحه کامپوزیتی سوراخدار تحت بار فشار استفاده کردند ]15[. این تحلیل بر اساس مدل المان محدود آسیب تدریجی، تحلیل تنش های موجود، تحلیل شکست و مدول کاهش یافته ی خاصیت ماده شکل گرفته است. آنها نشان دادند که کمانش اولیه بوجود آمده در صفحه وابسته به مدهای شکست بوجود آمده در آن ناحیه می باشد.
در سال 2008 ، کاراکازو و همکارانش به بررسی اثرات پارامترهای هندسه اتصال بر روی بار شکست و مدهای شکست بوجود آمده در یک اتصال دو پینه از جنس گلاس وینیل استر[13] بافته شده پرداخته اند] 16[. مدهای در نظر گرفته شده در این مقاله محدود به مدهای شکست لهیدگی[14]، برشی[15] و کششی[16] می باشد. اتصال بدون در نظر گرفتن اصطکاک و پین به صورت غیرالاستیک در نظر گرفته شده است.
کدیور و یاوری در سال 2009 به بررسی سطح تماس بین پین و ورق در اتصالات مکانیکی در مواد کامپوزیت پرداختند ]17[. آنها در این تحقیق که به صورت سه بعدی انجام گرفته، لایه گذاری های متقارن و نامتقارن را مد نظر قرار داده و اثر اصطکاک را نیز در نظر گرفتند.
 
کرال در سال 2010 به بررسی اثر لقی بر روی مدهای شکست، بار شکست و مقاومت لهیدگی اتصال پینی تحت فشار پرداخته است]18[. در این تحقیق اثر لقی برای نسبت های متفاوت فاصله تا لبه به قطر سوراخ و عرض صفحه به قطر سوراخ را مورد بررسی قرار داده است.
در سال 2010 ، کپتی و همکارانش به کمک معیار شکست تساوی- وو[17] به بررسی شکست تحت شرایط گوناگونی همچون رطوبت، لقی و پیش بار در اتصال لایه های کامپوزیتی پرداخته است]19[. تحقیق مورد نظر به صورت سه بعدی و به بررسی عوامل هندسی بر روی بار شکست پرداخته است.
1-2-هدف از انجام تحقیق، ضرورت و کاربردها
باتوجه به اینکه اتصالات یکی از نقاط بحرانی یک ساختار می باشد، بعد از گسترش مواد کامپوزیتی در صنعت، تحلیل اتصالات بسیار مورد توجه محققین قرار گرفت. در دهه های گذشته تحلیل هایی که بر روی اتصالات انجام می شد به منظور سادگی معمولا به صورت دو بعدی و بدون در نظر گرفتن شرایط واقعی همچون الاستیک بودن اتصال دهنده (پین یا پیچ) و یا اصطکاک در سطح تماس انجام شده است. امروزه با توجه به نرم افزارهای پیشرفته موجود و اهمیتی که موارد ذکر در توزیع تنش و شکست و همچنین افزایش تطابق بیشتر نتایج بدست آمده با نتایج تجربی به اعمال شرایطی همچون اصطکاک در سطح تماس و الاستیک بودن پین در تحلیل ها پرداخته می شود. در این زمینه تحلیل های شکستی که بر روی اتصالات انجام شده است بیشتر به گونه ای انجام شده است که با اولین شکستی که در اتصالات انجام می شود، تحلیل متوقف می شود در حالی که ساختار مواد کامپوزیتی به گونه ای است که با شکسته شدن یک لایه اتصال همچنان قادر به تحمل بار می باشد. لذا تحلیل شکست پس از آسیب اولیه جهت بررسی مدهای مختلف و چگونگی رشد آسیب قابل اهمیت می باشد، چرا که با بررسی نحوه رشد ترک و نوع مد ایجاد شده، می توان با ایجاد تغییراتی همچون چیدمان لایه ها، زویای الیاف و غیره باعث به تعویق افتادن مد شکست مورد نظر و بهینه کردن اتصال شد.
یکی از مسائلی که در مبحث مدل سازی آسیب پیشرو مطرح می شود، مربوط غیر خطی بودن ماده بعد از ایجاد شکست می باشد، به طوری که خواص قسمت های آسیب دیده با توجه به نوع مد شکستی که اتفاق افتاده است، تغییر می کنند که اعمال چنین شرایطی مدلسازی را پیچیده می کند و در بسیاری از کارهای گذشته تنها به اعمال و بررسی دو بعدی اتصالات و بدون در نظر گرفتن شرایطی همچون الاستیک بودن پین و اصطکاک در این زمینه پرداخته شده است.
هدف از انجام این تحقیق بررسی توزیع تنش، شکست لایه های صفحات مرکب در اتصالات مکانیکی و چگونگی رشد آسیب با توجه به مدهای شکست رخ داده می باشد. همچنین با در نظر گرفتن اصطکاک در اتصال به بررسی اثرات ضریب اصطکاک در جهت های گوناگون لغزش بر روی مدهای مختلف شکست در لایه ها پرداخته می شود.