تحلیل شکست لوله‌های کامپوزیتی تقویت شده با الیاف شیشه و بازشدگی دهانه ترک با معیار انتگرال J تحت فشار داخلی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه مهندسی مکانیک، فنی، دانشگاه گیلان، رشت، ایران

2 دانشکده مهندسی مکانیک دانشگاه گیلان، رشت

چکیده

امروزه، با توجه به معایب گسترده‌ی لوله‌های فلزی نظیر خوردگی از داخل و خارج، عدم شکل‌پذیری آسان، رسوب‌پذیری زیاد بدلیل زبری زیاد جداره‌ی داخلی و جذب زیاد املاح، افت فشار بالا بدلیل ناصافی سطح داخلی، وزن زیاد و مشکلات نصب و عمر کم و ... استفاده‌ی روزافزون از لوله‌های پلیمری در حوزه‌ی وسیعی از خطوط لوله‌ی شهری، صنعتی، دریایی، حفاری و کشاورزی مورد توجه قرار گرفته است. بررسی میزان آسیب وارد بر لوله‌های کامپوزیتی تقویت شده با الیاف شیشه تحت زوایای مختلف در اثر فشار داخلی که در درازمدت در اثر پدیده‌ی خزش ممکن است دچار شکست شوند کمتر مورد توجه قرار گرفته است. از این‌رو، در تحقیق حاضر به شبیه‌سازی شکست با معیارهای تسای-وو و هاشین با روش اجزاء محدود و با استفاده از نرم‌افزار آباکوس و همچنین بازشدگی دهانه‌ی ترک در اثر فشار داخلی در این لوله‌ها با لایه‌چینی‌های مختلف با معیار انتگرال J پرداخته شده است. نتایج تحقیق حاضر نشان می‌دهد که زمینه‌ی لوله‌ی کامپوزیتی تحت کشش و الیاف این لوله که تحت فشار و کشش قرار دارند دچار شکست نشده اما زمینه‌ی لوله‌ی کامپوزیتی تحت فشار، دچار شکست شده است. با توجه به نتایج بدست آمده برای هر ده لایه در زوایا‌ی لایه‌چینی از [(30)]تا[(60)] میزان شاخص شکست کمتر از یک است اما، در آرایش‌های‌ لایه‌چینی ‌[(70)]، [(80)]و [(90)] مقدار این شاخص بیشتر از یک بوده در نتیجه، لوله‌ی کامپوزیتی دچار گسیختگی ‌شده است. همچنین، ضریب شدت تنش در زاویه‌ی لایه‌چینی [(55)] دچار افت ناگهانی شده اما با افزایش زاویه، مقدار این ضریب افزایش یافته است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Failure Analysis of Glass Fiber Reinforced Plastic Pipes and Crack Inlet Opening with J-Integral Criteria Under Internal Pressure

نویسندگان [English]

  • Amir Khodabakhshi 1
  • Hassan Asadi Gilakejani 2
1 Mechanical Engineering, Guilan University, Rasht, Iran
2 Faculty of Mechanical Engineering, University of Guilan, Rasht, IRAN
چکیده [English]

Inspection of the damage caused by glass fiber reinforced plastic tubes, which are subjected to internal pressure due to different angles that can be exposed under the creep phenomenon in the long-term, has not been sufficiently considered. Therefore, in the present research, it has been tried to simulate the fracture by Tsai-Wu, Hashin criterions and the crack inlet opening with J-integral criterion in these pipes with different layering at internal pressure using finite element method and ABAQUS. The results of this research show that the fibers under compressive and tensile stress and the resin of tube have not fractured by tensile stress, but the fracture has occurred in the resin of composite tubes that were under pressure. According to the results, the fracture index is less than one for each of ten layers, when layering angle varies from 5 [(±30) ] to 5 [(±60) ] , but the fracture index is more than one, layering decoration for 5 [(±70) ] , 5 [(±80) ] and 5 [(±90) ] of composite tubes has been fractured. However, the value of the stress intensity factor was immediately decreased for layering decoration angle of 5 [(±55) ] , but this factor has improved when layering angle increased

کلیدواژه‌ها [English]

  • Failure analysis
  • finite element method
  • J-Integral
  • Stress intensity factor
[1] P. Laney, Use of Composite Pipe Materials in the Transportation of Natural Gas, Idaho falls, Idaho 83415, Idaho National Engineering and Environmental Laboratory, 2002.
[2]D. Hull, T.W. Clyne, An Introduction to Composite Materials, Cambridge University Press, Cambridge, .6991
[3]H.M. Westergard, Bearing Pressures and Cracks, Journal of Applied Mechanics, 6 (1939) 49-53.
[4] G.R. Irwin, Analysis of Stresses and Strains near the End of a Crack Travers a Plate, Journal of Applied Mechanics, 24 (1957) 361-364.
[5] A.A. Griffith, The Phenomena of Rupture and Flow in Solids, Philosophical Transactions of the Royal Society, 221 (1921).
[6] M.L. Williams, The Stresses Around a Fault or Crack in Dissimilar Media, Bulletin of the Seismological Society of America, 49 (1959) 199-204.
[7] J.R. Rice, A Path Independent Integral and the Approximate Analysis of Strain Concentrations by Notches and Cracks, Journal of Applied Mechanics, 35 (1968) 379-386.
[8] G. Meijer, F. Ellyin, A failure envelope for ±60 filament wound glass fiber reinforced epoxy tubular, Composites Part A, (39) (2006) 555-564.
[9] J.D.D. Melo, F.L. Neto, G.A. Barros, F.N.A. Masquita, Mechanical Behavior of GRP Pressure Pipes with Addition of Quarts sand Filler, Composite Materials, (45) (2010) 717-726.
[10] H. Faria, R.M. Guedes, Long-term Behaviour of GFRP Pipes: reducing the prediction test duration, Polymer Testing, (29) (2010) 337-345.
[11] N.J. Jin, H.G. Hwang, J.H. Yeon, Structural Analysis and Optimum Design of GRP Pipes Based on Properties of Materials, Construction and Building Materials, (38) (2013) 316-326.
[12]  J.S. Park, W.H. Hong, W. Lee, J.H. Park, Y. S.J., Pipe Stiffness Prediction of Buried GFRP Flexible Pipe, Polymers and Polymer Composites, (22) (2014) 17.42
[13] S.H. Yoon, J.O. Oh, Prediction of Long term Performance for GRP Pipes Under Sustained Internal Pressure, Composite Structures, (134) (2015) 185.981
[14] S.W. Tsai, H.T. Hahn, Introduction to Composite Material, Westport, CT 06880, Technomic Publishing Compony, 1980.
[15]  S.W. Tsai, E.M. Wu, A General Theory of Strength for Anisotropic Materials, Composite Materials, 5 (1971) 58-80.
[16] Z. Hashin, Failure Criteria for Unidirectional Fibre Composites, ASME Journal of Applied Mechanics, 47(2) (1980) 329-334.
[17]  J.D. Eshelby, The Continuum Theory Of Lattice Defects In Solid State Physics, Academic Press, New York, 3 (1956) 79-144.
[18]  J.W. Hutchinson, Singular Behavior at the End of a Tensile Crack Tip in a Hardening Material, Journal of the Mechanics and Physics of Solids, 16 (1968) 13-31.
[19] J.R. Rics, G.F. Rosengren, Plane Strain Defomation near a Crack Tip in a Power-Law Hardening Material, Journal of the Mechanics and Physics of Soilds, 16 (1968) 1-12.
[20]  S.A. Meguid, Engineering Fracture Mechanics, Elsevier Science Pub, New York  Sole distributor in
the USA and Canada, 1989.
[21]  M. Xia, H. Takayanagi, K. Kemmochi, Analysis of Multi-layered Filament-wound Composite Pipes Under Internal Pressure, Composite Structures, (53) (2001) 483-491.
[22]  P. Uniyal, D. Gunwant, A. Misra, Multi Scale Modeling and Failure Analysis of Laminated Composites, Journal of Applied Mechanical Engineering, 5 (2016).
[23]   C.T. Sun, B.J. Quinn, J. Tao, D.W. Oplinger, W.J.Hughes, Comparative Evaluation of Failure Analysis Methods for Composite Laminates, Springfield, Virginia 22161., U.S. Public through the National Technical Information Service (NTIS). 1996.
[24]   M. Shiratori, Analysis and application of influence coefficient for round bar with semielliptical surface crack, Stress intensity factor hand book,oxford uk,  (1987) 659-665.