:
در سال‌های‌‌کنونی، بهره‌جویی از ماده‌ی مرکب در ساخت و تقویت سازه‌ها بسیار گسترش یافته است. ساختار این ماده به گونه‌ای می‌باشد که امکان شکل‌گیری ترک در میان لایه‌ها وجود دارد. بر اثر افزایش بار، این ترک‌ها رشد می‌نمایند و سبب افت شدید در استحکام و سختی سازه می‌شوند. به‌کارگیری شیوه‌های عددی در این زمینه و دستیابی به پاسخ‌ها، درتخمین رفتار ترک، نقش مهمی دارد. شروع و گسترش شکست میان ‌لایه‌ای در ماده‌ی مرکب را با فن‌های عددی انجام می‌دهند. در این روش، جزء‎های چسبنده را به همراه نمودار رفتاری ویژگی‎های ماده به کار می‌برند و رشد ترک را بررسی می‌کنند. خاطر نشان می‌سازد، یک نمودار رفتاری ماده‌ی مناسب در بهبود پاسخ‎ها اثرگذار است. ازاین رو، یک جزء پیشنهاد می‌گردد و در نمونه‌های عددی به کار می‌رود و ویژگی‌های آن ارزیابی می‌شود. درستی پاسخ‌ها در شکست میان لایه‌ای ماده‌ی مرکب با شیوه‌ی عددی راست آزمایی خواهد شد. نمونه‌های عددی آشکار می‌کنند که جزء‌ چسبنده‌ی پیشنهادی با شمار تحلیل کم، پاسخ‌های با دقت خوب را به دست می‌دهد.
فصل یکم: آغاز سخن
1-1- پیشگفتار
یکی از دلیل‌های مهم شکست و فروپاشی سازه‌ها، وجود ترک‌های نخستین و گسترش آن‌‌ها است. این ترک‌ها، بیشتر ناشی از عامل‌های گوناگون، و از آن میان، خطا در فرآیند ساخت سازه، بارهای بهره‌برداری و مانند این‌ها می‌باشند. وجود ترک‌ها در شکل‌ و اندازه‌های گوناگون، رفتارهای متفاوتی را در سازه پدید می‌آورد. پاره‌ای از این ترك‌ها بر کارکرد سازه اثر نمی‌گذارند، در حالی که برخی دیگر گسترش پیدا  می‌کنند و به شکست ناگهانی آن  می‌انجامند. تاکنون هزینه‌های بسیاری به دلیل شکست‌های ناشی از ترک پرداخت شده است. با انتخاب راه‌کار مناسب می‌توان هزینه‌ها را به مقدار زیاد کاهش داد. از سوی دیگر،  برآورد دقیق میزان خرابی و عمر سازه، در سازه‌ها با قابلیت اعتماد زیاد مورد نیاز است. بر پایه‌ی اهمیت هدف‌های ساخت، حساسیت خطرها و آسیب‌‌های ناشی از خرابی سازه‌، پیش‌بینی محل رخداد ترک و راستای گسترش آن از نکته‌های مهم در طرح و تحلیل سازه‌ها به شمار می‌رود.
در سال‌های اخیر، بهره‌جویی از مصالح نوین در ساخت و تقویت سازه‌ها بسیار چشم‌گیر بوده است. شناخت دقیق رفتار ماده‌ی مرکب، به یک طرح بهینه رهنمون می‌شود. افزون بر برتری‌های بسیار، برخی کاستی‌ها نیز در الگوسازی رفتار این ماده وجود دارد. از آن میان، می‌توان چگونگی شکست و گسترش ترک را نام برد. باید دانست، تحلیل شکست‌ سازه‌ها تنها در موردهای اندکی به صورت صریح امکان‌پذیر می‌باشد. از این رو، روش‌های عددی جایگاه ویژه‌ای در بررسی زمینه‌های ترک و شکست پیدا کرده‌اند. تاكنون دامنه‌ی گسترده‌ای از روش‌های عددی برای حل مساله‌ی شکست به‌کارگرفته شده‌اند.  در این پژوهش، به بررسی عددی شکست میان لایه‌ای در ماده‌ی مرکب پرداخته می‌شود.
2-1- الگوهای رشد ترک
در بررسی پدیده‌ی شکست و گسترش ترک، تحلیلگر با فرآیند‌های پیچیده‌ی رفتاری ماده روبرو است. این فرآیندها را می‌توان در سه گام رفتاری تقسیم بندی کرد: نخست ایجاد سوراخ‌ها و ترک‌های مویین در چندین نقطه از جسم، سپس رشد سوراخ‌ها و سر انجام، اندرکنش و به هم پیوستن آن‌ها. این کارها به شکل‌گیری ترک‌های درشت می‌انجامد. سپس، رشد و گسترش ترک‌ها سازه را خراب می‌کنند[G1].
با کمک یك روش عددی كارآمد، همراه با یک الگوی رفتاری مناسب که اثر ترک را در ماده شبیه‌سازی می‌کند، می‌توان پدیده شکست در ماده را بررسی کرد. ساده‌ترین الگوی مورد استفاده در تحلیل شکست، الگوی کشسان خطی می‌باشد. بر این پایه، رفتار ماده در لبه‌ی ترک را کشسان و خطی می‌پندارند. هر چند این پنداشت به نتیجه‌های غیرواقعی، همچون تنش بی‌پایان در لبه‌ی ترک می‌انجامد، ولی در بسیاری از پژوهش‌ها کاربرد زیادی داشته است[s1]. باوجود این، برای واقعی‌تر کردن پیش‌بینی رفتار شکست، الگوهای گوناگونی نیز در دسترسند. از میان آن‌ها، دو الگوی رفتاری چسبنده و خرابی توجه بیشتری را به خود جلب کرده‌اند. در راه‌کار چسبنده، اثر ترک تنها در 

خرید متن کامل این پایان نامه در سایت nefo.ir

  یک منطقه‌ی مشخص شبیه‌سازی می‌شود. این فن به دلیل سادگی کاربرد در برنامه‌های روش جزء‌های محدود‌، بسیار مورد توجه است[B2]. در روش خرابی با معرفی عامل خرابی در یک محیط پیوسته، اثر ترک بر بخشی از دامنه وارد می‌شود.  اثر رویارویی میزان خرابی و تاثیر رفتار ماده، بخش اصلی این شیوه خرابی می‌باشد[K1].
3-1- ترک در ماده مرکب
ماده‌ی مرکب از دو یا چند ماده شکل می‌گیرند. هدف آن است که کارایی و ویژگی‌های ماده‌ی مرکب، از ویژگی‌های هر یک از آن‌ها به تنهایی، برتر باشد. با انتخاب شمار دلخواه و جهت‌گیری مناسب  تارها در زمینه، امکان پخش تنش و تغییر مسیر بار فراهم می‌شود. از سویی، ساختار لایه‌ای ماده‌ی مرکب به گونه‌ای است که شکل‌گیری ترک در بین لایه‌ها قرار می‌گیرد. این ترک‌ها می‌توانند بر اثر بار رشد کنند و سبب افت شدید در استحکام و سختی سازه شوند. پیدایش ترک‌های میان لایه‌ای می‌تواند ناشی از کاستی نخستین ماده، تنش‌های لبه‌ی آزاد، ضربه و مانند این‌ها باشد. تخمین پیدایش ترک و چگونگی گسترش آن با بهره‌جویی از شیوه‌های عددی و آزمایشگاهی فراهم است. با توجه به صرف هزینه و زمان بسیار برای انجام آزمایش‌های پیچیده، تحلیل‌های عددی برتری دارند.
در شبیه‌سازی عددی، در بخشی از ماده جدایی لایه را به شکل ترک می‌پندارند. برای گره‌ها در آن بخش معیار رشد ترک بررسی می‌شود. درگره‌هایی که در آن‌ها معیار رشد ترک برقرار گردد، ترک قدری به جلو رانده و فرآیند تکرار می‌شود. این شیوه، تا آن جا ادامه می‌یابدکه نما‌ی ترک، پس از برقرار کردن شرط‌های رشد در تمامی گره‌های روی آن، به‌دست آید.
در این پژوهش، دو راه‌کار عددی الگو‌سازی ترک و گسترش آن درماده‌ی مرکب بررسی می‌شود. نخست، با بهره‌جویی از جزء‌های چهارگرهی و انتخاب مقدار رهایی کارمایه‌ی کرنشی، برای معیار رشد ترک، شبیه‌سازی ترک و گسترش آن  انجام می‌پذیرد. در شیوه‌ی دوم، از جزء‌های چسبنده استفاده خواهد شد. رفتار ترک با کمک رابطه‌سازی تابع چسبنده معرفی می‌شود. با انتخاب تابع بهینه برای جزء چسبنده‌ی پیشنهادی، می‌توان به رفتاری بسیار نزدیک به واقعیت دست یافت. درستی پاسخ‌های تحلیل به کمک جزء پیشنهادی، با فن نخست ارزیابی می‌گردد. دقت پاسخ‌ها در کمینه‌ی شمار تحلیل‌ها نشان می‌دهد که جزء چسبنده‌ی پیشنهادی در الگو‌سازی شکست میان لایه‌ای ماده‌ی مرکب شایسته کار می کند.  
4-1- ساماندهی پایان نامه
این پایان‌نامه هفت فصل دارد. آنچه آمد، فصل آغازین این نوشته و پیش‌ درآمدی بر موضوع پژوهش بود. فصل دوم، به شرح الگوهای رفتاری گوناگون در شبیه‌سازی ترک و گسترش آن می‌پردازد. شکل‌گیری و چگونگی رشد ترک میان لایه‌ای در ماده‌ی مرکب در فصل سوم  بررسی خواهد شد. در فصل چهارم، شبیه‌سازی ترک و رشد آن در ماده‌ی مرکب بیان می‌شود. در آن جا، مقدار رهایی کارمایه‌ی کرنشی برای معیار رشد ترک و نیز شیوه‌های گوناگون یافتن آن معرفی می‌گردند.  در سال‌های اخیر، برای دستیابی به رفتاری نزدیک‌تر به واقعیت، در شبیه‌سازی ترک میان لایه‌ای و گسترش آن در ماده‌ی مرکب، از جزء‌های چسبنده بهره‌جویی می‌گیرد. در فصل پنجم، جزء چسبنده و رابطه‌سازی آن در روش جزء‌های محدود و همچنین معیار رشد ترك می‌آید. این پژوهش، با بهره جستن از رابطه‌های حاکم بر رفتار جزء چسبنده، به بررسی مناسب‌ترین تابع در تخمین رفتار ترک میان لایه‌ای در ماده‌ی مرکب می‌پردازد. بهبود رفتاری سازه با جزء چسبنده‌ی پیشنهادی نتیجه‌ی کار می‌باشد. به سخن دیگر، بهره‌جویی از این جزء، در دستیابی به پاسخ‌های دقیق‌تر موثر است. در فصل ششم، با به‌کار‌گیری جزء پیشنهادی در نمونه‌های سنگ‌ نشانه، درستی راه‌کار نویسنده آشکارمی‌شود. سرانجام، پیشنهادهایی برای پژوهش‌های آیندگان در فصل پایانی خواهد آمد.
فصل دوم: الگوهای رشد ترک
2-1- پیشگفتار
الگو‌های گوناگونی را برپایه‌ی رفتار ترک می‌توان به کار برد. انتخاب هر شیوه بر چگونگی رفتار متغیرهای ترک اثر‌گذار است.  سه فن اصلی برای این کار وجود دارد: رفتاری کشسان خطی، ترک چسبنده و الگوی خرابی. در ادامه‌ی این فصل به شرح هریک از این‌ها پرداخته می‌شود.
2-2- رفتارکشسان خطی
برای نخستین بار این الگو برای بررسی رفتار سازه‌های دارای ترک به کار رفت. در این شیوه، ماده‌ی ترک دار را دارای رفتار خطی و کشسان پنداشتند. گریفیس و اینگلیس نخستین پژوهش‌ها‌ی تحلیلی را در دهه‌ی 1920 در زمینه‌ی ساده‌سازی ترک انجام دادند [G1,I1]. آن‌ها به مقدارهای تکینگی تنش در لبه‌ی ترک دست یافتند. پس از آن، روش جزء‌های محدود برای بررسی این گونه رفتار‌ها به کار گرفته شد. در این راستا، چن نشان داد که تابع‌های شکل چند‌جمله‌ای در جزء‌ها نمی‌توانند رفتار تکین را الگوسازی کنند[C1]. راه‌حل‌های گوناگونی برای حل این مشکل پیشنهاد شد که کارآمدترین آن‌ها  بهره‌جویی از جزء‌های تکین یک چهارم نقطه بود. این پنداشت توسط هنشل و شاو و همچنین بارسوم ارائه شد[H1,B1]. در جزء‌های تکین گره‌های میانی لبه‌ی ترک در فاصله‌ی یک چهارم طول جزء از لبه‌ی ترک قرار می‌گیرند. با این کار می‌توان رفتار تکین لبه‌ی ترک را الگوسازی کرد. باید دانست، جزء‌های پیشنهادی رفتار تکینگی را تنها در پاره‌ای از راستا‌ها ایجاد می‌كردند. مانو با بهبود جزء‌ها این رفتار را در همه‌ی راستا‌ها گسترش داد[M1].
در رفتارکشسان خطی، میدان تنش تکین پیرامون نوک ترک را می‌توان به شکل موثری بر پایه‌ی ضریب شدت تنش نوشت. از این رو، یافتن این عامل از روی نتیجه‌ی راه‌کار عددی از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است. تاکنون، پژوهشگران روش‌های گوناگونی برای به دست آوردن ضریب شدت تنش با استفاده از پاسخ‌‌های عددی پیشنهاد کردند. یکی از نخستین و ساده‌ترین این فن‌‌ها، راه‌کار همبستگی جابه‌جایی‌ها است. در این شیوه از پاسخ تحلیلی جابه‌جایی اطراف ترک برای تعیین ضریب شدت تنش استفاده می‌شود. شیه این روش را برای استفاده در جزء‌های تکین گسترش داد[S1]. راه‌حل دیگری که توسط پارکس پیشنهاد شد، روش گسترش مجازی ترک نام دارد، که بر پایه‌ی کارمایه می‌باشد[P1]. در این فن از مفهوم تغییر رهایی کارمایه برای یافتن ضریب شدت تنش استفاده می‌کنند.
برای دستیابی به پاسخ‌های دقیق‌تر از راه‌کار تابع‌اولیه‌گیری جی بهره‌جویی شده است. تابع اولیه‌گیری جی توسط رایس در محدوده‌ی کشسان معرفی شد، ولی در بررسی رفتار غیر خطی نیز به شکل ابزاری بسیار مفیدی به كار می رود[R1]. این راه‌حل، در حالت کشسان خطی مشابه تغییر رهایی کارمایه است و در تعیین ضریب شدت تنش کاربرد دارد. برآورد مستقیم این تابع اولیه‌گیری، به سبب عبور اجباری نوارهای هم تنش از نقطه‌های گوس، پاسخ را به شبکه وابسته می‌کند. از این رو، نیکیشکوف و آتلوری این شیوه را به کمک تابع‌های وزنی به یک تابع اولیه‌گیری مشابه حجمی تبدیل کردند تا دست‌یابی به آن ساده‌تر شود[N1].
در تمامی روش‌های بررسی ترک، تولید شبکه‌ای که بتواند خود را با رشد ترک هماهنگ کند، همواره مورد توجه بوده است. از جمله‌ی این شیوه‌‌ها می‌توان به شبکه‌سازی دوباره در محدوده‌ی اطراف ترک، استفاده از الگوریتم جبهه‌ی پیش‌رونده برای تشکیل شبکه‌ی جدید و مانند این‌ها را نام برد. ضعفی که در راه‌حل‌های پیشنهادی به چشم می‌خورد این است که همه‌ی آن‌ها شامل یک گام میانی برای بهبود شبکه می‌باشند. پونگ تانا پانیچ یک روش برای بازسازی کامل شبکه پیشنهاد کرد که در آن از شبکه‌سازی وفقی و فن مثلث بندی دیلانی بهره گرفته می‌شود[P2].
پژوهش‌های آزمایشگاهی گوناگونی نیز برای تعیین مسیر ترک در حالت‌های دو وجهی و سه وجهی انجام شده است. معیارهای نخستین بیشتر بر پایه‌ی نتیجه‌های تجربی بود. از یک دیدگاه کلی، می‌توان آن‌ها را به دو دسته طبقه‌بندی کرد. دسته‌ی یکم معیارهای موضعی در منطقه‌ی نوک ترک است. از معروف‌ترین آن‌ها می‌توان به بیشینه‌ی تنش محیطی، که توسط سیه و اردوقان پیشنهاد شد، اشاره کرد[E1]. در نقطه‌ی روبرو، روش‌های غیر‌موضعی هستند که در آن‌ها از پخش کارمایه در سرتاسر بخش ترک‌ خورده استفاده می‌شود. هیوسین و همکاران معیار بیشینه‌ی تغییر رهایی کارمایه‌ی کرنشی را پیشنهاد کردند[H2].  در تمامی راه‌کارها تنها اثر جمله‌های تکین مرتبه‌ی یکم تنش در تعیین راستای ترک پنداشته می‌شود.  همه‌ی این پاسخ‌ها بسیار به هم نزدیک می باشند.