Experimental and numerical failure analysis of SLJ and SSLJ CFRP joints using the LaRC05 criterion within a combined XFEM-CZM

في عالم الهندسة الحديث، تعد المواد خفيفة الوزن هي المفتاح لتحقيق الكفاءة. إن البوليمرات المعززة بألياف الكربون، والتي تُعرف غالباً باسم (CFRP)، هي مواد مركبة مكونة من خيوط كربون قوية للغاية مغمورة في راتنج بلاستيكي متين. وهي خفيفة الوزن وقوية لدرجة أنها أصبحت المعيار لبناء أجنحة الطائرات، وهياكل الطائرات، وأجزاء السيارات عالية الأداء. ومع ذلك، فإن ربط هذه المواد معاً يمثل تحدياً فريداً؛ فالطرق التقليدية مثل حفر ثقوب للبراغي أو المسامير تخلق نقاط ضعف تتركز فيها الإجهادات، كما أنها تضيف وزناً غير مرغوب فيه. ويوفر الربط اللاصق بديلاً أكثر سلاسة، حيث يوزع الحمل عبر مساحة سطح واسعة، لكن علم كيفية فشل هذه الوصلات الملتصقة يعد أمراً معقداً. فعندما يتم لصق قطعتين من المادة وسحبهما بعيداً عن بعضهما، فإن الطريقة التي تنتقل بها القوة عبر الرابط نادراً ما تكون مستقيمة؛ بل غالباً ما تؤدي إلى التواء أو ثني المواد، مما يخلق إجهادات خفية يمكن أن تتسبب في انكسار الوصلة بشكل مفاجئ. إن فهم كيفية سلوك هذه القوى بدقة، وكيفية تصميم وصلة تقاومها، أمر بالغ الأهمية لبناء هياكل أخف وأكثر أماناً.

وضع فريق من الباحثين من جامعات في الجزائر ورواندا هدفاً لحل لغز محدد في هذا المجال: كيف يؤثر سمك ألواح ألياف الكربون وشكل الوصلة على قوتها؟ لقد ركزوا على تصميمين شائعين؛ التصميم الأول هو "وصلة التراكب المفرد" (single-lap joint)، حيث تتراكب لوحان ببساطة ويتم لصقهما معاً. أما التصميم الثاني فهو "وصلة التراكب المتدرج" (stepped-lap joint)، وهو تصميم أكثر تطوراً حيث يتم تشغيل نهايات الألواح لتصبح على شكل سلسلة من الدرجات، مثل السلم، قبل لصقها. والهدف من هذا الشكل المتدرج هو توجيه القوة بشكل أكثر مباشرة، مما يقلل من تأثير الالتواء الذي يضعف الوصلات القياسية عادةً. ولإيجاد الإجابات، لم يعتمد الباحثون على النظرية وحدها، بل صنعوا عينات فيزيائية باستخدام ألواح ألياف كربون بسماكتين مختلفتين: 2.0 ملم و4.0 ملم. واستخدموا آلة طحن دقيقة يتم التحكم فيها بالحاسوب لقطع الأشكال المطلوبة بدقة، مما يضمن أن تكون الأسطح ملساء تماماً من أجل اللصق. وبعد تطبيق لاصق إيبوكسي هيكلي وتركه ليتصلب، قاموا بسحب العينات في آلة اختبار لمعرفة مقدار القوة التي يمكن أن تتحملها قبل الكسر.

كشفت نتائج هذه الاختبارات الفيزيائية عن فائز واضح؛ فقد تفوقت وصلات التراكب المتدرج باستمرار على وصلات التراكب المفرد القياسية. فبالنسبة للألواح الأقل سمكاً (2.0 ملم)، سمح التصميم المتدرج للوصلة بتحمل 7,584 نيوتن من القوة قبل الفشل، وهو تحسن ملحوظ مقارنة بـ 6,823 نيوتن التي تحملها التراكب القياسي. حدثت هذه الزيادة بنسبة 11 بالمائة تقريباً لأن الشكل المتدرج نجح في تقويم مسار القوة، مما ألغى حركة الالتواء التي تضعف الرابط عادةً. ومع ذلك، كشفت الدراسة أيضاً عن نتيجة مفاجلة ومناقضة للمنطق فيما يتعلق بالسمك؛ فبينما قد يفترض المرء أن اللوح الأكثر سمكاً سيكون دائماً أقوى، وجد الباحثون أن زيادة سمك اللوح من 2.0 ملم إلى 4.0 ملم جعلت الوصلات أضعف بالفعل. فقد فقد كل من التصميمين المتدرج والقياسي قوتهما مع زيادة سمك الألواح. ويكمكن السبب في هندسة منطقة التداخل؛ فاللوح الأكثر سمكاً يخلق ذراع رافعة أطول، مما يضاعف قوة الالتواء عند أطراف خط الغراء، مما يتسبب في فشل الوصلة في وقت مبكر رغم وجود مادة إضافية.

ولفهم سبب حدوث حالات الفشل هذه بدقة، أنشأ الفريق محاكاة حاسوبية مفصلة عملت بمثابة مجهر افتراضي. استخدموا نماذج رياضية متقدمة لتتبع كيفية تشوه المادة وتصدعها على المستوى المجهري. سمحت لهم المحاكاة برؤية ما يحدث داخل الوصلة أثناء سحبها، مما كشف عن اللحظات المحددة التي بدأ فيها الغراء بالانفصال ومتى بدأت ألياف الكربون نفسها في التكسر. طابقت النماذج الحاسوبية نتائج الاختبارات الواقعية بشكل شبه مثالي، مما أكد صحة فهمهم للفيزياء. وأظهرت عمليات المحاكاة أنه في وصلة التراكب المفرد القياسية، تسببت قوة الالتواء في انبعاج ألياف الكربون وتصدع المادة بالقرب من حواف الغراء، مما أدى إلى فشل مفاجئ. وفي المقابل، حافظت الوصلة المتدرجة على توزيع الإجهاد بشكل متساوٍ، مما منع تكون هذه الشقوق الضارة في ألياف الكربون وحصر الفشل في خط الغراء نفسه، وهو طريقة أكثر ضبطاً وتوقعاً لحدوث كسر في الوصلة.

تخلص الدراسة إلى أنه لأفضل أداء، يجب على المهندسين استخدام تصميم التراكب المتدرج مع الركيزة ذات السمك 2.0 ملم. يوفر هذا المزيج أعلى قوة من خلال الموازنة بين الحاجة إلى مسار قوة مستقيم والحاجة إلى تقليل عزم الالتواء الذي تسببه الألواح السميكة. كما أثبت البحث أن النمذجة الحاسوبية الحديثة، عندما تقترن بتقنيات التصنيع الدقيقة مثل الطحن باستخدام الحاسوب (CNC)، يمكنها التنبؤ بدقة بكيفية سلوك هذه الوصلات المعقدة. وهذا يعني أنه في المستقبل، يمكن للمصممين الاعتماد على هذه الأدوات الرقمية لإنشاء طائرات ومركبات أخف وأقوى دون الحاجة إلى بناء وكسر الكثير من النماذج الأولية الفيزيائية. ويؤكد هذا العمل أنه بينما لا يعني جعل الوصلة أكثر سمكاً أنها ستكون أقوى دائماً، فإن ضبط الشكل الصحيح يمكن أن يحدث فرقاً جوهرياً في مقدار الحمل الذي يمكن للهيكل حمله بأمان.