Numerical and Experimental analysis of interlaminar stresses in bonded composite patch repairs

تُبنى الطائرات الحديثة بشكل متزايد من طبقات من الأقمشة الاصطناعية المشبعة بالراتنج، وهي مادة تُعرف باسم "المواد المركبة". وتُعد هذه المواد ثمينة لأنها قوية للغاية وخفيفة الوزن في آن واحد، مما يسمح للطائرات بالتحليق على ارتفاعات أعلى واستهلاك وقود أقل. ومع ذلك، مثل أي مادة أخرى، يمكن أن تتعرض هذه المواد للتلف نتيجة الصدمات أو الإجهاد، حيث تظهر غالباً شقوق خفية بين طبقاتها أو ثقوب تضعف الهيكل بأكمله. وعندما تتعرض الطائرة للتلف، فإن استبدال الجزء بالكامل يكون مكلفاً ومبدداً للموارد. بدلاً من ذلك، غالباً ما يستخدم المهندسون تقنية إصلاح تتمثل في لصق قطعة جديدة من نفس المادة القوية فوق مكان التلف، تماماً مثل وضع ضمادة على جرح. ويكمن التحدي في ضمان صمود هذه الرقعة بقوة تحت ضغط الطيران الهائل دون أن تنزع أو تسبب فشلاً في الهيكل الأساسي.

لقد سعى فريق من الباحثين من جامعات في الجزائر ورواندا إلى فهم كيفية سلوك هذه الرقع الملصقة عند شدها بعيداً عن بعضها البعض. وقد ركزوا على القوى غير المرئية التي تعمل عند نقطة التقاء الرقعة باللوح الأصلي وبين طبقات المادة نفسها. ولتحقيق ذلك، لم يعتمدوا على النظرية فحسب؛ بل صنعوا عينات فيزيائية واختبروها في المختبر، ثم أنشأوا "توائم رقمية" مفصلة لتلك العينات لمراقبة كيفية انتشار الضرر. وكان هدفهم هو إيجال أفضل طريقة لترتيب الألياف داخل الرقعة بحيث توزع الحمل بالتساوي، مما يمنع الغراء من الفشل ويمنع عملية الإصلاح من الانهيار.

بدأ الباحثون بإنشاء عيناتهم الخاصة باستخدام ألياف الكربون وراتنج الإيبوكسي المتين، وهو مزيج شائع الاستخدام في مجال الطيران. وقاموا بقطع هذه العينات إلى أشكال محددة، بعضها بسطح أملس والبعض الآخر يحتوي على ثقب محفور في المنتصف لمحاكاة الضرر. وبالنسبة للعينات المتضررة، قاموا بتطبيق رقعة مربعة من نفس المادة، مع لصقها باستخدام مادة لاصقة متخصصة. واختبروا هذه العينات في آلة سحبتها بعيداً عن بعضها حتى انكسرت، مع قياس مقدار القوة التي يمكنها تحملها ومقدار تمددها قبل الفشل بدقة. كما فحصوا القطع المكسورة تحت المجهر لرؤية كيف استسلمت المادة بالضبط، ملاحظين أن الثقوب جعلت المادة تنكسر في خط مستقيم وهش، بينما أظهرت القطع التي تم إصلاحها نمط كسر أكثر تعقيداً عبر مستويات متعددة.

ولفهم الميكانيكا الكامنة وراء هذه الكسور، لجأ الفريق إلى عمليات المحاكاة الحاسوبية القوية. فقد بنوا نموذجاً رقمياً ثلاثي الأبعاد للوح المُصلح، مع تقسيمه إلى ملايين النقاط الصغيرة لتتبع الإجهاد في كل موقع. واستخدموا طريقتين متقدمتين للتنبؤ بالفشل؛ سمحت إحدى الطريقتين للحاسوب بمحاكاة ظهور الشقوق ونموها عبر المادة دون الحاجة إلى إعادة رسم الشبكة (mesh)، بينما ركزت الطريقة الأخرى على طبقة الغراء الرقيقة، ونمذجة كيفية انفصالها عن السطح. واختبروا طرقاً مختلفة لتكديس الطبقات داخل الرقعة، مع تغيير زوايا الألياف لمعرفة أي ترتيب يتعامل مع الإجهاد بشكل أفضل. كما قارنوا بين الرقع المصنوعة من ألياف الكربون وتلك المصنوعة من ألياف الزجاج، واختبروا كلاهما على ألواح أساسية من الكربون وأخرى من الزجاج.

وأظهرت النتائج أن النماذج الحاسوبية كانت دقيقة للغاية، حيث طابقت نتائج الاختبارات الواقعية بنسبة انحراف تقل عن خمسة بالمئة. وقد منح هذا الباحثين الثقة في أن أدواتهم الرقمية يمكنها التنبؤ بكيفية أداء عملية الإصلاح بشكل موثوق. وعند تحليل الإجهاد داخل الألواح المُصلحة، وجدوا أن ترتيب الألياف كان بالغ الأهمية. ففي معظم التكوينات، يتركز الإجهاد بشدة في مركز الرقعة، وتحديداً حول الثقب حيث وقع الضرر. ومع ذلك، برز ترتيب محدد من بينها؛ فعندما استخدموا رقعة مصنوعة من ألياف الزجاج على لوح من ألياف الزجاج، ورتبوا الطبقات في نمط متبادل من الزوايا، أصبح توزيع الإجهاد متساوياً بشكل ملحوظ. وفي هذا الإعداد الأمثل، انخفض ذروة الإجهاد إلى خمسة ميجاباسكال فقط، وهو انخفاض كبير مقارنة بالتصاميم الأخرى حيث وصل الإجهاد إلى ثلاثين ميجاباسكال.

كما كشفت الدراسة أن طبقة الغراء نفسها هي نقطة ضعف حرجة. فقد أظهرت عمليات المحاكاة أن أعلى إجهاد في المادة اللاصقة لم يكن في منتصف الرقعة، بل عند الحواف تماماً حيث تنتهي الرقعة، وهذا هو المكان الذي يحتمل فيه أن يبدأ الغراء في الانفصال (التقشر). ووجد الباحثون أن نوع المادة المستخدمة للرقعة واللوح الأساسي يغير كيفية سلوك إجهادات الحواف هذه. فعلى سبيل المثال، عندما استُخدمت رقعة كربونية على لوح كربوني، كان الإجهاد عند الحواف مرتفعاً جداً، ولكن عندما استُخدمت مواد زجاجية، كانت مستويات الإجهاد عموماً أقل وأكثر قابلية للسيطرة. وخلص الفريق إلى أن مجرد لصق رقعة ليس كافياً؛ بل يجب تصميم الهيكل الداخلي لتلك الرقعة بعناية ليتناسب مع الحمل الذي ستتحمله. ومن خلال اختيار التوجه الصحيح للألياف ومزيج المواد المناسب، يمكن للمهندسين إنشاء إصلاحات ليست مجرد حلول مؤقتة، بل حلول متينة تستعيد قوة وسلامة الهيكل.