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

आधुनिक विमान तेजी से सिंथेटिक कपड़े की परतों से बनाए जा रहे हैं जिन्हें रेजिन (राल) में भिगोया जाता है, यह एक सामग्री है जिसे कंपोजिट के रूप में जाना जाता है। ये सामग्रियां इसलिए बेशकीमती हैं क्योंकि वे अविश्वसनीय रूप से मजबूत होने के साथ-साथ हल्की भी होती हैं, जिससे विमान अधिक ऊंचाई पर उड़ सकते हैं और कम ईंधन जलाते हैं। हालांकि, किसी भी अन्य सामग्री की तरह, वे प्रभाव या तनाव से क्षतिग्रस्त हो सकते हैं, जिससे अक्सर उनकी परतों के बीच छिपी हुई दरारें या छेद विकसित हो जाते हैं जो पूरे ढांचे को कमजोर कर देते हैं। जब कोई विमान क्षतिग्रस्त होता है, तो पूरे हिस्से को बदलना महंगा और बर्बादी भरा होता है। इसके बजाय, इंजीनियर अक्सर एक ऐसी मरम्मत तकनीक का उपयोग करते हैं जहाँ उसी मजबूत सामग्री का एक नया टुकड़ा क्षतिग्रस्त स्थान पर चिपका दिया जाता है, ठीक वैसे ही जैसे घाव पर पट्टी लगाई जाती है। चुनौती यह सुनिश्चित करने में निहित है कि वह पैच उड़ान के अत्यधिक दबाव में मजबूती से टिका रहे ताकि वह उखड़े नहीं या मूल संरचना विफल न हो जाए।

अल्जीरिया और रवांडा के विश्वविद्यालयों के शोधकर्ताओं की एक टीम ने यह समझने के लिए प्रयास किया कि जब इन चिपकाए गए पैच को अलग खींचने की कोशिश की जाती है, तो वे वास्तव में कैसे व्यवहार करते हैं। उन्होंने उन अदृश्य बलों पर ध्यान केंद्रित किया जो वहां काम करते हैं जहां पैच मूल प्लेट से मिलता है और सामग्री की अपनी परतों के बीच होते हैं। इसे करने के लिए, उन्होंने केवल सिद्धांत पर भरोसा नहीं किया; उन्होंने भौतिक नमूने बनाए और प्रयोगशाला में उनका परीक्षण किया, फिर उन नमूनों के विस्तृत 'डिजिटल ट्विन्स' (डिजिटल प्रतिरूप) बनाए ताकि यह देख सकें कि क्षति कैसे फैलती है। उनका लक्ष्य यह पता लगाना था कि पैच के भीतर रेशों (फाइबर्स) को व्यवस्थित करने का सबसे अच्छा तरीका क्या है ताकि वे भार को समान रूप से साझा कर सकें, जिससे गोंद विफल न हो और मरम्मत वाला हिस्सा अलग न हो जाए।

शोधकर्ताओं ने कार्बन फाइबर और एक मजबूत एपॉक्सी रेजिन का उपयोग करके अपने स्वयं के नमूने बनाना शुरू किया, जो एयरोस्पेस में एक सामान्य संयोजन है। उन्होंने इन नमूनों को विशिष्ट आकारों में काटा, जिनमें से कुछ चिकनी सतह वाले थे और कुछ में बीच में एक छेद ड्रिल किया गया था ताकि क्षति का अनुकरण किया जा सके। क्षतिग्रस्त नम들이 के लिए, उन्होंने उसी सामग्री से बना एक वर्गाकार पैच लगाया, जिसे एक विशेष एडहेसिव (गोंद) के साथ जोड़ा गया था। उन्होंने इन नमूनों को एक मशीन में तब तक खींचा जब तक कि वे टूट नहीं गए, और सावधानीपूर्वक मापा कि वे टूटने से पहले कितना बल सहन कर सकते थे और कितना खिंच सकते थे। उन्होंने टूटे हुए हिस्सों को सूक्ष्मदर्शी (माइक्रोस्कोप) के नीचे भी देखा ताकि यह देख सकें कि सामग्री वास्तव में कैसे विफल हुई, यह देखते हुए कि छेदों के कारण सामग्री एक सीधी, भंगुर रेखा में टूट गई, जबकि मरम्मत किए गए हिस्सों ने कई तलों (प्लेन्स) में टूटने का एक अधिक जटिल पैटर्न दिखाया।

इन टूट-फूट के पीछे के यांत्रिकी को समझने के लिए, टीम ने शक्तिशाली कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग किया। उन्होंने मरम्मत की गई प्लेट का एक त्रि-आयामी डिजिटल मॉडल बनाया, जिसे लाखों सूक्ष्म बिंदुओं में विभाजित किया गया ताकि हर स्थान पर तनाव (स्ट्रेस) को ट्रैक किया जा सके। उन्होंने विफलता की भविष्यवाणी करने के लिए दो उन्नत तरीकों का उपयोग किया। एक विधि ने कंप्यूटर को सामग्री के माध्यम से दरारें दिखने और बढ़ने का अनुकरण करने की अनुमति दी बिना मेश (जाल) को दोबारा बनाए, जबकि दूसरी विधि ने गोंद की पतली परत पर ध्यान केंद्रित किया, कि वह सतह से कैसे अलग होती है। उन्होंने पैच के भीतर परतों को स्टैक करने के विभिन्न तरीकों का परीक्षण किया, जिससे तनाव को बेहतर ढंग से संभालने के लिए रेशों के कोणों को बदला गया। उन्होंने कार्बन फाइबर से बने पैच की तुलना ग्लास फाइबर से बने पैच से की, और उन्होंने कार्बन और ग्लास फाइबर दोनों बेस प्लेटों पर इनका परीक्षण किया।

परिणामों से पता चला कि कंप्यूटर मॉडल अत्यधिक सटीक थे, जो वास्तविक दुनिया के परीक्षण परिणामों के साथ पांच प्रतिशत से भी कम के अंतर के साथ मेल खाते थे। इसने शोधकर्ताओं को विश्वास दिलाया कि उनके डिजिटल उपकरण विश्वसनीय रूप से यह भविष्यवाणी कर सकते हैं कि एक मरम्मत कैसा प्रदर्शन करेगी। जब उन्होंने मरम्मत की गई प्लेटों के भीतर तनाव का विश्लेषण किया, तो उन्होंने पाया कि रेशों की व्यवस्था अत्यंत महत्वपूर्ण थी। अधिकांश विन्यासों में, तनाव पैच के केंद्र में, ठीक उस छेद के आसपास केंद्रित था जहाँ क्षति हुई थी। हालांकि, एक विशिष्ट व्यवस्था विशिष्ट रूप से अलग थी। जब उन्होंने ग्लास फाइबर प्लेट पर ग्लास फाइबर का पैच इस्तेमाल किया, और परतों को कोणों के एक विशिष्ट वैकल्पिक पैटर्न में व्यवस्थित किया, तो तनाव वितरण उल्लेखनीय रूप से समान हो गया। इस इष्टतम सेटअप में, चरम तनाव (पीक स्ट्रेस) घटकर केवल पांच मेगापास्कल रह गया, जो अन्य डिजाइनों की तुलना में एक महत्वपूर्ण कमी थी जहाँ तनाव तीस मेगापास्कल तक पहुँच गया था।

अध्ययन ने यह भी खुलासा किया कि गोंद की परत स्वयं एक महत्वपूर्ण कमजोर बिंदु है। सिमुलेशन ने दिखाया कि एडहेसिव में उच्चतम तनाव पैच के मध्य में नहीं, बल्कि बिल्कुल किनारों पर था जहाँ पैच समाप्त होता है। यही वह जगह है जहाँ गोंद के उखड़ने की सबसे अधिक संभावना होती है। शोधकर्ताओं ने पाया कि पैच और बेस प्लेट के लिए उपयोग की जाने वाली सामग्री का प्रकार यह बदल देता है कि किनारे के तनाव कैसे व्यवहार करते हैं। उदाहरण के लिए, जब कार्बन प्लेट पर कार्बन पैच का उपयोग किया गया, तो किनारों पर तनाव काफी अधिक था, लेकिन जब ग्लास सामग्रियों का उपयोग किया गया, तो तनाव का स्तर आम तौर पर कम और प्रबंधनीय था। टीम ने निष्कर्ष निकाला कि केवल एक पैच चिपकाना पर्याप्त नहीं है; पैच की आंतरिक संरचना को उस भार के अनुरूप सावधानीपूर्वक डिजाइन किया जाना चाहिए जिसे वह वहन करेगा। रेशों के ओरिएंटेशन (दिशा) और सामग्री के सही संयोजन को चुनकर, इंजीनियर ऐसी मरम्मत बना सकते हैं जो न केवल अस्थायी समाधान हैं, बल्कि संरचना की मजबूती और सुरक्षा को बहाल करने वाले टिकाऊ समाधान भी हैं।