Evaluation of critical self-heating temperature of composite structures based on analysis of microcrack development

• Autorzy: Katunin A. , Wronkowicz A. , Bilewicz M.

Warianty tytułu

PL

Ocena krytycznej temperatury samorozgrzania struktur kompozytowych na podstawie analizy rozwoju mikropęknięć

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The self-heating effect occurring during the cyclic loading of polymers and polymeric composites may initiate accelerated thermally induced fatigue processes, which causes a rapid increase in the self-heating temperature at a location of stress concentration and, as a consequence, sudden structural degradation. Therefore, it is essential to investigate this process and determine the criticality of the self-heating effect, i.e. the critical value of temperature which initiates accelerated degradation processes. In this paper, an aspect of microcrack formation and development was considered as an indicator which reflects the degradation degree of a structure. Microscopic observation of microcrack development at progressive temperature values was chosen due to its high sensitivity to the initiation of fracture processes among applied measurement techniques to evaluate structural degradation during fatigue tests. Appropriate image processing techniques as well as quantitative measures to describe microcrack development enable evaluation of the criticality of the self-heating effect using this approach and comparison of the obtained results with those obtained by other measurement techniques. The specified critical value of self-heating temperature allows determination of a safe temperature range for heavily loaded structures made of polymeric composites, which can be helpful both during the design stage as well as at the operating stage of composite structures.

PL

Efekt samorozgrzania, powstający podczas cyklicznych obciążeń polimerów i kompozytów polimerowych, może zainicjować przyspieszone indukowane termicznie procesy zmęczeniowe, co powoduje szybki wzrost temperatury samorozgrzania w miejscu koncentracji naprężeń i w konsekwencji nagłą degradację strukturalną. Dlatego istotne jest zbadanie tego procesu i określenie krytyczności efektu samorozgrzania, tj. krytycznej wartości temperatury, która inicjuje przyspieszone procesy degradacji. W artykule aspekt formowania i rozwoju mikropęknięć uwzględniono jako czynnik, który odzwierciedla stopień degradacji struktury. Obserwacja mikroskopowa rozwoju mikropęknięć przy narastających wartościach temperatury została wybrana dzięki wysokiej wrażliwości na inicjację procesów zniszczenia spośród technik pomiarowych stosowanych do oceny degradacji strukturalnej podczas testów zmęczeniowych. Odpowiednie techniki przetwarzania obrazów oraz miary ilościowe do opisu rozwoju mikropęknięć pozwoliły na ocenę krytyczności efektu samorozgrzania, wykorzystując takie podejście, oraz na porównanie otrzymanych wyników z wynikami uzyskanymi z wykorzystaniem innych technik pomiarowych. Wyznaczona wartość krytyczna temperatury samorozgrzania pozwoliła na określenie bezpiecznego przedziału temperaturowego dla silnie obciążanych struktur wykonanych z kompozytów polimerowych, co może być pomocne zarówno na etapie projektowania, jak i podczas eksploatacji struktur kompozytowych.

Słowa kluczowe

EN

self-heating effect; microcracks development; crack density; degradation of composite structures

PL

efekt samorozgrzania; rozwój mikropęknięć; gęstość pęknięć; degradacja struktur kompozytowych

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Materiałów Kompozytowych
• Czasopismo: Composites Theory and Practice
• Rocznik: 2017
• Tom: R. 17, nr 1
• Strony: 9--13
• Opis fizyczny: Bibliogr. 13 poz., rys.

Twórcy

autor

Katunin A.

• Silesian University of Technology, Institute of Fundamentals of Machinery Design, ul. Konarskiego 18A, 44-100 Gliwice, Poland

autor

Wronkowicz A.

• Silesian University of Technology, Institute of Fundamentals of Machinery Design, ul. Konarskiego 18A, 44-100 Gliwice, Poland

autor

Bilewicz M.

• Silesian University of Technology, Institute of Engineering Materials and Biomaterials, ul. Konarskiego 18A, 44-100 Gliwice, Poland

Bibliografia

• [1] Katunin A., Fidali M., Fatigue and thermal failure of polymeric composites subjected to cyclic loading, Advanced Composites Letters 2012, 21, 63-69.
• [2] Naderi M., Kahirdeh A., Khonsari M.M., Dissipated thermal energy and damage evolution of glass/epoxy using infrared thermography and acoustic emission, Composites: Part B 2012, 43, 1613-1620.
• [3] Kahirdeh A., Khonsari M.M., Criticality of degradation in composite materials subjected to cyclic loading, Composites: Part B 2014, 61, 375-382.
• [4] Rittel D., An investigation of the heat generated during cyclic loading of two glassy polymers. Part I: Experimental, Mechanics of Materials 2000, 32, 131-147.
• [5] Katunin A., Critical self-heating temperature during fatigue of polymeric composites under cyclic loading, Composites Theory and Practice 2012, 12, 72-76.
• [6] Kahirdeh A., Khonsari M.M., Energy dissipation in the course of the fatigue degradation: Mathematical derivation and experimental quantification, International Journal of Solids and Structures 2015, 77, 74-85.
• [7] Magi F., Di Maio D., Sever I., Damage initiation and structural degradation through resonance vibration: Application to composite laminates in fatigue, Composites Science and Technology 2016, 132, 47-56.
• [8] Naderi M., Khonsari M.M., Thermodynamic analysis of fatigue failure in a composite laminate, Mechanics of Materials 2012, 46, 113-122.
• [9] Katunin A., Analysis of temperature distribution in composite plates during thermal fatigue, Modelowanie Inżynierskie 2013, 47 99-105.
• [10] O’Brien F.J., Taylor D., Lee T.C., Microcrack accumulation at different intervals during fatigue testing of compact bones, Journal of Biomechanics 2003, 36, 973-980.
• [11] Giannadakis K., Varna J., Effect of thermal aging and fatigue on failure resistance of aerospace composite materials, IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering 2009, 5, 012020.
• [12] Montesano J., Fawaz Z., Poon C., Behdinan K., A microscopic investigation of failure mechanisms in a triaxially braided polyamide composite at room and elevated temperatures, Materials and Design 2014, 53, 1026-1036.
• [13] Yudhanto A., Lubineau G., Vetnura I.A., Watanabe N., Iwahori Y., Hoshi H., Damage characteristics in 3D stitched composites with various stitch parameters under in-plane tension, Composites: Part A 2015, 71, 17-31.

Uwagi

Opracowanie ze środków MNiSW w ramach umowy 812/P-DUN/2016 na działalność upowszechniającą naukę (zadania 2017).