Influence of selected method to estimate composite material elasticity properties on results of finite element analysis

• Autorzy: Juzuń Mateusz

Warianty tytułu

PL

Wpływ wybranej metdoy oszacowania wartości współczynników sprężystości materiału kompozytowego na wyniki analizy metodą elementów skończonych

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

To perform accurate finite element analysis of composite materials, it is a necessity to enter the correct value of the material properties during model preparation. Since composites consist of at least two components with quite different properties, it is necessary to calculate the resultant properties of the final material. There are a few methods for estimating these parameters. This paper focused on two methods referred to as the Rule of Mixture model, and the Halpin-Tsai model. In the first section, the basic elastic properties of the component materials were cited, then in the next part of paper the elastic properties of the composites were calculated using the aforementioned method. During the calculations both methods were described, along with the range of their application in reality. The parameters were calculated for several composites differing in the percentage of fibers in the composite to present changes in the coefficients on a common graph. All the moduli are collected and presented on graphs. One material was then chosen and used for further analysis. In the next step, finite element analysis (FEA) was performed to estimate the impact of the selected method for determining the material elastic properties on the results of the analysis. FEA analysis was performed using ANSYS Workbench 19.1 ACP Pre/Post software, which allows users to manually enter the properties of the studied materials. The sample was modelled as a laminate, consisting of layers - laminas arranged angularly in relation to each other, which are arranged symmetrically with respect to the median plane of the sample. Two analyses were carried out and then the differences in the final results of the strain values were presented in table form, which indicate the percentage differences between them. This allows one to specify which model of estimating the elastic properties is more precise in the studied case and when it is worth using a more precise method of estimating these values.

PL

Do przeprowadzenia dokładnej analizy z wykorzystaniem metody elementów skończonych dla materiałów kompozytowych konieczne jest wprowadzenie podczas przygotowania modelu odpowiedniej wartości dla współczynników charakteryzujących materiał. Ponieważ kompozyty składają się z minimum dwóch składników, różniących się między sobą właściwościami, konieczne jest oszacowanie parametrów wynikowych. Istnieje kilka metod pozwalających na oszacowanie tych parametrów. Artykuł skupia się na dwóch modelach określanych odpowiednio jako Rule of Mixture oraz Halpin-Tsai. Na samym początku przytoczono podstawowe właściwości sprężyste materiałów składowych, następnie wyliczono właściwości sprężyste kompozytów z wykorzystaniem wspomnianych wcześniej metod. Tymi parametrami są: moduł elastyczności wzdłużnej, moduł elastyczności poprzecznej, współczynnik Poissona, moduł ścinania w płaszczyźnie XY. Podczas obliczeń zostały opisane obie metody wraz z zakresem ich zastosowania w rzeczywistości. Parametry obliczono dla kilku kompozytów różniących się procentowym udziałem włókien w kompozycie w celu zaprezentowania zmian współczynników na wspólnym wykresie. Następnie jeden materiał wybrano do przeprowadzenia dalszej analizy. W kolejnym kroku przeprowadzono analizę z wykorzystaniem MES w celu oszacowania wielkości wpływu dobranej metody określania własności sprężystych materiału na wyniki analizy. Do przeprowadzenia analizy użyto oprogramowania ANSYS Workbench 19.1 ACP Pre/Post, które pozwala na ręczne wprowadzenie parametrów nowo utworzonego materiału kompozytowego. Próbka została zamodelowana jako laminat, składający się z warstw - lamin ułożonych kątowo w stosunku do siebie, które rozmieszczone są symetrycznie względem płaszczyzny środkowej próbki. Przeprowadzone zostały dwie analizy, które pozwoliły zaprezentować różnice w wydłużeniach próbek. To pozwala na sprecyzowanie, który model oszacowania parametrów elastycznych jest bardziej dokładny w badanym przypadku oraz kiedy warto używać bardziej precyzyjnej metody szacowania tych wartości.

Słowa kluczowe

EN

material properties; composite materials; Young modulus for composites; finite element method

PL

właściwości materiałowe; materiały kompozytowe; moduł Younga dla kompozytów; metoda elementów skończonych

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Materiałów Kompozytowych
• Czasopismo: Composites Theory and Practice
• Rocznik: 2019
• Tom: R. 19, nr 1
• Strony: 34--39
• Opis fizyczny: Bibliogr. 9 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Juzuń Mateusz

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

Bibliografia

• [1] Królikowski W., Polimerowe kompozyty konstrukcyjne, WN PWN, Warszawa 2017.
• [2] http://www.mse.mtu.edu/~drjohn/my4150/props.html (access 10.12.2018).
• [3] Lamers E.A.D., Review on Micromechanical Modelling, University of Twente Department of Mechanical Engineering Composites Group, 29 September 1999.
• [4] Hyla I., Śleziona J., Kompozyty, Elementy: mechaniki i projektowania, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 2004.
• [5] Jones R.M., Mechanics of Composite Materials, Taylor & Francis Inc, 1999.
• [6] Kurukuri Srihari, A Review of Homogenization Techniques for Heterogeneous Materials, Term Paper - March 2004.
• [7] Bhagwan D. Agarwal, Lawrence J. Broutman, K. Cahndrashekhara, Analysis and Performance of Fiber Composites, Wiley, New York 1980.
• [8] Mallick P.K., Fiber-Reinforced Composites: Materials, Manufacturing and Design, Taylor & Francis, 2007.
• [9] https://www.sharcnet.ca/Software/Ansys/17.0/en-us/help/acp_ug/acp_failure_criteria.html

Uwagi

Opracowanie rekordu w ramach umowy 509/P-DUN/2018 ze środków MNiSW przeznaczonych na działalność upowszechniającą naukę (2019).