Numerical modeling of low-cycle fatigue of fiber reinforced composite

• Autorzy: Majerski K. , Surowska B. , Bieniaś J.

Warianty tytułu

PL

Modelowanie zmęczenia niskocyklowego kompozytu włóknistego

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The aim of this paper is to present the adoption of the progressive damage model to describe the degradation of polymer composites under ultra-low-cycle fatigue. The first part of the paper is devoted to the presentation of the approach and discussion of the theoretical aspects of the numerical model. The model contains three states describing the material degradation process: undamaged response, point of damage initiation and damage evolution. The second part is devoted to the implementation of the presented model to describe the fatigue life of the polymer composite under ultra-low cycle fatigue. A polymer composite comprising unidirectional layers was modeled as linear elastic with progressive stiffness degradation. The model was loaded in cyclic tension with a sinusoidal waveform. Numerical modeling has been performed using Abaqus software. The results of the numerical analysis results were compared with the experimental results taken from literature.

PL

Celem pracy jest wskazanie na możliwość implementacji progresywnego modelu zniszczenia do opisu degradacji kompozytu polimerowego wzmacnianego włóknami szklanymi w różnych konfiguracjach w warunkach zmęczenia niskocyklowego o bardzo małej liczbie cykli. W pierwszej części pracy nakreślono ważniejsze aspekty związane z modelowaniem polimerowego kompozytu włóknistego z wykorzystaniem progresywnego modelu zniszczenia zaproponowanego przez Z. Hashina. Opis stanu kompozytu zawiera odpowiedź materiału w stanie wyjściowym oraz identyfikuje zjawiska inicjacji i rozwoju zniszczenia w objętości laminatu. Druga część pracy poświęcona jest próbie implementacji modelu w środowisku metody elementów skończonych. Do modelowania degradacji kompozytu pod działaniem cyklicznych obciążeń podkrytycznych o wartości zbliżonej do wytrzymałości statycznej wykorzystano oprogramowanie Abaqus. Analizę statyczną oraz niskocyklową przeprowadzono dla laminatów złożonych z warstw jednokierunkowych o układach: [0], [0,90]s, [±45]4s. Podczas analizy wykorzystano modele próbek kompozytowych o geometrii zgodnej z normą ASTM 3039D. W pierwszym etapie przeprowadzono próbę statyczną w celu weryfikacji modelu. Następnie model poddano cyklicznym obciążeniom sterowanym przemieszczeniem o wartościach odpowiadających: 0,98; 0,96; 0,94; 0,92; 0,9 poziomu naprężeń niszczących w próbie statycznej dla odpowiedniego układu warstw. W przeprowadzonych analizach uzyskano zadowalającą zgodność wyników modelowania z eksperymentami. Wskazano przebiegi funkcji poszczególnych parametrów opisujących zniszczenie komponentów laminatów w zależności od orientacji warstw wzmacniających.

Słowa kluczowe

EN

polymer composite; numerical modelling; low-cycle fatigue; progressive degradation

PL

kompozyty polimerowe; modelowanie numeryczne; zmęczenie niskocyklowe; model progresywnego zniszczenia

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Materiałów Kompozytowych
• Czasopismo: Composites Theory and Practice
• Rocznik: 2014
• Tom: R. 14, nr 4
• Strony: 197--202
• Opis fizyczny: Bibliogr. 12 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Majerski K.

• Lublin University of Technology, Faculty of Mechanical Engineering, Department of Materials Engineering, ul. Nadbystrzycka 36, 20-618 Lublin, Poland

autor

Surowska B.

• Lublin University of Technology, Faculty of Mechanical Engineering, Department of Materials Engineering, ul. Nadbystrzycka 36, 20-618 Lublin, Poland

autor

Bieniaś J.

• Lublin University of Technology, Faculty of Mechanical Engineering, Department of Materials Engineering, ul. Nadbystrzycka 36, 20-618 Lublin, Poland

Bibliografia

• [1] Campbell F.C., Manufacturing Technology for Aerospace Structural Materials, Elsevier, London 2006.
• [2] Mouritz A., Introduction to Aerospace Materials, Elsevier, 2012.
• [3] Gamstedt E.K., Fatigue damage mechanisms in unidirectional carbon-fibre-reinforced plastics, Journal of Materials Science 1999, 34, 2535-2546.
• [4] Degrieck J., Van Paepegem W., Fatigue damage modeling of fibre-reinforced composite materials: Review, Appl. Mech. Rev.2001, 54, 279-300.
• [5] Muc A., Design of composite structures under cyclic loads, Computers & Structures 2000, 76, 211-218.
• [6] Lapczyk I., Hurtado J.A., Progressive damage modeling in fiber-reinforced materials, Composites, Part A, 2007, 38, 2333-2341.
• [7] Hashin Z., Failure Criteria for unidirectional fiber composites, Journal of Applied Mechanics 1980, 47, 329-334.
• [8] German J., Mikulski Z., Zastosowanie koncepcji uszkodzeń kontynualnych do opisu progresywnego zniszczenia laminatów kompozytowych, Mechanika 2010, 9, 27-41.
• [9] Hashin Z., Rotem A., A fatigue criterion for fiber reinforced materials, Scientific report No. 3, EOAR, USAF 1973.
• [10] Bazant Z.P., Oh B.H., Crack band theory for fracture of concrete, Materials and Structures 1983, 16, 155-177.
• [11] Agarwal B.D., Dally W., Prediction of low-cycle fatigue behavior of GFRP: an experimental approach, Journal of Materials Science 1975, 10, 193-199.
• [12] Petermann J., Plumtree A., A unified fatigue failure criterion for unidirectional laminates, Composites, Part A 2001, 32, 107-118.