Metoda homogenizacji w modelowaniu materiałów kompozytowych wzmocnionych włóknem ciągłym ułożonym według wzorów mozaikowych

• Autorzy: Błażejewski W. , Czapliński T. , Ziętek G.

Warianty tytułu

EN

Homogenization method for modeling of composite materials reinforced with continuous fibers laid out by mosaic patterns

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

W pracy przedstawiono idee wyznaczania parametrów materiałowych kompozytowych zbiorników wysokociśnieniowych wytwarzanych metodą nawijania. Nierozłącznym i charakterystycznym efektem procesu nawijania jest układanie się wiązek wzmocnienia we wzorach mozaikowych, które w sposób istotny wpływają na wartości parametrów materiałowych. Zaproponowano metodę homogenizacji dwustopniowej. Pierwszy etap homogenizacji służy do wyznaczenia właściwości mechanicznych wiązki materiału kompozytowego z jednokierunkowo ułożonymi włóknami. W drugim etapie, gdy znane są już efektywne właściwości materiałowe wiązki, wyodrębniono cztery rodzaje komórek reprezentatywnych RVE (ang. Representative Volume Element) opisujące wzór mozaikowy, czyli charakterystyczne elementy geometrii wzoru. Zastosowano zarówno homogenizację analityczną (etap pierwszy) jak i numeryczną (etap drugi). Zaproponowany sposób modelowania próbek rurowych wydaje się dobrze odzwierciedlać zaobserwowane wyniki prac eksperymentalnych.

EN

This paper presents the idea of determining the material parameters of composite pressure vessels manufactured by filament winding. An inseparable and characteristic effect of the winding process is the placement of reinforcement tows in mosaic patterns, which significantly affect the values of material parameters. We propose a two-stage homogenization method. The first stage of the homogenization is used to determine the mechanical properties of the composite material tow with unidirectionally aligned fibers. In the second stage, when the effective material properties of the tow are already known, four distinct types of RVE (Representative Volume Element) describing a mosaic pattern were found, i.e. the characteristic elements of the geometry of the pattern. Both analytical homogenization (first stage) as well as numeric (second stage) were used. The proposed method of modeling tube specimens seems to accurately reflect the observed results of the experimental work.

Słowa kluczowe

PL

zbiornik kompozytowy; zbiornik ciśnieniowy; materiał kompozytowy; włókno ciągłe; wzór mozaikowy; metoda homogenizacji; homogenizacja; metoda nawijania; reprezentatywny element objętości

EN

composite vessel; pressure vessel; composite material; continuous fibre; mosaic pattern; homogenization method; homogenization; filament winding; representative volume element

• Wydawca: Sieć Badawcza Łukasiewicz – Instytut Inżynierii Materiałów Polimerowych i Barwników
• Czasopismo: Przetwórstwo Tworzyw
• Rocznik: 2014
• Tom: [R.] 20, nr 6 (162)
• Strony: 482--488
• Opis fizyczny: Bibliogr. 18 poz., rys.

Twórcy

autor

Błażejewski W.

• Politechnika Wrocławska, Instytut Materiałoznawstwa i Mechaniki Technicznej, Wrocław

autor

Czapliński T.

• Politechnika Wrocławska, Instytut Materiałoznawstwa i Mechaniki Technicznej, Wrocław

autor

Ziętek G.

• Politechnika Wrocławska, Instytut Materiałoznawstwa i Mechaniki Technicznej, Wrocław

Bibliografia

• [1] KRÓLIKOWSKI W., Polimerowe kompozyty konstrukcyjne, PWN, 2012, s. 235-241.
• [2] BŁAZEJEWSKI W., Zastosowanie metody tablicowej w projektowaniu oplotu kompozytowego butli wysokociśnieniowych, Kompozyty. 2010, 10, 2, s. 154-158.
• [3] BŁAZEJEWSKI W., Zasady doboru struktur nawijania zbiorników wysokociśnieniowych, Polimery i kompozyty konstrukcyjne, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, 2008, s. 19-28.
• [4] BŁAZEJEWSKI W., JUSKOWIAK E., MAZULIS J., RYBCZYNSKI R., Analiza struktury kompozytowej ścianki nośnej zbiorników wysoko sprężonych paliw gazowych, referat konf. Poraj, Kompozyty Teoria i Praktyka, 2012, oraz Kompozyty, 2013 (w przygotowaniu).
• [5] MOROZOV E.V., The effect of filament-winding mosaic patterns on the strength of thin-walled composite shells, Composite structures, 2006, 76, s. 123-129.
• [6] MIAN H. H., RAHMAN H., Influence of mosaic patterns on the structural integrity of filament wound composite pressure vessels, International J. of Structural Integrity, 2011, 2, 3, s. 354-356.
• [7] ZINDEL D., BAKIS CH. E., Nonlinear micromechanical Model of filament-wound composites fibre undulation, Mechanics of Composite Materials, 03.2011,47, 1, s. 73-94.
• [8] ZHANG Y., XIA Z., ELLYIN F., Two-scale analysis of a filament-wound cylindrical structure and application of periodic boundary conditions, Int. J. of Solids and Structures, 2008, 45, s. 5322-5336.
• [9] ESHELBY J.D., The Determination of the Elastic Field of an Ellipsoidal Inclusion and Related Problems, Proceedings of the Royal Society, A241, 1957, s. 376-396.
• [10] ESHELBY J.D., The Elastic Field Outsied an Ellipsoidal Inclusion, Proceedings of the Royal Society, A252, 1959, s. 561-569.
• [11] MORI T., TANAKA K., Avarage Stress in the Matrix and Avarage Elastic Energy of Materials with Misfitting Inclusions, Acts Metall., 21, 1973, s. 571-574.
• [12] GOMMERS B., VERPOEST I., VAN HOUTTE P., The Mori-Tanaka Method Applied to Textile Composite Materials, Acta mater., 46, 1998, s. 2223-2235.
• [13] LOMOV S.V., IVANOV D.S., VERPOEST I., ZAKO M., KURASHIKI T., NAKAI H., HIROSAWA S., Meso-FE modelling of textile composites: Road mao, data flow and algorithms, Composites Science and Technology, 67, 2007, s. 1870-1891.
• [14] XIONGQIPENG, JIAN CAO, A dual homogenization and finite element approach for material characterization of textile composites, Composites: Part B33, 2002, s. 45-56.
• [15] TVERGAARD, V., Model studies of fibre breakage and debonding in a metal reinforced by short fibres, Journal of Mechanics and Physics of Solids, 36(1), 1988, s. 29-58.
• [16] R. LUCIANO, E. J. BARBERO, Formulas for the stiffness of composites with periodic microstructure. t. J. Solids Structures Vol. 31, No. 21, pp. 2933-2944, 1994
• [17] NEMAT-NASSER, S. AND TAYA, M. (1985). On effective moduli of an elastic body containing periodically distributed voids: comments and corrections. Q. Appl. Math. 43, 187-188
• [18] NEMAT-NASSER, S., IWAKUMA, T. AND HEJAZI, M. (1982). On composites with periodic structure. Mech. Mater. 1, 239-267.