Evaluation of behavior of stitched epoxy-carbon fiber laminate under static bending conditions using simplified analysis of failure energy

• Autorzy: Kozioł Mateusz , Mazurkiewicz Rafał

Warianty tytułu

PL

Ocena zachowania zszywanego laminatu epoksydowo-węglowego w warunkach statycznego zginania z użyciem uproszczonej analizy energii zniszczenia

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The paper presents the attempt to assess the failure progress of a stitched carbon fiber reinforced plastic (CFRP) laminate by means of simple analysis of the failure energy after static bending tests. A laminate reinforced with a carbon twill weave (2/2) fabric, areal mass of 200 g/m2 in the form of 10 layer preforms was used for the tests. Some of the preforms were machine-stitched with a Kevlar 50 thread in lines with a 4 mm stitch length and 5 mm stitch spacing. The matrix of the composites was epoxy resin and the panels were molded by RTM. Curing took place at room temperature for three days. A fiber volume fraction of 50.5÷51.5% was obtained. Static bending tests were carried out on samples of the manufactured materials. The obtained bending curves were subjected to a simple analysis of failure energy. It consisted in determining the energy corresponding to individual stages of the material destruction progress (i.e. the areas under the bending curve) as well as direct and comparative assessment of the determined values. It was found that the applied methodology of simple analysis of the failure process energy allows effective analysis of the failure progress of materials. The total failure energy obtained by the tested laminates in the main directions is: for unstitched about 8% higher than for stitched loaded in the direction along the stitch lines and about 15% higher than for stitched loaded transversely to the stitch lines. This means that less energy is needed to destroy a stitched laminate than to destroy an unstitched one. However, a stitched laminate exhibits a higher value of failure development energy at a later stage of the failure process, which translates into its greater residual load capacity compared to the unstitched one. It was also found that the DI factor (defined as the ratio of energy used to develop the failure process to the energy used to initiate the failure process) is higher for the stitched laminate than for the unstitched one. This trend applies to all the main load directions. This means that the stitched laminate is less fragile than the unstitched one. Analysis of the obtained results indicates that the stitched CFRP laminate is a material with a safer course of destruction than a corresponding unstitched one.

PL

Przedstawiono próbę oceny przebiegu zniszczenia zszywanego laminatu epoksydowo-węglowego (CFRP) za pomocą analizy energii zniszczenia, z użyciem oryginalnej metodologii prostej analizy energii zniszczenia w próbie zginania. Do badań wykorzystano laminat wzmocniony tkaniną węglową o splocie skośnym (2/2) i gramaturze 200 g/m2, w postaci 10 warstwowych preform. Część preform przeszyto maszynowo nicią Kevlar 50, jednokierunkowo, z długością ściegu 4 mm i odległością między liniami szwów 5 mm. Osnowę kompozytów stanowiła żywica epoksydowa, płyty laminatowe formowano metodą RTM. Dotwardzanie odbyło się w temperaturze pokojowej przez okres 3 dób. Uzyskano udział objętościowy włókien na poziomie 50,5÷51,5%. Na próbkach wytworzonych materiałów przeprowadzono próby statycznego zginania. Uzyskane krzywe zginania poddano prostej analizie energii zniszczenia. Polegała ona na wyznaczeniu energii odpowiadającej poszczególnym etapom postępu zniszczenia materiału (czyli pola powierzchni pod krzywą zginania) i ocenie bezpośredniej oraz porównawczej wyznaczonych wartości. Stwierdzono, że zastosowana metodyka prostej analizy energii procesu zniszczenia pozwala skutecznie analizować przebieg zniszczenia materiałów. Całkowita energia zniszczenia uzyskana w badanych laminatach, w kierunkach głównych, jest dla laminatu niezszywanego o ok. 8% większa niż dla zszywanego obciążanego w kierunku wzdłuż linii szwów i o ok. 15% większa niż dla zszywanego obciążanego poprzecznie do linii szwów. Oznacza to, że dla zniszczenia laminatu zszywanego potrzeba mniej energii niż dla zniszczenia niezszywanego. Jednakże, laminat zszywany wykazuje większą wartość energii rozwoju zniszczenia na późniejszym etapie procesu zniszczenia, co przekłada się na jego większą nośność resztkową w porównaniu z niezszywanym. Stwierdzono też, że dla laminatu zszywanego wskaźnik DI (definiowany przez stosunek energii zużytej na rozwój procesu zniszczenia do energii zużytej na zainicjowanie procesu zniszczenia) jest wyższy niż dla niezszywanego. Trend ten dotyczy wszystkich istotnych kierunków obciążania. Oznacza to, że laminat zszywany jest mniej kruchy niż odpowiedni laminat niezszywany. Analiza uzyskanych wyników wskazuje, że zszywany laminat CFRP jest materiałem o bezpieczniejszym w przebiegu zniszczenia niż odpowiadający mu laminat niezszywany.

Słowa kluczowe

EN

laminate; carbon fiber; static bending; failure energy

PL

laminat; włókno węglowe; zginanie statyczne; energia zniszczenia

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Materiałów Kompozytowych
• Czasopismo: Composites Theory and Practice
• Rocznik: 2019
• Tom: R. 19, nr 3
• Strony: 112--118
• Opis fizyczny: Bibliogr. 24 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Kozioł Mateusz

• Silesian University of Technology, Faculty of Materials Engineering ul. Z. Krasińskiego 8, 40-019 Katowice, Poland

autor

Mazurkiewicz Rafał

• Silesian University of Technology, Faculty of Materials Engineering ul. Z. Krasińskiego 8, 40-019 Katowice, Poland

Bibliografia

• [1] Hyla I., Śleziona J., Kompozyty. Elementy mechaniki i projektowania, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 2004.
• [2] Kozioł M., Evaluation of classic and 3D glass fiber reinforced polymer laminates through circular support drop weight tests, Composites Part B 2019, 168, 561-571, DOI: 10.1016/j.compositesb.2019.03.078.
• [3] Kozioł M., Mechanical performance of polymer-matrix laminate reinforced with 3D fabric during three-point impact bending, Solid State Phenomena 2016, 246, 193-196.
• [4] Chatys R., Investigation of the effect of distribution of the static strength on the fatigue failure of a layered composite by using the markov chain theory, Mechanics of Composite Materials 2012, 48, 6, 850-863.
• [5] Paramonov Y., Chatys R., Andersons J., Kleinhofs M., Markov model of fatigue of a composite material with the Poisson process of defect initiation, Mechanics of Composite Materials 2012, 48, 2, 217-228.
• [6] Kozioł M., Odporność na delaminację zszywanych laminatów polimer-włókno szklane, Rozprawa doktorska, Politechnika Śląska, Katowice 2007.
• [7] Kozioł M., Nasycanie ciśnieniowo-próżniowe zszywanych oraz tkanych trójwymiarowo preform z włókna szklanego, monografia, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 2016.
• [8] Oleksiak B., Kozioł M., Wieczorek J., Krupa M., Folęga P., Strength of briquettes made of Cu concentrate and carbon-bearing materials, Metalurgija 2015, 54, 1, 95-97.
• [9] Szperlich P., Toron B., An ultrasonic fabrication method for epoxy resin/SbSI nanowire composites, and their application in nanosensors and nanogenerators, Polymers 2019, 11, 3,479, DOI: 10.3390/polym11030479.
• [10] Koziol M., Toron B., Szperlich P., Jesionek M., Fabrication of a piezoelectric strain sensor based on SbSI nanowires as a structural element of a FRP laminate, Composites Part B, 2019, 157, 58-65, DOI: 10.1016/j.compositesb.2018.08.105.
• [11] Dydek K., Latko-Duralek P., Boczkowska A., Salacinski M., Kozera R., Carbon fiber reinforced polymers modified with thermoplastic nonwovens containing multi-walled carbon nanotubes, Composites Science and Technology 2019, 173, 110-117, DOI: 10.1016/j.compscitech.2019.02.007.
• [12] Meier R., Kahraman I., Seyhan A.T., Zaremba S., Drechsler K., Evaluating vibration assisted vacuum infusion processing of hexagonal boron nitride sheet modified carbon fabric/epoxy composites in terms of interlaminar shear strength and void content, Composites Science and Technology, 2016, 128, 94-103, DOI: 10.1016/j.compscitech.2016.03.022.
• [13] Dadej K., Bienias J., Surowska B., On the effect of glass and carbon fiber hybridization in fiber metal laminates: Analytical, numerical and experimental investigation, Composite Structures 2019, 220, 250-260, DOI: 10.1016/j.compstruct.2019.03.051.
• [14] Bellini C., Sorrentino L., Characterization of isogrid structure in GFRP, Frattura Ed Integrita Strutturale 2018, 46, 319-331, DOI: 10.3221/IGF-ESIS.46.29.
• [15] Lesiuk G., Katkowski M., Correia J., de Jesus A.M.P., Blazejewski W., Fatigue crack growth rate in CFRP reinforced constructional old steel, International Journal of Structural Integrity 2018, 9, 3, 381-395, DOI: 10.1108/IJSI-08-2017-0050.
• [16] Chatys R., Kleinhofs M., Panich A., Miskow G., Composite Laminates for automotive bumpers and Lightweight Support Structures, Book Series: Engineering Mechanics 2018, 24, Eds. C. Fischer, J. Naprstek, 145-148, DOI: 10.21495/91-8-145.
• [17] Figlus T., Kozioł M., Diagnosis of early-stage damage to polymer-glass fibre composites using non-contact measurement of vibration signals, Journal of Mechanical Science and Technology 2016, 30, 8, 3567-3576, DOI: 10.1007/s12206-016-0717-1.
• [18] Koziol M., Figlus T., Evaluation of the failure progress in the static bending of GFRP laminates reinforced with a classic plain-woven fabric and a 3D fabric, by means of the vibrations analysis, Polymer Composites 2017, 38, 6, 1070-1085.
• [19] Wronkowicz A., Dragan K., Lis K., Assessment of uncertainty in damage evaluation by ultrasonic testing of composite structures, Composite Structures 2018, 203, 71-84, DOI: 10.1016/j.compstruct.2018.06.109.
• [20] Neimitz A., Mechanika pękania, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 1998.
• [21] Osipiuk W., Deformacja niesprężysta i pękanie materiałów, Politechnika Białostocka, Rozprawy Naukowe 59, 1999.
• [22] Kozioł M., Śleziona J., Przebieg zniszczenia przy statycznym zginaniu laminatów poliestrowo-szklanych o wzmocnieniu zszywanym, Polimery 2008, 53, 11-12, 876-882.
• [23] Kozioł M., Rutecka M., Śleziona J., Ocena wytrzymałości resztkowej zszywanych laminatów żywica poliestrowa-włókno szklane, Kompozyty 2006, 6, 2, 3-7.
• [24] Mouritz A.P., Flexural properties of stitched GRP laminates, Composites Part A 1996, 27, 525-530.

Uwagi

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