A study of stability and post-critical behaviour of thin-walled composite profiles under compression

• Autorzy: Wysmulski P. , Dębski H. , Różyło P. , Falkowicz K.

Identyfikatory

DOI

10.17531/ein.2016.4.19

Warianty tytułu

PL

Badania stateczności i stanów pokrytycznych ściskanych cienkościennych profili kompozytowych

• Języki publikacji: EN PL

Abstrakty

EN

The object of this study is a thin-walled channel-section profile made of a carbon-epoxy composite subjected to axial compression. The study included analysis of the critical and weakly post-critical behaviour using experimental and numerical methods. As a result of the research conducted on a physical model of the structure, we determined a post-critical equilibrium path, which was then used to determine the critical load by approximation methods. Simultaneously, numerical calculations were performed by the finite element method. Their scope included a linear analysis of eigenvalue problems, the results of which led to determination of the critical load for the developed numerical model. The second step of the calculations consisted in performing a nonlinear analysis of the structure with geometrically initiated imperfection corresponding to the lowest buckling mode of the investigated profile. The numerical results were compared with the experimental findings, revealing that the developed numerical model of the structure was correct. The numerical simulations were performed using the ABAQUS® software.

PL

Przedmiotem badań jest cienkościenny profil o przekroju ceowym, wykonany z kompozytu węglowo-epoksydowego, poddany osiowemu ściskaniu. Zakres badań obejmował analizę stanu krytycznego i słabo pokrytycznego metodami doświadczalnymi i numerycznymi. W wyniku badań prowadzonych na fizycznym modelu konstrukcji wyznaczono pokrytyczną ścieżkę równowagi, na podstawie której z wykorzystaniem metod aproksymacyjnych określono wartość obciążenia krytycznego. Równolegle prowadzono obliczenia numeryczne z wykorzystaniem metody elementów skończonych. Zakres obliczeń obejmował liniowa analizę zagadnienia własnego, w wyniku której określono wartość obciążenia krytycznego modelu numerycznego konstrukcji. Drugi etap obliczeń obejmował nieliniową analizę stanu słabo pokrytycznego konstrukcji z zainicjowaną imperfekcją geometryczną, odpowiadającą najniższej postaci wyboczenia konstrukcji. Wyniki obliczeń numerycznych porównano z wynikami badań doświadczalnych, potwierdzając adekwatność opracowanego modelu numerycznego konstrukcji. Zastosowanym narzędziem numerycznym był program ABAQUS®.

Słowa kluczowe

EN

finite element method; stability of construction; composites; critical state; thin-walled structures

PL

metoda elementów skończonych; stateczność konstrukcji; kompozyty; stan krytyczny; konstrukcje cienkościenne

• Wydawca: Polskie Naukowo-Techniczne Towarzystwo Eksploatacyjne
• Czasopismo: Eksploatacja i Niezawodność
• Rocznik: 2016
• Tom: Vol. 18, no. 4
• Strony: 632--637
• Opis fizyczny: Bibliogr. 30 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Wysmulski P.

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

autor

Dębski H.

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

autor

Różyło P.

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

autor

Falkowicz K.

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

Bibliografia

• 1. Abaqus HTML Documentation, 2016.
• 2. Adams DF, Carlsson LA, Pipes RB. Experimental characterization of advanced composite materials. CRC Press LLC, 2003.
• 3. Altenbach H, Altenbach J, Kissing W. Structural analysis of laminate and sandwich beams and plates. An introduction into the mechanics of composite. Lubelskie Towarzystwo Naukowe, 2001.
• 4. Banat D, Mania R.J. Comparison of failure criteria application for FML column buckling strength analysis. Composite Structures 2016; 140: 806-815, http://dx.doi.org/10.1016/j.compstruct.2016.01.024.
• 5. Bazant ZP, Cedolin L. Stability of Structures. Elastic, Inelastic. Fracture and Damage Theories. Oxford University Press UK 2010, http://dx.doi.org/10.1142/7828.
• 6. Bloom F, Coffin D. Handbook of thin plate buckling and postbuckling. CHAPMAN & HALL/CRC Boca Raton, London, New York, Washington, D.C. 2001.
• 7. Debski H, Sadowski T. Modelling of microcracks initiation and evolution along interfaces of the WC/Co composite by the finite element method. Computational Materials Science 2014; 83: 403–411, http://dx.doi.org/10.1016/j.commatsci.2013.11.045.
• 8. Debski H, Teter A, Kubiak T. Numerical and experimental studies of compressed composite columns. Composite Structures 2014; 118: 28-36, http://dx.doi.org/10.1016/j.compstruct.2014.07.033.
• 9. Doyle JF. Nonlinear analysis of thin-walled structures. Springer, 2001, http://dx.doi.org/10.1007/978-1-4757-3546-8.
• 10. Falkowicz K, Ferdynus M, Debski H. Numerical analysis of compressed plates with a cut-out operating in the geometrically nonlinear range. Eksploatacja i Niezawodnosc - Maintenance and Reliability 2015; 17(12): 222-227, http://dx.doi.org/10.17531/ein.2015.2.8.
• 11. Fedorko G, Stanova E, Molnar V, Husakova N, Kmet S. Computer modelling and finite element analysis of spiral triangular strands. Adv. Eng. Softw 2014; 73: 11–21, http://dx.doi.org/10.1016/j.advengsoft.2014.02.004.
• 12. Ferdynus M. An energy absorber in the form of a thin-walled column with square cross-section and dimples. Eksploatacja i Niezawodnosc - Maintenance and Reliability 2013; 15: 253-258.
• 13. Kolakowski Z, Mania RJ. Semi-analytical method versus the FEM for analyzing of the local post-buckling of thin-walled composite structures. Composite Structures 2013; 97: 99–106, http://dx.doi.org/10.1016/j.compstruct.2012.10.035.
• 14. Kolakowski Z. Static and dynamic interactive buckling of composite columns. Journal of Theoretical and Applied Mechanics 2009; 47: 177-192.
• 15. Kopecki T, Bakunowicz J, Lis T. Post-critical deformation states of composite thin-walled aircraft load-bearing structures. Journal of Theoretical and Applied Mechacnics 2016; 54(1): 195-204, http://dx.doi.org/10.15632/jtam-pl.54.1.195.
• 16. Kopecki T, Mazurek P, Lis T, Chodorowska D. Post-buckling deformation states of semi-monocoque cylindrical structures with large cutouts under operating load conditions. Numerical analysis and experimental tests. Eksploatacja i Niezawodnosc - Maintenance and Reliability 2016; 18(1): 16-24, http://dx.doi.org/10.17531/ein.2016.1.3.
• 17. Parlapalli MR, Soh KC, Shu DW, Ma G. Experimental investigation of delamination buckling of stitched composite laminates. Composites, Part A 2007; 38: 2024–2033, http://dx.doi.org/10.1016/j.compositesa.2007.05.001.
• 18. Paszkiewicz M, Kubiak T. Selected problems concerning determination of the buckling load of channel section beams and columns. Thin-Walled Structures 2015; 93: 112-121, http://dx.doi.org/10.1016/j.tws.2015.03.009.
• 19. PN EN ISO 527-4 Oznaczanie właściwości mechanicznych przy statycznym rozciąganiu. Warunki badań kompozytów tworzywowych izotropowych i ortotropowych wzmocnionych włóknami.".
• 20. PN EN ISO 14126 Kompozyty tworzywowe wzmocnione włóknem. Oznaczanie właściwości podczas ściskania równolegle do płaszczyzny laminowania.".
• 21. PN EN ISO 14129 Kompozyty tworzywowe wzmocnione włóknem. Oznaczenie naprężenia ścinającego i odpowiadającego odkształcenia, modułu ścinania i wytrzymałości podczas rozciągania pod kątem ±45o.".
• 22. Rudawska A, Debski H. Experimental and numerical analysis of adhesively bonded aluminium alloy sheets joints. Eksploatacja i Niezawodnosc - Maitenence and Reliability 2011; 1: 4-10.
• 23. Singer J, Arbocz J, Weller T. Buckling experiments. Experimental methods in buckling of thin-walled structure. Basic concepts, columns, beams, and plates. New York: John Wiley & Sons Inc, 1998; 1 (2002; 2).
• 24. Stanova E, Fedorko G, Kmet S, Molnar V, Fabian M. Finite element analysis of spiral strands with different shapes subjected to axial loads. Adv. Eng. Softw. 2015; 83: 45–58, http://dx.doi.org/10.1016/j.advengsoft.2015.01.004.
• 25. Taheri F, Nagaraj M, Khosravi P. Buckling response of glue-laminated columns reinforced with fiber-reinforced plastic sheets. Composite Structures 2009; 88: 481–90, http://dx.doi.org/10.1016/j.compstruct.2008.05.013.
• 26. Teter A, Debski H, Samborski S. On buckling collapse and failure analysis of thin-walled composite lipped-channel columns subjected to uniaxial compression. Thin-Walled Structures 2014; 85: 324-331, http://dx.doi.org/10.1016/j.tws.2014.09.010.
• 27. Tsai SW, Wu EM. A general theory of strength for anisotropic materials. J. Compos. Mater 1971: 58–80, http://dx.doi.org/10.1177/002199837100500106.
• 28. Turvey GJ, Zhang Y. A computational and experimental analysis of the buckling, postbuckling and initial failure of pultruded GRP columns. Computers & Structures 2006; 84: 1527–1537, http://dx.doi.org/10.1016/j.compstruc.2006.01.028.
• 29. Wong PMH, Wang YC. An experimental study of pultruded glass fibre reinforced plastics channel columns at elevated temperatures. Composite Structure 2007; 81: 84–95, http://dx.doi.org/10.1016/j.compstruct.2006.08.001.
• 30. Zienkiewicz OC, Taylor R.L. Finite Element Method (5th Edition) Volume 2 – Solid Mechanics. Elsevier, 2000.