Flexural performance of fibre reinforced composite beams - numerical analysis

• Autorzy: Banat Dominik

Warianty tytułu

PL

Wytrzymałość na zginanie belek wykonanych z kompozytów włóknistych - analiza numeryczna

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

This paper deals with multi-layered FRP composite beams subjected to the three-point bending test. The study is focused on the flexural performance of rectangular composite beams made of glass or carbon fibre-reinforced laminates (GFRP and CFRP). Depending on the fibre orientation, various laminate systems were analysed with the main focus on [08]T and [908]T layups. Tests on three beams with different length-to-thickness ratios included a three-point short beam shear test (SBS), assuming a relatively short beam is in relation to its thickness, which maximized the induced shear stresses. Additionally, two variants of boundary conditions were discussed with layers oriented parallel and perpendicular to the loading plane. Geometrically nonlinear analysis aimed to verify the load-midspan deflection curves for various fibre-reinforced composite beams was performed. The presented initial results concern comparative numerical analysis performed by the finite element method (FEM), which is found to be crucial before further experimental research.

PL

Artykuł dotyczy wielowarstwowych belek kompozytowych typu FRP poddanych trzypunktowej próbie zginania. Badania koncentrują się na wytrzymałości na zginanie prostokątnych belek kompozytowych wykonanych z kompozytów włóknistych wzmacnianych włóknem szklanym lub węglowym (GFRP i CFRP). W zależności od kierunku ułożenia włókien analizie poddano różne konfiguracje laminatów ze szczególnym uwzględnieniem układów [08]T i [908]T. Analizę numeryczną wykonano dla trzech belek o różnych stosunkach długości do grubości, w tym również trzypunktowy test zginania krótkiej belki (SBS) w celu zmaksymalizowania naprężeń ścinających. Dodatkowo przedstawiono dwa warianty warunków brzegowych z warstwami ułożonymi równolegle lub prostopadle do płaszczyzny obciążenia. Przeprowadzono geometryczną analizę nieliniową w celu zweryfikowania krzywych obciążenie-ugięcie dla różnych wariantów belek wykonanych z kompozytów włóknistych. Przedstawione wstępne wyniki dotyczą porównawczej analizy numerycznej, wykonanej z zastosowaniem metody elementów skończonych (MES), która ma kluczowe znaczenie przed dalszymi badaniami eksperymentalnymi.

Słowa kluczowe

EN

fibre reinforced polymer; FRP; composite material; glass fibre; carbon fibre; flexural test; numerical simulation

PL

kompozyt włóknisty; materiały kompozytowe; włókno szklane; włókno węglowe; test zginania; symulacja numeryczna

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Materiałów Kompozytowych
• Czasopismo: Composites Theory and Practice
• Rocznik: 2019
• Tom: R. 19, nr 3
• Strony: 119--125
• Opis fizyczny: Bibliogr. 22 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Banat Dominik

• Department of Strength of Materials, Lodz University of Technology, ul. Stefanowskiego 1/15, 90-924 Lodz, Poland

Bibliografia

• [1] González C., Vilatela J.J., Molina-Aldareguía J.M., Lopes C.S., Lorca J., Structural composites for multifunctional applications: Current challenges and future trends, Progress in Materials Science 2017, 89, 194-251. DOI: 10.1016/j.pmatsci.2017.04.005.
• [2] Rozylo P., Debski H., Wysmulski P., Falkowicz K., Numerical and experimental failure analysis of thin-walled composite columns with a top-hat cross section under axial compression, Composite Structures 2018, 204, 207-216. DOI: 10.1016/j.compstruct.2018.07.068.
• [3] Banat D., Mania R.J., Stability and strength analysis of thin-walled GLARE composite profiles subjected to axial loading, Composite Structures 2019, 212, 338-345. DOI: 10.1016/j.compstruct.2019.01.052.
• [4] Vlot A., Gunnink J.W., Fibre Metal Laminates: An Introduction, Springer Science & Business Media Dordrecht 2001.
• [5] Czapski P., Kubiak T., Influence of fibre arrangement on the buckling load of composite plates - analytical solution, Fibres and Textiles in Eastern Europe 2015, 5, 92-97. DOI: 10.5604/12303666.1161764.
• [6] Banat D., Kolakowski Z., Mania R.J., Investigations of fml profile buckling and post-buckling behaviour under axial compression, Thin-Walled Structures 2016, 107, 335-344. DOI: 10.1016/j.tws.2016.06.018.
• [7] Banat D., Mania R.J., Failure assessment of thin-walled FML profiles during buckling and postbuckling response, Composites Part B: Engineering 2017, 112, 278-289. DOI: 10.1016/j.compositesb.2017.01.001.
• [8] Czapski P., Kubiak T., Selected problems of determining critical loads in sructures with stable post-critical behaviour, Mechanics and Mechanical Engineering 2016, 20, 33-41.
• [9] Valarinho L., Correia J.R., Branco F.A., Experimental study on the flexural behaviour of multi-span transparent glass-GFRP composite beams. Construction and Building Materials 2013, 49, 1041-1053. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2012.11.024.
• [10] Jakubczak P., Gliszczyński A., Bieniaś J., Majerski K., Kubiak T., Collapse of channel section composite profile subjected to bending Part II: Failure analysis, Composite Structures 2017, 179, 1-20. DOI: 10.1016/j.compstruct.2017.07.052.
• [11] Pahr D.H., Rammerstorfer F.G., Rosenkranz P., Humer K., Weber H.W., A study of short-beam-shear and double-lap-shear specimens of glass fabric/epoxy composites, Composites Part B: Engineering 2002, 33, 125-132. DOI: 10.1016/S1359-8368(01)00063-4.
• [12] Schneider K., Lauke B., Beckert W., Compression shear test (CST) - a convenient apparatus for the estimation of apparent shear strength of composite materials, Applied Composite Materials 2001, 8, 43-62. DOI: 10.1023/A:1008919114960.
• [13] Shekar K.C., Prasad B.A., Prasad N.E., Interlaminar shear strength of multi-walled carbon nanotube and carbon fiberreinforced, epoxy-matrix hybrid composite, Procedia Materials Science 2014, 6, 1336-1343. DOI: 10.1016/J.MSPRO.2014.07.112.
• [14] Sauvage J.-B., Aufray M., Jeandrau J.-P., Chalandon P., Poquillon D., Nardin M., Using the 3-point bending method to study failure initiation in epoxide-aluminum joints, International Journal of Adhesion and Adhesives 2017, 75, 181-189. DOI: 10.1016/j.ijadhadh.2017.03.011.
• [15] Banat D., Load-carrying capacity of the GFRP and CFRP composite beams subjected to three-point bending test - numerical investigations, Mechanics and Mechanical Engineering 2019, 23, 277-286. DOI: 10.2478/mme-2019-0037.
• [16] Czechowski L., Gliszczyński A., Bieniaś J., Jakubczak P., Majerski K., Failure of GFRP channel section beams subjected to bending - Numerical and experimental investigations, Composites Part B: Engineering 2017, 111, 112-123. DOI: 10.1016/j.compositesb.2016.11.057.
• [17] Adams D., Lewis E., Experimental study of three- and four-point shear test specimens, Journal of Composites 1995, 17, 341-349.
• [18] ASTM D790-03. Standard Test Method for Flexural Properties of Unreinforced and Reinforced Plastics and Electrical Insulation Materials. ASTM International 2003, 1-11.
• [19] Liu C., Du D., Li H., Hu Y., Xu Y., Tian J. et al., Inter-laminar failure behavior of GLARE laminates under short-beam three-point-bending load, Composites Part B: Engineering 2016, 97, 361-367. DOI: 10.1016/j.compositesb.2016.05.003.
• [20] Hebda M., Zastosowanie energetycznego kryterium wytężeniowego do analizy wytrzymałościowej kompozytów włóknistych. PhD thesis, Cracow University of Technology, Cracow 2006.
• [21] Barbero E.J., Finite Element Analysis of Composite Materials. 2nd ed. CRC Press, Boca Raton 2007.
• [22] Li D., Qing G., Liu Y., A layerwise/solid-element method for the composite stiffened laminated cylindrical shell structures. Composite Structures 2013, 98, 215-227. DOI: 10.1016/j.compstruct.2012.11.013.

Uwagi

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