Finite element analysis of three-point bending of a T-beam structural biaxial highly oriented polymer material

• Autorzy: Wei C.-L. , Chang Y. , Lee Y.-C. , Lee R. , Luo T.-W. , Chen J.-H.

Identyfikatory

DOI

10.14314/polimery.2018.3.6

Warianty tytułu

PL

Analiza metodą elementów skończonych zginania trójpunktowego belki teowej wykonanej z wysoko zorientowanego dwuosiowo materiału polimerowego

• Konferencja: Global Conference on Polymer and Composite Materials (17 ; 23–25.05.2017 ; Guangzhou, Guangdong, China)
• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Polymers with biaxial aligned molecular chains are also orthotropic materials, which are characterized by high tensile strength and low shear strength in the length direction. When orthotropic materials are used as structural shapes with poor shear strength, they are likely to undergo premature failure under shear stress. Therefore, in three-point bending, the cross-section of the entire profile not only bears tensile stress and compressive stress in the length direction, but also simultaneously exhibits shear stress. This study analyzes the distribution of tensile stress, compressive stress and shear stress in the length direction of highly oriented polymers (HOP) by finite element analysis to find the most suitable length-to-height ratio for these materials when used as structural shapes. The finite element analysis software, Abaqus, is utilized to simulate HOP T-beam to analyze the load stress of a T-beam. With a fixed cross–section area, as the length of the material changes, its shear strength also changes. Accordingly, the order of occurrence of tensile failure and shear failure can be investigated. The simulation reveals that when the length-to-height ratio is between 4 : 1 and 20 : 1, a zone of stress in which tensile failure and shear failure occur can be found. This result can be exploited in the design and development of structural beam.

PL

Polimery o dwuosiowo zorientowanych łańcuchach makrocząsteczek są materiałami ­ortotropowymi, wykazującymi dużą wytrzymałość na rozciąganie oraz niewielką wytrzymałość na ścinanie w kierunku długości. Elementy konstrukcyjne wytworzone z materiału ortotropowego o małej wytrzymałości na ścinanie są podatne na przedwczesne uszkodzenie pod wpływem naprężeń ścinających. Przy zginaniu trójpunktowym w przekroju ich profilu występują zarówno naprężenia rozciągające i ściskające w kierunku podłużnym, jak i naprężenia ścinające. Metodą elementów skończonych analizowano rozkład naprężeń rozciągających, ściskających i ścinających w kierunku podłużnym wysoko zorientowanych polimerów (HOP) w celu określenia optymalnego stosunku długości do wysokości w kształtach konstrukcyjnych. Do symulacji naprężeń obciążeniowych w zginaniu trójpunktowym belki teowej wykorzystano program komputerowy Abaqus. Stwierdzono, że przy stałej powierzchni przekroju poprzecznego belki jej wytrzymałość na ścinanie zmienia się wraz ze zmianą długości. Badano również kolejność występowania uszkodzeń pod wpływem działania sił rozciągających i ścinających. Symulacja wykazała, że przy stosunku długości do wysokości w zakresie od 4 : 1 do 20 : 1 występuje strefa naprężeń, w której mogą się pojawiać uszkodzenia w wyniku rozciągania lub ścinania. Uzyskane wyniki można wykorzystać w projektowaniu i optymalizacji belek konstrukcyjnych.

Słowa kluczowe

EN

solid phase processing; highly oriented polymer (HOP); orthotropic materials; T-beam; three-point bending; finite element

PL

proces w fazie stałej; wysoko zorientowany polimer; materiały ortotropowe; belka teowa; zginanie trójpunktowe; elementy skończone

• Wydawca: Sieć Badawcza Łukasiewicz – Instytut Chemii Przemysłowej
• Czasopismo: Polimery
• Rocznik: 2018
• Tom: T. 63, nr 3
• Strony: 219--223
• Opis fizyczny: Bibliogr. 17 poz., rys. kolor.

Twórcy

autor

Wei C.-L.

• National Taipei University of Technology, Graduate Institute of Manufacturing Technology, Taipei 10608, Taiwan
• Lunghwa University of Science and Technology, Department of Mechanical Engineering, Taoyuan 33306, Taiwan

autor

Chang Y.

• National Taipei University of Technology, Graduate Institute of Manufacturing Technology, Taipei 10608, Taiwan

autor

Lee Y.-C.

• National Taipei University of Technology, Graduate Institute of Manufacturing Technology, Taipei 10608, Taiwan

autor

Lee R.

• National Taipei University of Technology, Graduate Institute of Manufacturing Technology, Taipei 10608, Taiwan

autor

Luo T.-W.

• National Taipei University of Technology, Graduate Institute of Manufacturing Technology, Taipei 10608, Taiwan

autor

Chen J.-H.

• National Taiwan Normal University, Department of Industrial Education, Taipei 10610, Taiwan

Bibliografia

• [1] Ward I.M.: Advances in Polymer Science 1985, 70, 1. http://dx.doi.org/10.1007/3-540-15481-7_6
• [2] Coates P.D., Caton-Rose P., Ward I.M., Thompson G.: Science China Chemistry 2013, 56, 1017. http://dx.doi.org/10.1007/s11426-013-4881-1
• [3] Smith P., Lemstra P.J.: Journal of Materials Science 1980, 15, 505. http://dx.doi.org/10.1007/BF02396802
• [4] Rane R.H.: “Microstructure development in solid state processing of polypropylene-talc composites and melt processing of high molecular weight HDPE-clay nanocomposites”, Ph.D. Thesis, Michigan State University, Michigan, USA, 2013, p. 2.
• [5] Coates P.D., Ward I.M.: Polymer 1979, 20, 1553. http://dx.doi.org/10.1016/0032-3861(79)90024-7
• [6] Theil M.H.: Journal of Polymer Science Part C: Polymer Letters 1979, 17, 744. http://dx.doi.org/10.1002/pol.1979.130171112
• [7] Stehling F.C., Huff T., Speed C.S., Wissler G.: Journal of Applied Polymer Science 1981, 26, 2693. http://dx.doi.org/10.1002/app.1981.070260818
• [8] Richardson A., Hope P.S., Ward I.M.: Journal of Polymer Science: Polymer Physics Edition 1983, 21, 2525. http://dx.doi.org/10.1002/pol.1983.180211209
• [9] Kaito A., Nakayama K., Kanetsuna H.: Journal of Applied Polymer Science 1986, 32, 3499. http://dx.doi.org/10.1002/app.1986.070320212
• [10] Alcock B., Cabrera N.O., Barkoula N.M., Peijs T.: European Polymer Journal 2009, 45, 2878. http://dx.doi.org/10.1016/j.eurpolymj.2009.06.025
• [11] Taraiya A.K., Mirza M.S., Mohanraj J. et al.: Journal of Applied Polymer Science 2003, 88, 1268. http://dx.doi.org/10.1002/app.11848
• [12] Ellison M.S., Corona E.: Journal of Engineering Mechanics 1998, 124, 818. h t t p : / / d x . d o i . o r g / 1 0 . 1 0 6 1 / ( A S C E ) 0 7 3 3 -9399(1998)124:8(818)
• [13] Mirza M.S., Taraiya A.K., Ward I.M., Barton D.C.: Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part E: Journal of Process Mechanical Engineering 2003, 217, 123. http://dx.doi.org/10.1177/095440890321700203
• [14] Mohanraj J., Bonner M.J., Barton D.C., Ward I.M.: Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part E: Journal of Process Mechanical Engineering 2007, 221, 47. http://dx.doi.org/10.1243/0954408JPME95
• [15] Abaqus analysis user’s manual, Abaqus Inc, 2015, p. 123.
• [16] Extren design manual, Strongwell Corp, 1997, p. 38.
• [17] Zhao X., Ye L.: Materials Science and Engineering: A 2011, 528, 4585. http://dx.doi.org/10.1016/j.msea.2011.02.039

Uwagi

PL

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