The influence of impactor energy and geometry on degree of damage of glass fiber reinforced polymer subjected to low-velocity impact

• Autorzy: Dadej K. , Jakubczak P. , Bieniaś J. , Surowska B.

Warianty tytułu

PL

Wpływ energii i geometrii wgłębnika na stopień zniszczenia kompozytów o osnowie polimerowej wzmocnionych włóknami szklanymi poddanych obciążeniom dynamicznym o niskiej prędkości

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The presented research was devoted to determining the influence of impactor geometry on the degree and character of failure of a glass fibre reinforced epoxy matrix subjected to low-velocity impact. Furthermore, the relevance of impact energy and lay-up configuration of each composite plate were analysed. The subject of the tests were autoclave manufactured 8-ply glass/epoxy prepregs of the following lay-up [0/90]2s, [±45]2s and [0/±45/90]s. The laminates were subjected to low-velocity impact tests according to norm ASTM D7136 with the application of hemispherical impactors: 12.7 mm (0.5"), 25.4 mm (1") and 38.1 mm (1.5"), for three impact energies 5, 10 and 15 J. The conducted tests indicate the correlation between the diameter of the indenter and the load applied, on the degree and character of damage of the glass/epoxy composites, i.e. the higher the load, the greater the laminate failure, regardless of the lay-up configuration. Similarly, the degree of failure is greater when the diameter of the hemispherical impactor is smaller. The dominating types of failure are delaminations at the interface between the composite layers, and matrix cracks. This might occur as a result of considerable shear stresses at the laminate interface and delamination observed after impact with a smaller-diameter impactor. This is best observed in the case of a quasi-isotropic lay-up configuration, where the superposition of the delamination surface area was the highest. The use of a hemispherical impactor of the largest diameter causes bending stresses in the lower layers of the composite, and the presence of characteristic cracks in the matrix and/or at the fibre/matrix interface.

PL

Celem pracy było określenie wpływu geometrii wgłębnika na stopień i charakter zniszczenia kompozytów o osnowie epoksydowej wzmacnianych włóknem szklanym poddanych obciążeniom dynamicznym o niskiej prędkości. Ponadto w pracy dokonano analizy wpływu energii uderzenia oraz konfiguracji laminatu o różnym ułożeniu poszczególnych warstw kompozytowych. Przedmiotem badań były 8-warstwowe laminaty o osnowie epoksydowej wzmocnionej włóknem szklanym w układach [0/90]2s, [±45]2s oraz [0/±45/90]s, wytworzone metodą autoklawową. Laminaty zostały poddane testom obciążeń dynamicznych zgodnie z normą ASTM D7136 z zastosowaniem wgłębnika półsferycznego o średnicach 12,7 mm (0,5"), 25,4 mm (1") oraz 38,1 mm (1,5") dla trzech energii uderzenia 5, 10 oraz 15 J. Wyniki przeprowadzonych badań wskazują na wpływ średnicy wgłębnika w zależności od energii uderzenia na stopień i charakter zniszczenia laminatów o osnowie epoksydowej wzmacnianej włóknem szklanym. Wraz ze wzrostem wartości energii obciążenia dynamicznego wzrasta stopień zniszczenia laminatów, niezależnie od konfiguracji warstw. Analogicznie, stopień zniszczenia wzrasta wraz ze zmniejszeniem średnicy wgłębnika półsferycznego. Dominującym charakterem zniszczenia są deliminacje na powierzchni rozdziału poszczególnych warstw kompozytowych oraz pęknięcia. Prawdopodobnie związane jest to z obecnością w strukturze kompozytowej dużych naprężeń ścinających na powierzchni rozdziału warstw i powstawaniem delaminacji przy obciążeniach dynamicznych wgłębnikami o mniejszych średnicach. W szczególności widoczne jest dla laminatu o układzie quasi-izotropowym o największej zmienności ułożenia poszczególnych warstw kompozytowych, w którym odnotowano największą superpozycję obszaru zniszczenia badanych laminatów. Zastosowanie natomiast wgłębnika o największej średnicy powoduje powstawanie naprężeń zginających w dolnych strefach kompozytu i obecność charakterystycznych pęknięć w materiale osnowy i/lub na powierzchni rozdziału włókno-osnowa.

Słowa kluczowe

EN

fibre-reinforced polymer composite; low-velocity impact; delamination; impactor geometry; failure

PL

kompozyty polimerowo-włókniste; obciążenia dynamiczne; delaminacja; geometria wgłębnik; zniszczenie

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Materiałów Kompozytowych
• Czasopismo: Composites Theory and Practice
• Rocznik: 2015
• Tom: R. 15, nr 3
• Strony: 163--167
• Opis fizyczny: Bibliogr 15 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Dadej K.

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

autor

Jakubczak P.

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

autor

Bieniaś J.

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

autor

Surowska B.

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

Bibliografia

• [1] Bieniaś J., Jakubczak P., Surowska B., Comparison of polymer composites behavior to low-velocity impact and quasi-static indentation, Composites Theory and Practice 2013, 13(3) 155-159.
• [2] de Moura M.F.S.F., Goncalves J.P.M., Modelling the interaction between matrix cracking and delamination in carbon-epoxy laminates under low velocity impact, Composites Science and Technology 2004, 64, 1021-1027.
• [3] Abrate S., Impact on Composite Structures, Cambridge University Press, Cambridge 1998.
• [4] Chen H., Sun X., Residual compressive strength of laminated plates with delamination, Composite Structures 1999, 47, 711-717.
• [5] Bieniaś J., Jakubczak P., Surowska B., Dragan K., Low-energy impact behaviour and damage characterization of carbon fibre reinforced polymer and aluminium hybrid laminates, Archives of Civil and Mechanical Engineering (2015), doi:10.1016/j.acme.2014.09.007.
• [6] Bolotin V.V., Delaminations in composite structures: its origin, buckling, growth and stability, Composites: Part B 1996, 27B, 129-145.
• [7] Sang-Min Lee, Jae-Seung Cheon, Yong-Taek Im, Experimental and numerical study of the impact behavior of SMC plates, Composite Structures 1999, 47, 551-561.
• [8] Mitrevski T., Marshall I.H, Thomson R., Jones R., Whittingham B., The effect of impactor shape on the impact response of composite laminates, Composite Structures 2005, 67, 139-148.
• [9] Sevkat E., Liaw B., Delale F., Drop-weight impact response of hybrid composites impacted by impactor of various geometries, Materials and Design 2013, 52, 67-77.
• [10] ASTM D7136 Standard test method for Measuring the Damage Resistance of Fiber Reinforced-Polymer Matrix Composites to a Drop-Weight Impact Event, Book of Standards 2006, 3(15).
• [11] Fuoss E., Straznicky P.V., Cheung Peon, Effects of stacking sequence on the impact resistance of laminates - Part 1: parametric study, Composite Structures 1998, 41, 67-77.
• [12] Richardson M.O.W., Wisheart M.J., Review of low-velocity impact properties of composite materials, Composites: Part A 1996, 27, 1123-1134.
• [13] Jakubczak P., Bieniaś J., Majerski K., Ostapiuk M., Surowska B., The impact behavior of aluminum hybrid laminates, Aircraft Engineering and Aerospace Technology: An International Journal 2014, 86(4), 287-294.
• [14] Greenhalgh E., Bishop S. M., Bray D., Hughes D., Lahiff S., Millson B., Characterisation of impact damage in skin-stringer composite structures, Composite Structures 1996, 36, 187-207.
• [15] Zhou G., Lloyd J.C., McGuirk J.J., Experimental evaluation of geometric factors affecting damage mechanisms in carbon/epoxy plates, Composites: Part A 2001, 32, 71-84.