Numerical Analysis of a DMA Epoxy-Carbon Composite Study

• Autorzy: Kowaleczko P. , Panas A. , Nowakowski M.

Identyfikatory

DOI

10.5604/01.3001.0012.7336

Warianty tytułu

PL

Analiza numeryczna metodyki badań DMA kompozytu epoksydowo-węglowego

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The results of numerical simulations performed for Dynamic Mechanical Analysis (DMA) measurements of thermal and mechanical (or thermomechanical) properties performed on a model composite structure are presented herein. The simulated elastic response of an epoxy-carbon fibre composite specimen was analysed for a case by which the model specimen was subjected to three-point bending with a free support. The epoxy-carbon fibre composite studied as explained herein exhibited extreme differences between the elastic properties of the epoxy resin matrix and the carbon fibre reinforcement. In addition, the carbon fibre reinforcement was both internally and structurally anisotropic. The numerical simulations were performed to demonstrate a qualitative dependence of the DMA measurement results on a certain structure of the investigated specimen and to determine if the DMA results could be qualified as effective or apparent. A macro-mechanical model of the specimen was developed and the numerical calculations were performed by applying a COMSOL/M FEM (Finite Element Method) modelling software. The carbon fibre reinforcement was modelled with an orthotropic composite structure of planar laminar inclusions or as a disperse composite with circular inclusions. While modelling different characteristic dimensions of inclusions were taken into account. Representative material properties were assumed from the results of the appropriate experimental investigations and form certain literature reference data. The effect of the composite layer configuration and their characteristic dimensions on the evaluated model elastic modulus value was also studied. The numerical modelling results are in a qualitative agreement with the results of the DMA investigations performed on real composite. They also proved the effectiveness of the developed numerical simulation methodology in modelling of micro- and macromechanical phenomena occurring during the DMA study.

PL

W pracy przedstawiono wyniki numerycznych badań symulacyjnych pomiaru właściwości cieplnomechanicznych (termomechanicznych) struktury kompozytowej. Uwagę skupiono na symulacji sprężystej odpowiedzi próbki kompozytu epoksydowo-węglowego poddanego analizie termomechanicznej DMA (Dynamic Mechanical Analysis) w trybie zginania z trójpunktowym swobodnym podparciem. Kompozyt epoksydowo-węglowy jako obiekt analizy charakteryzuje się bardzo dużą dysproporcją właściwości sprężystych materiału osnowy i wypełnienia. Dodatkowo cechy anizotropii wykazuje już sam materiał wypełnienia w postaci włókien węglowych. Celem wykonanych badań numerycznych było jakościowe określenie wpływu struktury na wyniki badań DMA i określenie możliwości zaklasyfikowania uzyskiwanych wyników jako właściwości efektywnych bądź pozornych. Do opracowania modelu makromechanicznego badanej próbki i przeprowadzenia obliczeń wykorzystano program modelowania MES COMSOL. Wypełnienie włóknami węglowymi modelowano za pomocą ortotropowych wtrąceń warstwowych lub kołowych o różnych wymiarach charakterystycznych. Reprezentatywne dane materiałowe przyjęto na podstawie wyników badań własnych i danych literaturowych. Zbadany został wpływ rozmieszczenia poszczególnych warstw oraz ich wymiaru charakterystycznego na określany z modelowej zależności moduł sprężystości E’.

Słowa kluczowe

EN

composite material; DMA; numerical simulation; COMSOL

PL

materiał kompozytowy; DMA; symulacja numeryczna; COMSOL

• Wydawca: Wojskowa Akademia Techniczna im. Jarosława Dąbrowskiego
• Czasopismo: Problemy Mechatroniki : uzbrojenie, lotnictwo, inżynieria bezpieczeństwa
• Rocznik: 2018
• Tom: Vol. 9, Nr 4 (34)
• Strony: 101--112
• Opis fizyczny: Bibliogr. 12 poz., tab., wykr.

Twórcy

autor

Kowaleczko P.

• Air Force Institute of Technology, 6 Księcia Bolesława Str., 01-494 Warsaw, Poland

autor

Panas A.

• Military University of Technology, Faculty of Mechatronics and Aerospace, 2 gen. Witolda Urbanowicza Str., 00-908 Warsaw, Poland

autor

Nowakowski M.

• Air Force Institute of Technology, 6 Księcia Bolesława Str., 01-494 Warsaw, Poland

Bibliografia

• [1] Menard P. Kevin. 1999. Dynamic Mechanical Analysis. A Practical Introduction. CRC Press, Boca Raton.
• [2] Panas J. Andrzej, Janusz Błaszczyk, Andrzej Dudziński, Krzysztof Figur, Anna Foltyńska, Anna Krupińska, Mirosław Nowakowski. 2016. „Badania wpływu temperatury na zmiany właściwości cieplnych i mechanicznych osnowy lotniczego konstrukcyjnego materiału kompozytowego”. Mechanika w lotnictwie ML-XVII II : 147-158.
• [3] Sobczak Renata, Zygmunt Nitkiewicz, Józef Koszkul. 2002. „Badania dynamicznych właściwości mechanicznych kompozytów na osnowie polipropylenu wzmocnionych włóknem szklanym”. Kompozyty 2 : 78-80.
• [4] COMSOL Multiphysics User’s Guide, 1998-2008, COMSOL AB.
• [5] Structural Mechanics Module User’s Guide, 1998-2008, COMSOL AB.
• [6] Structural Mechanics Module Model Library, 1998-2008, COMSOL AB.
• [7] Jakubowicz Antoni, Zbigniew Orłoś. 1978. Wytrzymałość materiałów. Warszawa: Wydawnictwo Naukowo-Techniczne.
• [8] Miwa Minoru, Akiyosi Takeno, Y. Mori, Takeichiro Yokoi, Akira Watanabe. 1998. “Effects of Young’s Modulus of Epoxy Resin on Axial Compressive Strength of Carbon Fibre”. Journal of Materials Science 33(15) : 3885-3890.
• [9] [dataset] Material Property Data Base MPDB v. 8.37, JAHAM Software, Inc., (accessed July 2017).
• [10] http://www.mse.mtu.edu/~drjohn/my4150/props.html (Properties of selected fibres), (accessed November 2017).
• [11] Ostoja-Starzewski Martin. 2017. Mechanics of Random Media. Lecture materials - Program Katedra Ad Hoc. Military University of Technology, Faculty of Mechanical Engineering, Warsaw, 26-29 June 2017.
• [12] Panas J. Andrzej, M. Białecki. 2017. Raport z badań LBC/04/2017. Warszawa: Wydawnictwo ITWL.