Closed-form solution for elastic-plastic analysis of selected fiber metal laminates during loading-unloading cycle

• Autorzy: Nowak T.

Warianty tytułu

PL

Sprężysto-plastyczna analiza zachowania laminatu kompozytowo-metalowego podczas obciążania oraz odciążania

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Fiber reinforced polymer composites and aluminum alloys nowadays constitute the most dominant materials applied in the aerospace industry. This paper gives the theoretical background and provides both analytical and numerical calculations for analysis of the elastic-plastic behavior of a selected fiber metal laminate. The work introduces the closed-form solution for a multi-layered structure subjected to a unidirectional loading/unloading cycle, and explains the process of stress and strains development. GLARE® plates, which are exposed to a tensile load, can generate even higher stress in the aluminum layers at unloading. Moreover, delamination and buckling of the external layers can be expected. The paper gives a detailed theoretical framework for this behavior based on the plasticity theory, provides numerical calculations, and compares them with the FEM and experimental results.

PL

Polimerowe kompozyty włókniste oraz stopy aluminium stanowią obecnie jedne z najczęściej stosowanych materiałów w przemyśle lotniczym. Artykuł przybliża podstawy teoretyczne oraz prezentuje wyniki obliczeń numerycznych dla analizy sprężysto-plastycznej wybranego laminatu kompozytowo-metalowego. Artykuł podaje szczegółowe rozwiązanie analityczna dla wielowarstwowej struktury poddanej cyklowi obciążenia/odciążenia oraz opisuje procesy związane z narastaniem naprężeń i odkształceń. Zauważono, że w płytach GLARE® poddanych jednoosiowemu rozciąganiu istnieje możliwość wystąpienia maksymalnych obciążeń w warstwach metalu podczas odciążania. Można także oczekiwać rozwarstwienia oraz wyboczenia zewnętrznych warstw aluminium. Artykuł, stosując teorię plastyczności, podaje rozwiązanie analityczne konieczne do wyjaśnienia zachowania opisywanej struktury, prezentuje rezultaty obliczeń oraz porównuje je z wynikami analiz numerycznych oraz prac doświadczalnych.

Słowa kluczowe

EN

elastic-plastic behavior; thin-walled plates; composite-reinforced metal structures; theory of orthotropic materials; GLARE®

PL

model elastoplastyczny materiału; teoria płyt cienkich; struktury kompozytowo-metalowe; własności ortotropowe; GLARE®

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Materiałów Kompozytowych
• Czasopismo: Composites Theory and Practice
• Rocznik: 2017
• Tom: R. 17, nr 2
• Strony: 97--102
• Opis fizyczny: Bibliogr. 16 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Nowak T.

• ABB - Corporate Research Center, ul. Starowiślna 13a, Krakow, Poland

Bibliografia

• [1] Lekhnitskii S.G., Theory of Elasticity of an Anisotropic Body (English translation), Mir Publishers, Moscow, 1981.
• [2] Gay D., Hoa S.V., Tsai S.W., Composite Materials: Design and Applications, CRC Press, 2002.
• [3] Jones R., Mechanics of Composite Materials 2nd ed., CRC Press, 1998.
• [4] Herakovitch C., Mechanics of Fibrous Composites, John Wiley & Sons, New York 1998.
• [5] Crawford R.J., Plastics Engineering, Elsevier 2002.
• [6] Niezgoda, T., Klasztorny, M., Homogenization theory of regular cross-ply laminates, Composites 2009, 9:2, 154-158.
• [7] Lewiński J., Wilczyński A., Symmetric, balanced cross-ply and diagonal-ply laminates, Global elastic properties and internal stresses, Composites 2010, 10, 1, 1-45.
• [8] Lifshitz J.M., Dayan H.M., Filament-wound pressure vessel with thick metal line, Comp. Struct. 1995, 32, 313-323.
• [9] Xia M., Kemmochi K., Takayanagi H., Analysis of filament-wound fiber-reinforced sandwitch pipe under combined internal pressure and thermomechanical loading, Comp. Struct. 2001, 51, 273-283.
• [10] Nowak T., Schmidt J., Prediction of elasto-plastic behavior of pressurized composite reinforced metal tube by means of acoustic emission measurements and theoretical investigation, Composite Structures 2014, 118, 49-56.
• [11] Wu G.C., Yang J.M., The mechanical behavior of GLARE laminates for aircraft structures, JOM 2005, 57, 1, 72-79.
• [12] Gerlach R., Siviour C.R., Wiegand J., Petrinic N., The strain rate dependent material behavior of S-GFRP extracted from GLARE, Mechanics of Advanced Materials and Structures 2013, 20, 505-514.
• [13] Bienaś J., Majerski, K., Surowska, B., Jakubczak, P., The mechanical properties and failure analysis of selected fiber metal laminates, Composites Theory and Practice 2013, 13, 3, 220-224.
• [14] Nowak T., Homogenization of fiber metal laminate structures characterized by orthotropic and elastic-plastic material models, Computer Methods in Materials Science 2015, 1, 169-175.
• [15] Nowak T., Elastic-plastic behavior and failure analysis of selected fiber metal laminates, Composite Structures (in press), https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2017.05.007
• [16] ABAQUS/Standard User’s Manual; Habit, Karlson & Sorenson, Inc., Pawtucket, RI, 2010.

Uwagi

Opracowanie ze środków MNiSW w ramach umowy 812/P-DUN/2016 na działalność upowszechniającą naukę (zadania 2017).