Damage behaviour of high speed textile reinforced composite rotors

• Autorzy: Hufenbach W. , Langkamp A. , Kostka P. , Bohm R.

Warianty tytułu

PL

Analiza pękania szybkoobrotowych wirników wzmocnionych tekstylnie

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Textile reinforced plastics with their excellent light weight characteristics, good resistance to chemicals and their wide scope of design-ability - e.g. possibility of creating a load-adapted thermo-mechanical anisotropic property profile - offer a new range of performance for advanced high-speed rotors. For the load adapted design of variable axial composites for those applications, material adapted calculation methods and optimisation tasks with modified physically based failure criteria and anisotropic, fracture mode specific damage models are developed. The calculation and optimization of the textile reinforcement for complexly loaded composite rotors is performed using extended analytical and numerical calculation methods, which realistically simulate the mechanically or the hygro-thermally induced material strains for the individual textile reinforcement. A linear elastic approach can be applied for the stress strain analysis until the first fracture occurs. After initiation of the first failure, non linear deformation behaviour caused by different damage phenomena of the textile reinforced composite has to be considered within the calculation. In the present work a phenomenological plane stress damage mechanics based model for textile reinforced composites is presented. Damage variables are introduced to describe the evolution of the damage state and as a subsequence the degradation of the material stiffness.

PL

Tworzywa ze wzmocnieniem tekstylnym ze względu na niski ciężar właściwy, odporność na działanie substancji chemicznych oraz możliwość projektowania ich właściwości w szerokim zakresie - na przykład dopasowania anizotropii mechanicznej i termicznej do występujących obciążeń - oferują nowy zakres parametrów eksploatacyjnych nowoczesnych szybkoobrotowych wirników. Zostały opracowane metody umożliwiające projektowanie wirników wykonanych z wieloosiowo wzmocnionych kompozytów z uwzględnieniem stanu obciążenia. Obejmują one fizykalnie uzasadnione kryteria uszkodzeniowe oraz modele procesu niszczenia uwzględniające anizotropię materiału i rodzaj uszkodzenia. Obliczenia i optymalizacja parametrów wzmocnienia tekstylnego wirników poddanych złożonym stanom obciążenia zostały przeprowadzone z użyciem zaawansowanych metod analitycznych i numerycznych, które pozwalają na realistyczną symulację odkształceń wywołanych obciążeniami mechanicznymi lub higrotermicznymi dla określonych rodzajów wzmocnienia. Teoria liniowo-elastyczna może być zastosowana do analizy naprężeń i odkształceń tylko do momentu, w którym zostaje zapoczątkowana degradacja materiału. Zjawiska składające się na proces niszczenia powodują, że w obliczeniach dotyczących odpowiadającego mu zakresu obciążeń stosowane są zależności nieliniowe. Artykuł przedstawia fenomenologiczny model mechaniki pękania kompozytu wzmocnionego tekstylnie dla płaskiego stanu naprężenia. Wprowadzono specjalne zmienne opisujące przebieg procesu niszczenia i towarzyszący mu spadek sztywności.

Słowa kluczowe

EN

textile reinforced composite; simulation; damage analysis; composite rotor

PL

kompozyt tekstylny; symulacja; mechanizm pękania; wirnik kompozytowy

• Wydawca: Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej
• Czasopismo: Kompozyty
• Rocznik: 2005
• Tom: R. 5, nr 2
• Strony: 23--28
• Opis fizyczny: Bibliogr. 13 poz., rys.

Twórcy

autor

Hufenbach W.

• Technische Universität Dresden, Institut für Leichtbau und Kunststofftechnik (ILK), 01062 Dresden, Germany

autor

Langkamp A.

• Technische Universität Dresden, Institut für Leichtbau und Kunststofftechnik (ILK), 01062 Dresden, Germany

autor

Kostka P.

• Technische Universität Dresden, Institut für Leichtbau und Kunststofftechnik (ILK), 01062 Dresden, Germany

autor

Bohm R.

• Technische Universität Dresden, Institut für Leichtbau und Kunststofftechnik (ILK), 01062 Dresden, Germany

Bibliografia

• Werner Hufenbach, Albert Langkamp, Paweł Kostka, Robert Bohm
• [1] Hufenbach W., Kroll L., Grothaus R., New design methods for complexly loaded high-speed composite rotors, Proceedings of the Eighth European Conference on Composite Materials, Neaples, Italy, 3.-6. June 1998, Vol. 1, 511-518.
• [2] Offermann P., Cebulla H., Diestel O., Modelling and production of fully fashioned biaxial weft knitted fabrics, 1st Autex-Conference, Povoa de Varzim, Portugal 2001, 263- 269.
• [3] Köckritz U., Franzke G., Leopold T., Offermann P., Nähgewirkte Gelege aus CF-PEEK-Hybridgarn für textilverstärkte Faserverbundrotoren, (in:) Verbundwerkstoffe und Werkstoffverbunde, Wiley-VCH 2001, 44-48.
• [4] Langkamp A., Bruchmodebezogene Versagensmodelle von faser- und textilverstärten Verbundwerkstoffen mit polymeren, keramischen sowie metallischen Matrices, Dissertation, TU Dresden 2002.
• [5] Baste S., Audoin B., On internal variables in anisotropic damage, European Journal of Mechanics 1991, A/Solids, 10(6), 587-606.
• 6] Matzenmiller A., Lubliner J., Taylor R.L., A constitutive model for anisotropic damage in fiber-composites, Mech. Mater. 1995, 20, 2, 125-152.
• [7] Puck A., Schürmann H., Failure analysis of FRP laminates by means of physically based phenomenological models, Composite Science and Technology 1998, 58, 1045-1067.
• [8] Hufenbach W., Kroll L., Langkamp A., Böhm R., Analysis of failure and damage of braided composite structures under biaxial loading, 1st International Symposium on Mechanics ofComposites, Prague 2002, 61-68.
• [9] Cuntze R.G., Freund A., The predictive capability of failure mode concept-based strength criteria for multidirectional laminates, Composite Science and Technology 2004, 64 (3- 4), 343-377.
• [10] Taylor J.I., Back to the basics of rotating machinery vibration analysis, Sound and Vibration 1995, 29(2), 12-16.
• [11] Isermann R., Supervision, fault detection and faultdiagnosis methods - An Introduction, Control Engineering Practice 1997, 5(5), 639-652.
• [12] Moczulski W., Kostka P., SPIE Discovery challenge data description, Proceedings 2000 SPIE Conference, Orlando, Florida.
• [13] Moczulski W., Kostka P., Discovery of knowledge from diagnostic databases, 16th AeroSense Meeting on Aerospace/Defense Sensing, Simulation and Control, Orlando, 1-5.04.2002