Numeryczna analiza tarcz kompozytowych zbrojonych włóknami szklanymi i węglowymi w warunkach złożonego stanu obciążenia

• Autorzy: Bieniaś J. , Dębski H.

Warianty tytułu

EN

Numerical analysis of composite plates reinforced glass and carbon fibers in complex load condition

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Celem badań była analiza numeryczna struktury kompozytowej pod kątem doboru optymalnego układu warstw laminatu i uzyskania najkorzystniejszych parametrów wytrzymałościowych struktury poddanej działaniu złożonego stanu obciążenia (obciążenia rozciągającego i ścinającego). Przedmiot badań stanowiły materiały kompozytowe o osnowie Żywicy epoksydowej wzmocnione włóknami szklanymi i węglowymi (jednokierunkowe taśmy prepreg, system HexPly M12, Excel) wytworzone metodą autoklawową. Obydwa systemy kompozytowe wykorzystywane są w budowie łopat śmigłowców i charakteryzują się wysoką trwałością zmęczeniową oraz dobrymi właściwościami eksploatacyjnymi. Budowę modelu numerycznego kompozytowych tarcz oparto na technice Layup-Ply, stanowiącej jeden z podstawowych sposobów modelowania materiałów kompozytowych w programie Abaqus. Podstawę oszacowania wytrzymałości badanych struktur stanowiły kryteria: maksymalnych naprężeń, Tsai-Hilla, kryterium tensorowe Tsai-Wu oraz kryterium Azzi-Tsai-Hilla. Obliczenia numeryczne stanowiły również wstępną analizę zniszczenia materiałów kompozytowych, polegającą na ocenie modelu numerycznego pod kątem występowania obszarów, w których na skutek obciążenia zewnętrznego istnieje ryzyko uszkodzenia laminatu. Przeprowadzona analiza numeryczna kompozytowych tarcz poddanych działaniu złożonego stanu obciążenia (rozciąganie i ścinanie techniczne) wykazała dominującą wytrzymałość badanych konstrukcji na przenoszenie obciążenia rozciągającego. Na podstawie otrzymanych wyników stwierdzono wyższą wytrzymałość kompozytu zbrojonego włóknami węglowymi w porównaniu z kompozytem zbrojonym włóknami szklanymi, pomimo prawie dwukrotnie mniejszej grubości tarczy. Wykorzystanie w tym zakresie metody elementów skończonych umożliwia optymalizację struktury kompozytu oraz doboru najkorzystniejszych parametrów materiałowych już na etapie projektowania konstrukcji.

EN

Numerical analysis was a purpose of researches on a composite structure in terms of two aspects. The first was to choose optimum configuration of a layer laminate and the second was to obtain the best parameters of strength structure, which was subjected to analysis in complex load (tension and shearing loads). A subject of researches was made by composite materials by a matrix epoxy reinforcement glass and carbon fibers (unidirectional tape of pre-pregs, system HexPly M12 Excel) which was created by an autoclave technology. These two composite systems are used to build helicopter blade. They are characterised a very high stability on fatigue and good exploitation properties. The build of numerical model in composite shield was founded on a technique Layup-Ply, which was one of the basic way for modelling composite materials in a program Abaqus. Grounds for estimate to strength researches structures were criterions: Maximum Stress Criterion, Tsai-Hill's criterion, tensor criterion of Tsai-Wu's and Azzi-Tsai-Hill's criterion. Numerical calculations were an introductory analysis of failure composite materials. It was depend on judge numerical model in terms of appearance areas, in which a risk of damage laminate was existed by an effect of external loads. Numerical analysis in plates composites was carried out, where the plates were under complex loads (technical tension and shear). It was shown a dominant strength of researching construction for transfer a tension load. On the basis of receiving solutions was found a higher strength of composite which was created from carbon fibres in compare with glass fibres. The shield was nearly twice thinner. In this range using FEM is very useful and makes possible to optimality composite structure. It is easier to choose the best parameters of a material on the first step of projecting the construction.

Słowa kluczowe

PL

metoda elementów skończonych; laminaty; wytrzymałość; zniszczenie; optymalizacja; kompozyt

EN

FEM; laminates; strength; failure; optimality; composite

• Wydawca: Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej
• Czasopismo: Kompozyty
• Rocznik: 2010
• Tom: R. 10, nr 2
• Strony: 127--132
• Opis fizyczny: Bibliogr. 15 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Bieniaś J.

autor

Dębski H.

• Politechnika Lubelska, Wydział Mechaniczny, Katedra Inżynierii Materiałowej, ul. Nadbystrzycka 36, 20-618 Lublin,

Bibliografia

• [1] Baker A., Dutton S., Donald Kelly D., Composite materials for aircraft structures, American Institute of Aeronautics and Astronautics, USA 2004.
• [2] Soutis C., Carbon fibre reinforced plastics in aircraft construction, Materials Science and Engineering A 2005, 412, 171-176.
• [3] Prepreg technology, Hexcel Publication, March 2005.
• [4] Chung D., Carbon Fiber Composites, Butterworth-Heinemann, USA 1994.
• [5] Campbell F.C., Manufacturing Technology for Aerospace Structural Materials, Elsevier 2006.
• [6] Freeman, W.T., The use of composites in aircraft primary structure, Composites Engineering 1993, 3, 767-775.
• [7] Miracle D.P., Donaldson S.L. (eds), ASM Handbook, Vol. 21 Composites, ASM International, 2001.
• [8] Swanson S.R., Introduction to Design and Analysis with Advanced Composite Materials, Prentice-Hall, 1997.
• [9] Abaqus Theory Manual version 5.8, Hibbit, Karlsson &Sorensen, 1998.
• [10] Abaqus/Standard User’s Manual version 6.5, Hibbit, Karlsson& Sorensen, 2005.
• [11] Rusiński E., Czmochowski J., Smolnicki T., Zaawansowana metoda elementów skończonych w konstrukcjach nośnych, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2000.
• [12] Tenek L.T., Argyris J., Finite element analysis of composite structures, Kluwer 1998.
• [13] Tsai S.W., Introduction to Composite Materials, Technomic 1980.
• [14] Alfano G., Crisfield M.A., Finite element interface models for the delamination analysis of laminated composites: mechanical and computational issues, International Journal for Numerical Methods in Engineering 2001, 50, 1701-1736.
• [15] Hyla I., Śledziona J., Kompozyty, Elementy mechaniki i projektowania, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 2004.