Multistable fibre-reinforced composites with cutouts

• Autorzy: Hufenbach W. , Gude M. , Kroll L. , Werdermann B. , Czulak A.

Warianty tytułu

PL

Wielostabilne kompozyty z wycięciami wzmocnione włóknami

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

During the manufacturing process and operating conditions of multilayered fibre-reinforced composites with variable fibre orientations, residual stresses build up due to the directional expansion of the unidirectionally reinforced single layers. Dependent on the laminate lay-up, these inhomogeneous residual stresses, which are primarily caused by thermal eftects, moisture absorption and chemical shrinkage, can lead to large multistable out-of-plane deformations in the case of asymmetric laminates. For the calculation of the laminate deformations and the residual stresses especially around a notch, a dimensioning tool based on a modified stability analysis in combination with stress concentration model has been developed. A solution method has been developed for stress concentration problems of fibre-reinforced compounds based on the method of complex-valued stress function combined with conformal mappings. Using this method, stress and displacement fields of anisotropic multilayered plates with cut-out can be calculated. For fmite boundary the solution is analytically continued from the inner boundary to the rest of the piąte. The remaining unknowns are obtained semi-analytically using a combination of boundary collocation method and least squares method. As the computation examples demonstrate, this analytical approach is markedly superior to a finite element analysis.

PL

Podczas procesu produkcyjnego w kompozytach o zmiennej orientacji warstw powstają naprężenia własne w wyniku kierunkowego rozszerzenia się jednoosiowych warstw zbrojnych. Te niejednorodne naprężenia własne są głównie przyczyną efektów termicznych, absorpcji wilgoci i skurczu chemicznego. Mogą one w zależności od budowy laminatów prowadzić do dużych, wielostabilnych niepłaskich stanów odkształceń oraz generacji naprężeń własnych, zwłaszcza w okolicach karbu. Do rozwiązywania tych zagadnień stosuje się metody bazujące na zmodyfikowanej analizie stabilności w połączeniu z modelem naprężeń wokół karbu. Opracowana została metoda do analizy problemów związanych z koncentracją naprężeń we wzmacnianych włóknami komponentach, oparta na złożonych funkcjach naprężeń połączonych / odwzoroyyaniami komformalnymi. Użycie tej metody pozwala na wyznaczenie wartości naprężeń i przemieszczeń wielowarstwowej płyty anizotropowej z wycięciem. Dla płyty o wymiarach skończonych można od granicy otworu analitycznie wyprowadzić warunki dla całej płyty. Wszystkie inne zmienne można uzyskać częściowo analitycznie, używając kombinacji metody kolokacyjnej oraz metody najmniejszych pierwiastków. Jak pokazano w przykładzie obliczonym numerycznie, zaprezentowane analityczne podejście pozwala uzyskać znacząco lepsze wyniki niż te wyznaczone przez metodę elementów skończonych.

Słowa kluczowe

EN

multistable composites; residual stresses; stress concentration

PL

kompozyty wielostabilne; naprężenia własne; spiętrzenie naprężeń

• Wydawca: Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej
• Czasopismo: Kompozyty
• Rocznik: 2003
• Tom: R. 3, nr 7
• Strony: 238--242
• Opis fizyczny: Bibliogr. 13 poz., wykr., rys.

Twórcy

autor

Hufenbach W.

• Technische Universitat Dresden, Institut fur Leichtbau and Kunststofftechnik (ILK), 01062 Dresden, Germany

autor

Gude M.

• Technische Universitat Dresden, Institut fur Leichtbau and Kunststofftechnik (ILK), 01062 Dresden, Germany

autor

Kroll L.

• Technische Universitat Dresden, Institut fur Leichtbau and Kunststofftechnik (ILK), 01062 Dresden, Germany

autor

Werdermann B.

• Technische Universitat Dresden, Institut fur Leichtbau and Kunststofftechnik (ILK), 01062 Dresden, Germany

autor

Czulak A.

• Technische Universitat Dresden, Institut fur Leichtbau and Kunststofftechnik (ILK), 01062 Dresden, Germany

Bibliografia

• [1] Hyer M.W., Calculation of the Room-Temperature Shapes of Unsymmetric Laminates, J. of Composite Materials 1981, 15, 296-310.
• [2] Hyer M.W., The Room-Temperature Shapes of Four Layer Unsymmetric Cross-Ply Laminates, J. of Composite Materials 1982, 16, 318-340.
• [3] Jun W.J., Hong C.S., Effect of Residual Shear Strain on the Cured Shape of Unsymmetric Cross-Ply Thin Laminates, Composite Science & Technology 1990, 38, 55-67.
• [4] Peeters L.J.B., Powell P.C., Warnet L., Thermally-Induced Shapes of Unsymmetric Laminates, J. of Composite Materials 1996, 30, 603-626.
• [5] Dano M.-L., Hyer M.W., Thermally-induced deformation behavior of unsymmetric laminates, Int. J. Solids and Structures 1998, 35, 17, 2101-2120.
• [6] Schlecht M., Schulte K., Advanced calculations of the room-temperature shapes of unsymmetric laminates, J. Composite Materials 1999, 33, 16, 1472-1490.
• [7] Dano M.-L., Hyer M.W., Snap-through of unsymmetric fibre-reinforced composite laminates, Int. J. Solids and Structures 2002, 39, 175-198.
• [8] Gude M., Zum nichtlinearen Deformationsverhalten multistabiler Mehrschichtverbunde mit unsymmetrischem Strukturaufbau, Dissertation, TU Dresden 2000.
• [9] Hufenbach W., Kroll L., Gude M., Deformation States of Unsymmetric Fibre-Reinforced Composites Dependent on Residual Stresses, Proc. of SAMPE EUROPE/JEC Conference, Paris 13.-15.04.1999, 341-352.
• [10] Hufenbach W., Kroll L., Design and Construction of HygroThermally Stable Shells, Mechanics of Composite Materials 1995, 31, 5, 677-683.
• [11] Hufenbach W., Gude M., Kroll L., Sokolowski A., Werdermann B., Adjustment of Residual Stresses in Unsymmetric Fibre-reinforced Composites Using Genetic Algorithms, Mechanics of Composites Materials 2001, 37, 1, 1119-130.
• [12] Whitney J.M., Structural analysis of laminated anisotropic plates, Technomic, Lancaster 1987.
• [13] Lepper M., Kerbspannungsanalyse anisotroper Mehrschichtverbunde mit symmetrischem und unsymmetrischem Strukturaufbau, Dissertation, Technische Universität Clausthal 1999.