Failure analysis of textile-reinforced ceramic matrix composites

• Autorzy: Hufenbach W. , Langkamp A. , Kroll L. , Błażejewski W.

Warianty tytułu

PL

Analiza pękania kompozytów ceramicznych wzmocnionych włóknami tekstylnymi

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The high lightweight potential of modern long-fibre reinforced ceramics for the application in components under complex thermo-mechanical loads can only be used optimally, if the anisotropic fibre reinforcement is designed according to the acting loads. For the component optimisation adapted analytical and numerical simulation techniques as well as suitable realistic failure criteria are required. By applying analytical and numerical computing methods developed so far for fibre- and textile-reinforced ceramics, the thermo-mechanical induced stresses and strains can be sufficiently determined. In contrast, undertaking the failure analysis adapted to textile ceramic structures still remains a source of considerable difficulty. One principal reason for this is that the use of the ,,homogenisation technique" in the sense of a ,,blurred" continuum is not permissible for a realistic description of the fracture behaviour of textile-reinforced ceramics. The often applied generalising fracture criteria, such as, for example, the quadratic failure criteria of Sacharov and Tsai-Wu cannot be used to simulate the actual fracture behaviour realistically and there remains a great uncertainties in the interpretation of the results of fracture tests. Only the development of a new type of so-called fracture mode criteria can enable a physically based description of the prevailing failure modes of fibre- and textil-reinforced ceramics. Subsequently, the action plane criterion of Hashin-Puck and the invariant criterion of Cuntze are applied to the failure analysis of fibre- and textile-reinforced SiC ceramics and correspondingly modified. The objective of this paper is to improve the strength analysis of fibre- and textile-reinforced ceramic structures applying novel fracture mode related failure criteria. By means of multi-axial failure tests carried out on reinforced ceramics, the fail­ure mode criteria were able to be verified in the stress planes.

PL

Właściwości nowoczesnych materiałów ceramicznych wzmocnionych włóknami tekstylnymi stwarzają potencjalne możliwości konstruowania ultralekkich elementów, podlegających złożonym naprężeniom termomechanicznym. Potencjał tych materiałów może być optymalnie wykorzystany tylko wtedy, jeżeli cechy ich anizotropowego wzmocnienia włóknistego dobrane zostaną na podstawie występującego stanu naprężeń. Optymalizacja konstrukcji wymienionych elementów wymaga zastosowania odpowiednich analitycznych i numerycznych technik symulacji oraz realistycznych kryteriów zniszczenia. Istniejące metody obliczeń naprężeń i odkształceń pozwalają na ich wystarczająco dokładne określenie. W odróżnieniu od tego analiza pękania rozważanych materiałów stwarza istotne problemy. Wynika to z faktu, że zastosowanie „technik homogenizacji" nie pozwala na rzeczywisty opis zniszczenia w tych materiałach. Często stosowane uogólniające kryteria zniszczenia, takie jak np. kwadratowe kryterium Sacharowa i Tsai-Wu również nie pozwalają na uzyskanie dokładnych wyników. Jedynie rozwój nowego typu kryteriów zniszczenia uwzględniających tzw. tryby pękania może prowadzić do uzasadnionego fizycznie opisu materiałów ceramicznych wzmacnianych włóknami i tkaninami w realnych warunkach zniszczenia. Następnie, zastosowano kryteria Hashin-Puck i kryterium wartości niezmiennych według Cuntze do analizy uszkodzeń zaistniałych we wzmacnianych włóknami i tkaninami SiC i odpowiednio je zmodyfikowano. W artykule przedstawiono ulepszoną metodę weryfikacji wytrzymałości jedno- i wielowarstwowo wzmocnionych struktur ceramicznych przy zastosowaniu nowych kryteriów zniszczenia uwzględniających różne rodzaje pękania materiału. Wieloosiowe próby wytrzymałościowe, przeprowadzone na kompozytach ceramicznych, pozwoliły zweryfikować wyżej wymienione kryteria w płaszczyznach naprężeń.

Słowa kluczowe

EN

ceramic composites; failure behaviour; simulation; verification

PL

kompozyty ceramiczne; pękanie; doświadczenie

• Wydawca: Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej
• Czasopismo: Kompozyty
• Rocznik: 2003
• Tom: R. 3, nr 7
• Strony: 250--254
• Opis fizyczny: Bibliogr. 6 poz., rys.

Twórcy

autor

Hufenbach W.

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

autor

Langkamp A.

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

autor

Kroll L.

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

autor

Błażejewski W.

• Politechnika Wrocławska, Instytut Materiałoznawstwa i Mechaniki Technicznej, ul. Smoluchowskiego 25, 50-372 Wrocław

Bibliografia

• [1] Hufenbach W., Kroll L., Langkamp A., Entwicklung von Simulationsmodellen zur Auslegung thermomechanisch beanspruchter faserkeramischer Mehrschichtverbunde. In: Verbundwerkstoffe und Werkstoffverbunde, Hrsg. K. Friedrich, DGM Informationsgesellschaft, 1997, 145-157.
• [2] Hufenbach W., Langkamp A., Entwicklung von Simulationsmodellen zur Beurteilung des thermo-mechanischen Verhaltens anisotroper Faserverbundkeramiken. Abschlussbericht zum DFG-Projekt Hu 403/8-2. Dresden 2000.
• [3] Langkamp A., Bruchmodebezogene Versagensmodelle von faser- und textilverstärkten Verbundwerkstoffen mit polymeren, keramischen sowie metallischen Matrices. Dissertation, Technische Universität Dresden 2002.
• [4] Puck A., Festigkeitsanalyse von Faser-Matrix-Laminaten. Carl Hanser Verlag, München-Wien 1996.
• [5] Cuntze R., Auswertung mehrachsiger Bruchtestdaten und Anwendung im Rahmen einer bruchtypbezogenen Festigkeits- sowie Lebensdaueranalyse, Tagungshandbuch DGLRJahrbuch 1996, Dresden 1996.
• [6] Blazejewski W., Chmielarczyk P., Langkamp A., Pressure Examination of Composite Tubes in Complex Stress State. Proc. 19th Symposium on Experimental Mechanics of Solids, Jachranka-Warsaw 18-20, October 2000, 133-138.