Określanie naprężeń własnych metodą elementów skończonych kompozytów ceramicznych infiltrowanych elastomerami

• Autorzy: Babski K. , Boczkowska A. , Konopka K. , Krzesiński G. , Kurzydłowski K.

Warianty tytułu

EN

Finite element modelling of the residual stresses in the ceramic-elastomer infiltrated composites

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Przedmiotem badań był kompozyt ceramiczno-elastomerowy wytwarzany w procesie infiltracji porowatej ceramiki elastomerem. Charakteryzuje się on znacznie większą odpornością na kruche pękanie i wyższą wytrzymałością na ściskanie niż porowata ceramika. Dzięki wysokoelastycznym odkształceniom elastomeru oraz perkolacyjnej strukturze kompozytu nie ulega on katastroficznemu zniszczeniu i zachowuje zdolność przenoszenia obciążeń w warunkach wysokich odkształceń. W procesie wytwarzania kompozytu płynna mieszanina substratów elastomeru jest wprowadzana w pory materiału ceramicznego w warunkach obniżonego ciśnienia i podwyższonej temperatury. Reakcja utwardzania elastomeru prowadzona jest w porach materiału ceramicznego w temperaturze 120°C. Różnice współczynników rozszerzalności termicznej elastomeru i ceramiki powodują powstawanie naprężeń własnych (NW) w trakcie chłodzenia kompozytu do temperatury otoczenia. Dodatkowym czynnikiem generującym naprężenia może być skurcz elastomeru podczas jego utwardzania. Generowane naprężenia mogą mieć istotny wpływ na właściwości mechaniczne kompozytu. Opracowano modele kompozytu oraz przeprowadzono symulacje komputerowe z użyciem metody elementów skończonych (MES) w celu analizy NW powstających w procesie wytwarzania kompozytu. W modelach uwzględniono uproszczony współczynnik kształtu cząstek elastomeru jako zmianę z kształtu kulistego do eliptycznego. Udział objętościowy elastomeru był stały dla wszystkich przypadków i wynosił 0,4. Opracowane modele poddano symulacji chłodzenia kompozytu od temperatury wytwarzania (120°C) do temperatury otoczenia (20°C). Obliczenia prowadzone były w programie Ansys. Stwierdzono, że zmiany temperatury prowadzą do powstawania wysokich naprężeń o charakterze rozciągającym w elastomerze oraz o charakterze rozciągającym i ściskającym w ceramice. Przeprowadzono symulacje obciążenia termicznego i rozciągania kompozytu. Stwierdzono korzystny wpływ NW na wytrzymałość kompozytu przejawiający się głównie obniżeniem maksymalnych wartości naprężeń rozciągających w ceramicznej osnowie. Stwierdzono wpływ kształtu cząstek na lokalny wzrost naprężeń ściskających, który może korzystnie wpływać na odporność na pękanie ceramiki.

EN

The ceramic-elastomer composites obtained via infiltration of porous SiO2 ceramics by urea-urethane elastomer were obtained and studied (Fig. 1). Such composites are distinguished by the high compression strength and ability to achieve large deformations. The liquid mixture of the substrates is incorporated into ceramic pores using the vacuum pressure and temperature of 120°C. Since the thermal expansions of the elastomer and ceramics are different upon cooling to ambient temperature thermal stresses are generated (Tab. 1). Moreover, the elastomer shrinks as a consequence of its transformation from the mixture of substrates in the liquid to the solid states. These two phenomena result in buildup of residual stresses in the composite what can affect on the composite mechanical properties. In this work numerical models of composite were developed and analysis of the residual stresses arising during fabrication process was reported. To calculate the residual stresses the Finite Element Method (FEM) was used. In the models the shape ratio was involved with a change of elastomeric particles shape from spherical to ellipsoidal (Fig. 2). The volume fraction was constant for all cases and equal to 0.40. The unit cells were subjected to thermal load simulating the cooling from fabrication (120°C) to room temperature (20°C). The stresses distributions in dual phases component material were calculated using Ansys software. The analysis of distribution of principal stresses shows that change of temperature leads to buildup of high tensile stresses in elastomeric phase and tensile and compressive stresses in ceramic phase (Fig. 3). The simulation of both thermal and tensile load of unit cell were made. It was found that the thermal stresses present in composite mostly reduce the maximum values of tensile stresses in ceramic (Fig. 5), The elastomeric particles shape changes can lead to local increase of compressive stresses on parallel direction to ceramic-elastomer interface (Fig. 6). It can be advantageous from the mechanical point of view and can lead to increasing of the resistance for brittle cracking and composite strength.

Słowa kluczowe

PL

kompozyt; kompozyt ceramiczno-elastomerowy; naprężenie własne; metoda elementów skończonych; infiltracja

EN

composite; ceramic-elastomer composite; residual stresses; finite element method; infiltration

• Wydawca: Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej
• Czasopismo: Kompozyty
• Rocznik: 2005
• Tom: R. 5, nr 3
• Strony: 40--44
• Opis fizyczny: bibliogr. 9 poz., tab., wykr., rys.

Twórcy

autor

Babski K.

• Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Materiałowej, ul. Wołoska 141, 02-507 Warszawa

autor

Boczkowska A.

• Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Materiałowej, ul. Wołoska 141, 02-507 Warszawa

autor

Konopka K.

• Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Materiałowej, ul. Wołoska 141, 02-507 Warszawa

autor

Krzesiński G.

• Politechnika Warszawska, Instytut Techniki Lotniczej i Mechaniki Stosowanej, ul. Nowowiejska 24, 00-665 Warszawa

autor

Kurzydłowski K.

• Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Materiałowej, ul. Wołoska 141, 02-507 Warszawa

Bibliografia

• [1] Boczkowska A., Konopka K., Schmidt J., Kurzydłowski K.J., Badania wpływu elastomeru i adhezji na wytrzymałość na ściskanie kompozytów ceramika-elastomer, Kompozyty (Composites) 2004, 4, 9, 41-47.
• [2] Szafran M., Lipiec W., Okowiak J., Konopka K., Kurzydłowski K.J., Nowe kompozyty ceramika-polimer o osnowie z ceramicznego tworzywa porowatego z tlenku glinu, Kompozyty (Composites) 2003, 3, 8, 335-342.
• [3] Konopka K., Boczkowska A., Szafran M., Kurzydłowski K.J., Mikrostruktura i właściwości kompozytów ceramika-elastomer, Kompozyty (Composites) 2003, 3, 7, 216-220.
• [4] Senczyk D., Naprężenia własne - wstęp do generowania, sterowania i wykorzystania, Wyd. Politechniki Poznańskiej, Poznań 1996.
• [5] Choo H., Bourke M.A.M., Evolution of thermal residual stress in intermetallic matrix composites during heating, Ceramic Engineering and Science proc. ACerS 2000, 21(3).
• [6] Grabowski G., Sobierski L., Modelowanie rozkładu naprężeń cieplnych w materiałach ceramicznych na przykładzie kompozytu SiC-TiB2, XXX Szkoła Inżynierii Materiałowej, Ustroń--Jaszowiec, 1-4 X 2002, Kraków AGH, 2002, 481-486.
• [7] Andrade-Campos A., Pinho-da-Cruz J.A.M., Teixeira-Dias F., Finite element modeling and analysis of residual stress in Al-SiC metal matrix composites with GiD®, www.gid.cimne.upc.es/2002/Papers/1_Andrade.pdf
• [8] Golański D., Modelowanie naprężeń własnych w kompozytach MMC z wykorzystaniem metody homogenizacji i techniki cyfrowej obróbki obrazu, Kompozyty (Composites) 2002, 2, 5, 354-358.
• [9] Ciupiński Ł., Wpływ naprężeń szczątkowych na własności mechaniczne kompozytów metalicznych wzmacnianych ceramicznym włóknem ciągłym, Rozprawa doktorska, Politechnika Warszawska, Warszawa 2002.