Formy zniszczenia konstrukcji sandwiczowych z okładzinami wykonanymi z kompozytów

• Autorzy: Muc A. , Nogowczyk R.

Warianty tytułu

EN

Failure modes of sandwich structure with composite faces

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Konstrukcja sandwiczowa składa się z okładzin (wykonanych z materiałów o dobrych właściwościach mechanicznych), oddzielonych od siebie przez rdzeń (wykonany z bardzo lekkich materiałów). W porównaniu z konstrukcją litą o takiej samej wadze konstrukcja sandwiczowa charakteryzuje się podobną wytrzymałością na rozciąganie oraz znacznie większą wytrzymałością na zginanie. Naprężenia wywołane poprzez obciążenia błonowe są takie same w obydwu rodzajach konstrukcji, natomiast naprężenia wywołane przez moment zginający są znacznie mniejsze w przypadku konstrukcji sandwiczowej. Dzięki znakomitej wytrzymałości na zginanie konstrukcje przekładkowe są obecnie powszechnie stosowane. Jednak konstrukcje te są narażone na różne formy zniszczenia. W niniejszym artykule omówimy cztery z nich: 1) ścinanie rdzenia (rys. 6), 2) delaminację (rys. 7), 3) globalne wyboczenie, 4) lokalne wgłębienie powierzchni lub wyboczenie pojedynczej komórki rdzenia (dotyczy tylko konstrukcji z rdzeniem o strukturze siatkowej). Formy zniszczenia są uzależnione od szeregu elementów. Jako jedne z ważniejszych można wymienić materiał, z którego zostały wykonane okładziny oraz rdzeń. Ze względu na doskonałe właściwości materiały kompozytowe są często stosowane jako okładziny. Z kolei materiały, z których wykonywane są rdzenie, można podzielić na trzy grupy: 1) struktury jednorodne (rys. 2) - np. drewno balsa, 2) struktury siatkowe (rys. 3) - np. struktura plastra miodu, 3) struktury niejednorodne (rys. 4) - np. pianki. W artykule zaprezentujemy wybrane właściwości przykładowych materiałów kompozytowych (tab. 1) oraz właściwości wybranych pianek stosowanych do produkcji wypełniaczy (rys. 5). W konstrukcji z rdzeniem o strukturze siatkowej możemy zaobserwować jeszcze jedną formę zniszczenia - wgłębienie powierzchni lub wyboczenie pojedynczej komórki. Jednakże w wielu konstrukcjach ta forma może być pomijana. Niniejszy artykuł stanowi wstęp do dalszych rozważań na temat stosowania teorii 2-W lub 3-W do opisu konstrukcji sandwiczowych. Efekty tych rozważań zostaną zaprezentowane w kolejnych publikacjach.

EN

Sandwich construction consists of two faces (made of materials with high mechanical properties), separated by a core (made of lightweight materials). Comparing a monocoque structure with sandwich structure having the same weight one can observe that both structures have similar extensional stiffness but the latter has much higher flexural stiffness. Stresses caused by in-plane loads are the same in both types but bending stresses are much lower in sandwich construction. Thanks to its excellent flexural stiffness sandwich structures with composite faces are commonly used in engineering constructions. However, they are vulnerable to more failure modes than monocoque structures. In the article we present four failure modes: 1) face wrinkling (Fig. 6), 2) core shear instability (Fig. 7), 3) overall buckling, 4) face dimpling or monocell dumpling (only in sandwiches with honeycomb core). The failure modes depend on many conditions. Among them are the material properties of which faces and core are made. Because of their extraordinary mechanical properties, composite materials are often used as faces. As a core, various materials are used. They can be divided into three groups: 1) homogeneous structure (Fig. 2) - i.e. balsa, 2) honeycomb structure (Fig. 3), 3) heterogeneous structure (Fig. 4) - i.e. foam. In the paper we present properties of some composite materials (Table 1) and foam core materials (Fig. 5). In sandwich structure with honeycomb core fourth mode of failure (face dimpling or monocell buckling) can be observed. However, in many constructions it may be neglected. This paper is an introduction in order to consider whether sandwich constructions may be modeled using 2D or 3D theories. Results of further analysis' will be presented in subsequent papers.

Słowa kluczowe

PL

materiał kompozytowy; konstrukcja sandwiczowa; zniszczenie; delaminacja; rdzeń; ścinanie rdzenia

EN

composite; sandwich construction; sandwich core; failure mode; delamination; core shear instability

• Wydawca: Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej
• Czasopismo: Kompozyty
• Rocznik: 2005
• Tom: R. 5, nr 4
• Strony: 31--35
• Opis fizyczny: Bibliogr. 8 poz., tab., wykr., rys.

Twórcy

autor

Muc A.

• Politechnika Krakowska, Wydział Mechaniczny, Instytut Konstrukcji Maszyn, Zakład Konstrukcji Kompozytowych, al. Jana Pawła II 37, 31-864 Kraków

autor

Nogowczyk R.

• Politechnika Krakowska, Wydział Mechaniczny, Instytut Konstrukcji Maszyn, Zakład Konstrukcji Kompozytowych, al. Jana Pawła II 37, 31-864 Kraków

Bibliografia

• [1] Vinson J.R., The Behaviour of Shells Composed of Isotropic and Composite Materials, Kluwer Academic Publishers, Dordrecht 1993.
• [2] Hop T., Konstrukcje warstwowe, Arkady, Warszawa 1990.
• [3] Romanów F., Wytrzymałość konstrukcji warstwowych, Wydawnictwo Wyższej Szkoły Inżynierskiej w Zielonej Górze, Zielona Góra 1995.
• [4] web.ew.usna.edu
• [5] www.versacoreindustrial.com
• [6] Materiały reklamowe Advenced Composite Systems.
• [7] Muc A., Projektowanie kompozytowych zbiorników ciśnieniowych, Politechnika Krakowska, Kraków 1999.
• [8] Muc A., Mechanika kompozytów włóknistych, Księgarnia Akademicka, Kraków 2003.