Structural analysis of adaptive bistable composites

• Autorzy: Gude M. , Hufenbach W. , Kirvel Ch.

Warianty tytułu

PL

Analiza strukturalna kompozytów bistabilnych

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Anisotropic composites are generally characterised by residual stresses, which primarily occur during the manufacturing at elevated temperature and a subsequent cooling. These residual stresses often lead to a warpage of the composite and in special cases of unsymmetrically built up composites even to large out-of-plane deformations with two stable deformation states. Those so-called bistable composites can beneficially be used for the development of novel adaptive structures if appropriate actuators are integrated, which permit to initiate a permanent change of the composite shape by a snap-through, generated only by a brief energy impulse. For the structural analysis of such adaptive bistable composites based on fibre and textile reinforced thermoplastic or thermosetting matrix systems respectively, a nonlinear semi-analytical simulation model has been elaborated, using a three-stage Ritz method according to the manufacture process of laminate consolidation, actuator bonding and actuator activation. The semi-analytical simulation model enables fast structural analysis of elementary bistable composites and efficient parameter studies. Additionally, numerical simulation models using the finite element analysis have been developed in order to perform a coupled electromechanical structural analysis of the actuator initiated snap-through behaviour of unsymmetric composites with a rather complex structural lay-up and geometry. The simulation models have been validated and were used to design first prototypes of adaptive bistable composites. Manufacture studies and experimental investigation on those prototypes illustrate the successful functional proof of novel intelligent structures and confirm the elaborated theoretical design process.

PL

Kompozyty anizotropowe są zazwyczaj charakteryzowane przez naprężenia szczątkowe, które występują głównie podczas produkcji w podwyższonej temperaturze oraz w czasie poźniejszego chłodzenia. Naprężenia te często prowadzą do wypaczenia kompozytu, a w przypadku niesymetrycznej budowy kompozytu nawet do dużych deformacji powierzchni, z dwoma stanami stabilnymi. Te tak zwane bistabilne materiały kompozytowe mogą z powodzeniem zostać zastosowane w wytwarzaniu nowoczesnych struktur adapcyjnych, jeśli odpowiednio zintegruje się elementy aktywujące, które dzięki wprowadzeniu energii w postaci impulsu inicjują przeskok (snap-through), a co się z tym wiąże - zmianę kształtu. Do analizy strukturalnej bistabilnych kompozytów na bazie tworzyw termoplastycznych lub termoutwardzalnych wzmocnionych włóknem lub tkaniną opracowano półanalityczny model obliczeniowy oraz model symulacyjny z wykorzystaniem trójpoziomowej metody Ritza, odpowiadającej procesowi wytwarzania, czyli kolejno: zagęszczanie laminatu, dołączenie czynnika aktywującego oraz jego aktywowanie. Ten półanalityczny model umożliwia szybką analizę strukturalną bistabilnych materiałów kompozytowych oraz również efektywną ocenę ich parametryzacji. Dodatkowo zostały opracowane modele numeryczne przy wykorzystaniu metody elementów skończonych w celu przeprowadzenia elektromechanicznej analizy strukturalnej elementów zjawiska przebicia inicjowanego czynnikiem aktywującym o złożonej strukturze warstwowej i złożonej geometrii. Modele te zostały zweryfikowane eksperymentalnie i z powodzeniem zastosowane do wykonania pierwszych prototypów kompozytów bistabilnych. Badania eksperymentalne oraz doświadczenia z procesu wytwarzania tych prototypów są dowodem praktycznego zastosowania nowych struktur inteligentnych i potwierdzeniem opracowanego teoretycznie procesu konstrukcyjnego.

Słowa kluczowe

EN

unsymmetric; composites; bistable; snap-through; piezoceramic actuator

PL

dwustabilność; kompozyt; niesymetria; element aktywujący; przeskok

• Wydawca: Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej
• Czasopismo: Kompozyty
• Rocznik: 2008
• Tom: R. 8, nr 1
• Strony: 26--30
• Opis fizyczny: Bibliogr. 11 poz., rys.

Twórcy

autor

Gude M.

autor

Hufenbach W.

autor

Kirvel Ch.

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

Bibliografia

• [I] Gude M., Zum nichtlinearen Deformationsverhalten multistabiler Mehrschichtverbunde mit unsymmetrischem Strukturaufbau, Dissertation, TU Dresden 2000.
• [2] Hufenbach W., Gude M., Kroll L., Design of multistable composites for application in adaptive structures, Journal of Composite Science and Technology 2002, 62, 16, 2201-2207.
• [3] Hyer M.W., Calculation of the room-temperature shapes of unsymmetric laminates, Journal of Composite Materials 1981, 15,296-310.
• [4] Dano M.-L., Hyer, M.W., Thermally-induced deformation behavior of unsymmetric laminates, Int. Journal Solids and Structures 1998, 35, 17, 2101-20.
• [5] Schlecht M., Schulte K., Advanced calculations of the room-temperature shapes of unsymmetric laminates, Journal Composite Materials 1999, 33, 16, 1472-90.
• [6] Hufenbach W., Gude M., Analysis and optimisation of multistable composites under residual stresses, Journal of Composite Structures 2002, 55/3, 319-327.
• [7] Schultz M., Hyer M.W., Snap-through of unsymmetric cross-ply composites using piezoelectric actuators, Journal of Intelligent Material Systems and Structures 2003, 14/12, 795-814.
• [8] Schultz M. Hyer M.W., A Morphing concept based on unsymmetric composite laminates and MFC piecoceramic actuators, 45* AIAA/ASME/ASCF7AHS/ASC Structures, Structural Dynamics & Materials Conference, Palm Springs, California, April 2004.
• [9] Hufenbach W., Gude M., Czulak A., Actor-initiated snap-through of unsymmetric composites with multiple deformation states, Journal of Materials Processing Technology 2005.
• [10] Altenbach H., Altenbach J., Naumenko K., Ebene Flachentragwerke - Grundlagen der Modellierung und Berechnung von Scheiben und Platten, Springer-Verlag, Berlin Heidelberg 1998.
• [11] Belytschko T., Liu W.K., Moran B., Nonlinear finite elements for continua and structures, John Wiley & Sons, Chichester 2000.