Experimental and numerical analysis of the reinforced composite elements subjected to bending.

• Autorzy: Jaroniek Mieczysław

Warianty tytułu

PL

Eksperymentalna i numeryczna analiza zbrojonych elementów kompozytowych poddanych zginaniu.

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Brittle fracture of the reinforced composite element has been a matter of considerable concern to engineers for many years. It is now generally accepted that the mode of failure is the centerpiece of the problem. The publication presents the experimental and numerical procedure used to determine the state of the stress in the photoelastic model of reinforced beams. The fracture process of fiber reinforced composite materials is very complicated, and the fracture strength is affected by matrix cracking, fiber breakage and interfacial debonding between matrix and fibers. The criterion used to calculate the maximum load was derived based on two processes only: matrix cracking and deformation of the reinforcement. The theoretical ultimate bending moment was calculated using the strain energy release rate Gc, and the stress intensity factors corresponding to the crack propagation of the matrix and the elastic-plastic deformation or the yield limit the reinforcement.

PL

Kruche pękanie elementów kompozytowych jest istotnym problemem analizowanym przez konstruktorów od wielu lat i analiza sposobu zniszczenia zajmuje centralna pozycję przy rozwiązywaniu tego problemu. W pracy przedstawiono przykłady i porównano wyniki badań eksperymentalnych i obliczeń numerycznych elastooptycznych modeli belek zbrojonych. Procesy pękania elementów kompozytowych zbrojonych prętami, lub pasmami są dosyć złożone, zniszczenie może być spowodowane pękaniem matrycy, utratą nośności zbrojenia, delaminacją zbrojenia lub inaczej mówiąc utratą przyczepności zbrojenia i matrycy (spowodowaną tzw. pękaniem międzyfazowym). W pracy niniejszej przedstawiono kolejne fazy zniszczenia belek kompozytowych z żywic syntetycznych zbrojonych prętami, lub pasmami w strefie rozciąganej, narażonej na pękanie oraz określono wielkości współczynnika uwalniania energii sprężystej w złożonym sposobie zniszczenia elementu. Przedstawiono także uproszczoną metodę określania nośności belek zbrojonych na podstawie parametrów mechaniki pękania matrycy oraz nośności zbrojenia. Wprowadzając do obliczeń założenia mechaniki pękania można wyznaczyć graniczne wartości obciążeń w funkcji współczynników intensywności naprężenia i współczynnika uwalniania energii sprężystej oraz odkształceń zbrojenia (sprężystych lub plastycznych). Zastosowana metoda umożliwia jakościową ocenę propagacji pęknięć w poszczególnych fazach zniszczenia elementu.

Słowa kluczowe

EN

composite; reinforced beans; fracture mechanics; photoelastic method; finite element method; bending

PL

kompozyt; element zbrojony; mechanika pękania; metoda fotoelastyczna; metoda elementów skończonych; zginanie

• Wydawca: Komitet Budowy Maszyn PAN
• Czasopismo: Archive of Mechanical Engineering
• Rocznik: 2001
• Tom: Vol. 48, nr 4
• Strony: 329--357

Twórcy

autor

Jaroniek Mieczysław

• Technical University of Lodz, Faculty of Mechanical Engineering, ul. Stafanowskiego 1/15, 90-924 Łódź, Poland

• Technical University of Łódź, Faculty of Mechanical Engineering, ul. Stafanowskiego 1/15, 90-924 Łódź, Poland.,

Bibliografia

• [1] Bosco C., Carpinteri A., Debernardi P.G.: Fracture of reinforced concrete: scale effect and snap-back instability. Engineering Fracture Mechanics, Vol. 35, No 4/5, 1990, p. 665-677.
• [2] Frocht M.M.: Photoelasticity. John Wiley, New York 1960.
• [3] Chisholm D.B„ Jones D.L.: An analytical and experimental stress analysis of a practical mode II fracture test specimen. Experimental Mechanics 1977, 1.
• [4] Irwin G.R., Dally J.W., Kobayashi T., Fourney W.L., Etheridge M.J., Rossmanith H.P.: On the determination of the a-K relationship for birefringent polymers. Experimental Mechanics 1979, 19 (4).
• [5] Gross B., Srawley J.E.: Stress-intensity factors for single edge noth specimen in bending or combined bending and tension by boundary collocation of a stress function. NASA Technical Note D-2603, 1965.
• [6] Srawley J.E., Gross B.: Stress-Intensity Factors for bent and compact specimens. Eng. Fract. Mech. 1972,4, pp. 587-589.
• [7] Hoyniak D., Conway J.C.: Finite element analysis of the compact shear specimen, Eng. Fract. Mech. 1979, 12, pp. 301-306.
• [8] Neimitz A.: Mechanika Pękania (Fracture Mechanics). PWN, Warszawa 1998.
• [9] Cherepanov G. P.: Mechanics of brittle fracture, Mc Graw – Hill, New York 1979.
• [10] Jaroniek M.: Propagation of cracks in models a reinforced concrete beam. Elsevier Science Publishers LTD, London, New York 1991.
• [11] Kapkowski J., Słowikowska I., Stupnicki J.: Badanie naprężeń metodą elastooptycznej warstwy powierzchniowej. PWN, Warszawa 1987.
• [12] Okamura H., Watanabe K., Takano T.: Deformation and Strength of Cracked Member Under Bending Moment and Axial Force, Eng. Fract. Mech. 1975, 7, pp. 531-539.
• [13] Sanford R.J., Dally J.W.: A General Method For Determining Mixed-Mode Stress Intensity Factors From Isochromatic Fringe Patterns. Eng. Fract. Mech. 1979, Vol. 2, p. 621-633.
• [14] Sih G.C.; Hanbook of Stress-Intensity Factors, Bethlehem, Leigh University Press, Vol. 1, 1973.
• [15] Sih G.C.: Strain-energy-density factor applied to mixed mode crack problems. Int. J. of Fract. 1974, 10, pp. 305-321.
• [16] Schindler H.J., Sayir M.: Path of crack in a beam due to dynamic flexural fracture. Int. J. of Fract. 1984, 25, pp. 95-107.
• [17] Szczepiński W.: A photoelastic method for determining stresses by means isochromes only. Archiwum Mechaniki Stosowanej, 5 (13) 1961.
• [18] Szmelter J.: The Finite Element Method Programs, Arkady, Warsaw 1979.
• [19] Sahn S., Goldner H.: Bruch – und Beurteilungkriterien in der Festigkeitslehere. VEB Fachbuchverlag Leipzig 1989.
• [20] Tada H., Paris P., Irwin G.R.: The stress analysis of cracks: Handbook. – Hellertown: Del Research Corp. 1973, p. 385.
• [21] Rice J.R.: A Path Independent Integral and the Approximate Analysis of Strain Concentration by Notches and Cracks. Journal of Applied Mechanics 1968, p.379.
• [22] Wessel E.T.: State of the art of the WOL specimen for fracture toughness testing. Eng. Fract. Mech. 1979, 12, pp. 99-101.
• [23] Williams J.G.: Fracture Mechanics of Polymers. Ellis Horwood Limited John Wiley & Sons, New York – Chichester 1984.
• [24] Williams M.L.: On the Stress Distribution at the Base of a Stationary Crack. Trans. ASME, Journal of Appl. Mechanics. 1961, 12, pp. 78-82.
• [25] Wu E.M.: Application of Fracture Mechanics to Anisotropic Plates, Trans. ASME, Journal of Appl. Mechanics. E, 1967, 34, pp. 967-974.
• [26] Zienkiewicz O.C: The Finite Element Method in Engineering Science. Mc Graw – Hill, London, New York 1971.