Self-heating effect in laminate plates during harmonic forced loading

• Autorzy: Katunin A.

Warianty tytułu

PL

Efekt samorozgrzewania w płytach laminatowych podczas harmonicznych obciążeń wymuszonych

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Laminate structures on a polymer base are widely used in many responsible applications. Therefore, behaviour of these structures must be predictable in different physical conditions and working loads. Behaviour of polymers can be described by an elastic rheological model only in static loading and specific thermophysical conditions, while, in the case of harmonic loading, it must be described using a viscoelastic model. Out-of-phase oscillations between stress and strain amplitudes cause energy dissipation, which introduce heating processes. An important phenomenon in polymers is self-heating. There are two approaches for the interpretation of the phenomenon: macromechanical, which base on energy dissipation, and micromechanical, which is based on the friction of broken polymer chains. The increase of self-heating temperature is dangerous in during exploitation in the case of polymers, because polymers possess a low glass transition temperature and a low heat transfer coefficient. The paper deals with three cases of the geometry of the structure: rectangular cantilever plate, circular clamped plate, and ring plate clamped on internal edge. These models are often used in many engineering solutions. The high-accuracy dependencies for laminate rigidity homogenisation are also presented. A solution to the heat generation problem in steady state is also shown. Furthermore, the possibility of obtaining self-heating temperature in non-steady state based on an approximate model is presented. Identification and evaluation of area of the laminates where the self-heating effect appeared allow one to specify the degradation degree evaluation and the residual life prediction of the laminate.

PL

Struktury laminatowe o osnowie polimerowej są szeroko stosowane w wielu odpowiedzialnych aplikacjach. Dlatego zachowanie tych struktur powinno być przewidywalne w różnych warunkach fizycznych i warunkach obciążeń. Polimery mogą być opisane sprężystym modelem reologicznym tylko przy statycznym obciążaniu i odpowiednich warunkach termofizycznych. W przypadku obciążeń harmonicznych polimery powinny być opisywane modelem lepkosprężystym. Niewspółfazowość oscylacji pomiędzy amplitudami naprężeń i odkształceń powoduje dyssypację energii, co jest przyczyną generowania ciepła. Ważnym zjawiskiem w polimerach jest samorozgrzanie, które wynika z dyssypacji energii w ujęciu makromechanicznym lub z tarcia pomiędzy zerwanymi łańcuchami polimerowymi w ujęciu mikromechanicznym. Wzrost temperatury samorozgrzania jest niebezpieczny ze względów eksploatacyjnych w przypadku polimerów, gdyż charakteryzują się one niską temperaturą zeszklenia oraz niskim współczynnikiem przewodności cieplnej. Przy wzroście temperatury własności materiałowe stuktury maleją aż do jej zniszczenia. W pracy rozpatrzono trzy przypadki geometrii struktur: prostokątna płyta jednostronnie utwierdzona, okrągła płyta utwierdzona na brzegu oraz płyta pierścieniowa utwierdzona na wewnętrznym promieniu. Takie modele często używa się w wielu rozwiązaniach inżynierskich. W rozważaniach zaprezentowano zależności dla homogenizacji sztywności laminatu o wysokiej dokładności. Zostało przedstawione rozwiązanie zagadnienia generowania ciepła w stanie ustalonym, a także przedstawiono możliwość otrzymania temperatury samorozgrzania w stanie nieustalonym na podstawie modelu aproksymacyjnego. Identyfikacja i oszacowanie obszaru laminatu objętego efektem samorozgrzania umożliwia sprecyzowanie oceny stopnia degradacji i predykcji wytrzymałości resztkowej laminatu.

Słowa kluczowe

EN

self-heating; polymer laminates; diagnostics of laminates; model-based diagnostics

PL

samorozgrzewanie; laminaty polimerowe; diagnostyka laminatów; diagnostyka wsparta modelowo

• Wydawca: Wydawnictwo Naukowe Instytutu Technologii Eksploatacji - Państwowego Instytutu Badawczego
• Czasopismo: Scientific Problems of Machines Operation and Maintenance
• Rocznik: 2009
• Tom: Vol. 44, nr 2
• Strony: 73--83
• Opis fizyczny: Bibliogr. 12 poz., rys.

Twórcy

autor

Katunin A.

• Department of Fundamentals of Machinery Design, Faculty of Mechanical Engineering, Silesian University of Technology, Konarskiego 18A, 44-100 Gliwice, Poland,

Bibliografia

• [1] Katunin A., Moczulski W.: The conception of a methodology of degradation degree evaluation of laminates, Maintenance and Reliability, 1 (41), 2009, pp. 33-38.
• [2] Ratner S.B., Korobov V.I.: Self-heating of plastics during cyclic deformation, Mekhanika Polimerov, vol. 1, No. 3, 1965, pp. 93-100.
• [3] Ratner S.B., Korobov V.I., Agamalyan S.G.: Mechanical and thermal fracture of plastics under cyclic strains, Fiziko-Khimicheskaya Mekhanika Materialov, vol. 5, No. 1, 1969, pp. 88-93.
• [4] Karnaukhov V.G.: Modeling the oscillations and dissipative heating of inelastic bodies, International Applied Mechanics, vol. 29, No. 10, 1993.
• [5] Senchenkov I.K., Zhuk Ya.A., Karnaukhov V.G.: Modeling the thermomechanical behaviour of physically nonlinear materials under monoharmonic loading, International Applied Mechanics, vol. 40, No. 9, 2004.
• [6] Karnaukhov V.G., Kirichok I.F.: Vibrations and dissipative heating of viscoelastic beam under moving load, International Applied Mechanics, vol. 41, No. 1, 2005.
• [7] Dinzart F., Molinari A.: Linear stability analysis for thermoviscoplastic material under cyclic axial loading, Continuum Mech. Termodyn., 17, 2005, pp. 83-99.
• [8] Dinzart F., Molinari A., Herbach R.: Thermomechanical response of viscoelastic beam under cyclic bending; self-heating and thermal failure, Arch. Mech., 60, 1, 2008, pp. 59-85.
• [9] Moczulski W., Katunin A.: Research on model-based and experimental evaluation of degradation of composite laminates, Proc. of 4th International Congress on Technical Diagnostics "Diagnostics '2008", p. 130, Olsztyn 2008.
• [10] Katunin A.: Influence of self-heating temperature on fatigue stiffness of multilayered composite plate on polymer base [in Russian], Prikladnaya Mekhanika, vol. 45, No. 3, 2009.
• [11] Minenkov B.V., Stasenko I.V.: Stiffness of plastic details [in Russian], Mashinostroenie, Moscow, 1977.
• [12] Katunin A.: About self-activating temperature modeling In laminate [in Polish], 2nd Scientific Conference "Computer methods - 2008", pp. 21-24, Gliwice 2008.