Modelling of ageing and optimization of composite structures

• Autorzy: Młyniec A. , Uhl T.

Warianty tytułu

PL

Modelowanie starzenia i optymalizacja konstrukcji kompozytowych

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

W powyższej publikacji przedstawiono analizę wpływu degradacji kompozytów polimerowych wzmacnianych włóknami krótkimi na bazie polimeru PBT, na geometrię zaczepu wykonanego metodą wtrysku. Do badań symulacyjnych użyto nieliniowego modelu materiałowego transwersyjnie izotropowego, uwzględniającego czas starzenia materiału wraz z zaimplementowanymi kryteriami zniszczenia kompozytu. Model materiałowy został przypisany oddzielnie dla każdego elementu skończonego zależnie od wyniku symulacji wtrysku tworzywa wzmacnianego. W modelu zaczepu zdefiniowano trzy parametry które mogły potencjalnie wpływać na wyniki symulacji, które zostały użyte do zaprojektowania całej serii eksperymentów. Zmieniając wspomniane powyżej parametry geometryczne, przeprowadzono pełny zestaw analiz których wyniki, w postaci sił montażu, sił wyrywania oraz maksymalnych naprężeń w zaczepie, posłużyły nam za dane wejściowe do optymalizacji. Na podstawie szeregu analiz przeprowadzonych dla materiału w stanie nie zdegradowanym (As Received -AR) oraz materiału poddanego starzeniu przeprowadzono optymalizację geometrii zaczepu za pomocą Metody Powierzchni Odpowiedzi (RSM). Zakładając takie same wymagania w trakcie optymalizacji uzyskano dwie różne geometrie, dla materiału AR oraz po starzeniu, co świadczy o konieczności przeprowadzania podobnych analiz już w trakcie projektowania produktu w celu uniknięcia konieczności kosztownych o długotrwałych poprawek narzędzi służących do seryjnej produkcji komponentu. Geometria zaczepu po optymalizacji, dla materiału zdegradowanego, zapewnia nam spełnienie wymagań odnośnie sił montażu i zniszczenia, stawianych takim komponentom, podczas gdy użycie geometrii optymalnej dla materiału AR nie zapewnia spełnienia wymagań po próbach starzeniowych. Zaprezentowana metoda symulacji uwzględniającej degradację tworzywa, umożliwia optymalizację konstrukcji kompozytowej z uwzględnieniem degradacji tworzywa w czasie eksploatacji, co może się przyczynić do znacznych oszczędności w trakcie projektowania i walidacji elementów wykonanych z kompozytów wzmacnianych włóknami krótkimi.

EN

A study of the impact of Short Fibre Reinforced Polymer Composite degradation, based on a PBT matrix, on injection moulded snap geometry is reported. A nonlinear transversely isotropic material, taking into account the material ageing time, along with implemented failure criteria was used. The material direction was assigned separately for each finite element, depending on the result of the simulation of the injection moulding process. In the snap model, three parameters have been defined that could potentially affect the simulation results. These parameters have been used for the Design Of Experiments (DOE). By changing the geometric parameters mentioned above, a full set of tests was performed, which resulted in the formation of assembly forces, pulling forces and the maximum stress in the clip, served as input data for optimization. Based on a series of simulations carried out for the material in an As Received (AR) state and after material ageing, geometry optimization was carried out using the Response Surface Method (RSM). Assuming the same requirements during optimization, two different geometries were obtained, for the AR material, and for the material after ageing, which indicates the necessity to carry out similar studies already in product development in order to avoid costly and time consuming changes of serial production tools. The geometry of the latch after optimization, for the material model after ageing, ensures that the requirements for the assembly and the pull out forces needed for part destruction, posed for such components, will be met, while using the optimum geometry for the AR material does not ensure compliance with the requirements after the ageing process. The presented simulation method, taking into account the degradation of the material, enables the optimization of composite structures including the degradation of the material during the operation, which can contribute to significant savings during the design of components made of short fibres reinforced composites and the validation process.

Słowa kluczowe

PL

starzenie kompozytów; DFSS; optymalizacja konstrukcji; MES (metoda elementów skończonych); trwałość produktów

EN

composite ageing; DFSS; FEM; product durability

• Wydawca: Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej
• Czasopismo: Kompozyty
• Rocznik: 2011
• Tom: R. 11, nr 2
• Strony: 180--184
• Opis fizyczny: Bibliogr. 10 poz., rys.

Twórcy

autor

Młyniec A.

autor

Uhl T.

• AGH, University of Science and Technology, Department of Robotics and Mechatronics, Faculty of Mechanical Engineering and Robotics, al. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków, Poland,

Bibliografia

• [1] Mohd Ishak Z. A., Ishiaku U. S., Karger-Kocsis J., Hygrothermal ageing and fracture behavior of short-glass-fibrereinforced rubber-toughened poly(butylene terephthalate) composites, Composites Science and Technology 2000, 60, 803-815.
• [2] Laspalas M. Crespo C., Jimenez M. A., Garcia B. Pelegay J. L., Application of micromechanical models for elasticity and failure to short fibre reinforced composites. Numerical implementation and experimental validation, Computers and Structures 2008, 86, 977-987.
• [3] Doghri I., Tinel L., Micromechanical modeling and computation of elasto-plastic materials reinforced with distributed-orientation fibres, International Journal of Plasticity 2005, 21, 1919-1940.
• [4] Glaser S., Wuest A., Computer modelling - crash simulation, BASF Kunststoffe 2005, 3.
• [5] Schieffer A., Maire J.F., Leveque D., A coupled analysis of mechanical behaviour and ageing for polymer matrixcomposites,Composites Science and Technology 2002, 62, 543-549
• [6] Oliviera B. F., Creus G. J., An analytical - numerical framework for the study of ageing in fibre reinforced polymer composites, Composite Structures 2004, 65, 443-457.
• [7] Młyniec A., Uhl T., Humidity temperature aging of short fiber reinforced polymer composites - material tests, numerical simulation and experimental validation, IMechE Part C Journal of Mechanical Engineering Science, in press.
• [8] Creveling C. M., Slutsky J. L., Antis D. Jr., Design for Six Sigma - In Technology and Product Development, PH PTR 2003.
• [9] USCAR Standard rev 5. Class 3. 2005.
• [10] Tatsuyuki A., Sizing Optimization Using Response Surface Method in FOA, R&D review of Toyota CRDL 2001, 37, 1.