Experimental identification of non-stationary self-heating characteristics of laminated composite plates under resonant vibration

• Autorzy: Katunin A. , Fidali M.

Warianty tytułu

PL

Eksperymentalna identyfikacja charakterystyk nieustalonego samorozgrzania laminatowych płyt kompozytowych podczas drgań rezonansowych

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

This paper presents experimental studies on the thermal response of laminated composite plates under resonant vibrations. The thermoviscoelastic behaviour of laminated glass-fibre reinforced polymer (GFRP) composite specimens was studied. The specimens were subjected to purely flexural bending cyclic loading conditions on their three first bending resonant frequencies. During the examination of the specimens, frequency response functions (FRF) and thermal responses were evaluated. Infrared images acquired during the experiments also allowed the study of the temperature profiles of the specimens and temperature evolution over the loading time. The maximal magnitudes of temperature were observed at a point located on specimens' clamp line, which was caused by the maximal stress magnitudes. The temperature evolution curves revealed the double-exponential characteristic which was affected by the evolution of the dynamic moduli of the material during resonant vibration. The temperature increased until the equilibrium between the dissipated energy and energy convected to the environment was reached. Based on the measurement data, the empirical model of self-heating temperature evolution was proposed. The influence of the excitation frequency and the plate length on the obtained temperature distributions was also examined. It was noticed that the excitation frequency was linearly dependent and the plate length was power dependent on the self-heating temperature, which confirms the numerical results obtained in previous theoretical studies. The obtained results could be used for the prediction and prevention of composite structural degradation during resonant cyclic constant-strain loading.

PL

W artykule przedstawiono wyniki badań eksperymentalnych dotyczące zachowania termolepkosprężystego laminatów polimerowych zbrojonych włóknem szklanym poddanych cyklicznym obciążeniom gnącym o częstotliwościach pokrywających się z pierwszymi trzema częstotliwościami własnymi wyznaczonymi na podstawie badań modalnych. Podczas eksperymentów badano również odpowiedź cieplną, co pozwoliło na wyznaczenie profili temperaturowych oraz ich zmian w czasie. Zgodnie z wcześniej przeprowadzonymi badaniami teoretycznymi, maksymalne wartości temperatury zaobserwowano w linii utwierdzenia próbek, co jest spowodowane maksymalnymi wartościami naprężeń w tym obszarze. Charakter zmian temperatury w czasie można opisać za pomocą sumy dwóch funkcji ekspotencjalnych, co wynika ze zmian modułów dynamicznych materiału. Temperatura wzrastała do momentu bilansu pomiędzy energią dyssypowaną a energią odprowadzaną do otoczenia. Na podstawie danych pomiarowych zaproponowano model zmiany temperatury samorozgrzania. W trakcie badań zbadano również wpływ częstotliwości wymuszenia oraz długości płyty na otrzymane rozkłady temperatury. Zaobserwowano, że częstotliwość wymuszenia jest w liniowej zależności, a długość płyty - w potęgowej zależności z temperaturą samorozgrzania, co potwierdza wyniki numeryczne otrzymane podczas wcześniejszych badań teoretycznych. Uzyskane wyniki mogą być wykorzystane do predykcji i zapobiegania degradacji strukturalnej kompozytów podczas rezonansowych cyklicznych obciążeń ze stałymi odkształceniami.

Słowa kluczowe

EN

polymeric laminated composites; resonant vibrations; self-heating temperature; infrared thermography

PL

polimerowe kompozyty warstwowe; drgania rezonansowe; temperatura samorozgrzania; termowizja

• Wydawca: Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej
• Czasopismo: Kompozyty
• Rocznik: 2011
• Tom: R. 11, nr 3
• Strony: 214--219
• Opis fizyczny: Bibliogr. 13 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Katunin A.

autor

Fidali M.

• Silesian University of Technology, Department of Machinery Design, ul. Konarskiego 18A, 44-100 Gliwice, Poland,

Bibliografia

• [1] Ferry J.D., Viscoelastic properties of polymers, John Wiley and Sons, 1980.
• [2] Katunin A., Moczulski W., The conception of a methodology of degradation degree evaluation of laminates, Eksploatacja i Niezawodność - Maintenance and Reliability 2009, 41, 33-38.
• [3] Senchenkov I.K., Zhuk Ya.A., Karnaukhov V.G., Modeling the thermomechanical behaviour of physically nonlinear materials under monoharmonic loading, International Applied Mechanics 2004, 40, 943-969.
• [4] Steinberger R., Valdas Leitäo T.I., Ladsätter E., Pinter G., Billinger W., Lang R.W., Infrared thermographic techniques for non-destructive damage characterization of carbon fibre reinforced polymers during tensile fatigue testing, International Journal of Fatigue 2006, 28, 1340-1347.
• [5] Bellenger V., Tcharkhtchi A., Castaing Ph., Thermal and mechanical fatigue of a PA66/glass fibers composite material, International Journal of Fatigue 2006, 28, 1348-1352.
• [6] Ramkumar A., Kannan K., Gnanamoorthy R., Experimental and theoretical investigation of a polymer subjected to cyclic loading conditions, International Journal of Engineering Science 2010, 48, 101-110.
• [7] Luo W., Yang T., Li Z., Yuan L., Experimental studies on the temperature fluctuations in deformed thermoplastics with defects, International Journal of Solids and Structures 2000, 37, 887-897.
• [8] Song B., Chen W., Yanagita T., Frew D.J., Temperature effects on dynamic compressive behavior of an epoxy syntactic foam, Composite Structures 2005, 67, 289-298.
• [9] Jayaraj P., Ganesan N., Padmanabhan C., Vibration and acoustic response of a composite plate with inherent material damping in a thermal environment, Journal of Sound and Vibration 2009, 320, 332-338.
• [10] Katunin A., Fidali M., Dynamic response and stress relaxation of laminated composite plates under the cyclic loading, Composites, submitted.
• [11] Katunin A., Analytical model of the self-heating effect in polymeric laminated rectangular plates during bending harmonic loading, Eksploatacja i Niezawodność – Maintenance and Reliability 2010, 48, 91-101.
• [12] Cortés F., Elejabarrieta M.J., Modelling viscoelastic materials whose storage modulus is constant in frequency, International Journal of Solids and Structures 2006, 43, 7721-7726.
• [13] Katunin A., Hufenbach W., Kostka P., Holeczek K., Frequency dependence of the self-heating effect in polymerbased composites, Journal of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering 2010, 41, 9-15.