Numerical simulation of cracking process of polymer composites on example of SENB sample

• Autorzy: Kwiatkowski D. , Dębski H.

Warianty tytułu

PL

Symulacja numeryczna procesu pękania kompozytów polimerowych na przykładzie próbki SENB

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The numerical calculations made in the work included the analysis of stress distribution near the rift top and determination of the stress intensity coefficient (WIN) as well as the J integral during three-point bending of SENB samples made from composites with a matrix of two well-known thermoplastics: PP and PA6 with a 25% content of glass fibre. Analysis of the composites crack development and propagation was also done performed. The numerical tool used for FEM calculations is the ABAQUS/Standard computer program that has modern calculation procedures in this field. The numerical calculations were made taking into consideration the experimental data determining the conditions of cracking process initiation of the composite material. The results of the numerical calculations were verified by the results of the experiments. The numerical calculations that were made concerned a geometrically non-linear problem. They were conducted with use of the incremental-iterative Newton-Raphson method. The numerical analysis was performed in two steps. The first step was a preliminary analysis that allowed estimation of the stress level in the composites near the rift top that initiated the cracking process, as well as forecasting the possibility of further propagation occurrence (or exclusion of this phenomenon) in the material region. In the second step of calculations corresponding to the critical value of deflection, numerical calculations taking into account the development and propagation of the crack were made using a more advanced technique for modeling cracking - the Cohesive Zone Method (CZM).

PL

Przeprowadzone w pracy obliczenia numeryczne obejmowały analizę rozkładów naprężenia w pobliżu wierzchołka rysy i wyznaczenie współczynnika intensywności naprężeń WIN oraz całki J podczas trójpunktowego zginania próbek SENB wykonanych z kompozytów na osnowie dwóch znanych tworzyw termoplastycznych PP i PA6 z 25% zawartością włókna szklanego. Dokonano również analizy rozwoju i propagacji pękania tych kompozytów polimerowych. Zastosowanym w obliczeniach MES narzędziem numerycznym jest program ABAQUS/Standard, posiadający nowoczesne procedury obliczeniowe w tym zakresie. Obliczenia numeryczne prowadzono z uwzględnieniem danych doświadczalnych określających warunki inicjacji procesu pękania danego kompozytu polimerowego. Wyniki obliczeń numerycznych zostały zweryfikowane z rezultatami badań eksperymentalnych. Wykonane obliczenia numeryczne stanowiły zagadnienie geometrycznie nieliniowe z wykorzystaniem przyrostowo-iteracyjnej metody Newtona-Raphsona. Analiza numeryczna prowadzona była w dwóch etapach. Pierwszy etap obliczeń stanowił wstępną analizę, pozwalającą oszacować poziom wytężenia kompozytów polimerowych w pobliżu wierzchołka rysy inicjującego proces pękania oraz dokonać oceny możliwości wystąpienia dalszej propagacji (lub jej wykluczenie) w obszarze materiału. W drugim etapie obliczeń, odpowiadającym osiągnięciu krytycznej wartości ugięcia, przeprowadzono obliczenia numeryczne uwzględniające rozwój i propagację pęknięcia z wykorzystaniem bardziej zaawansowanej techniki modelowania procesu pękania - Cohesive Zone Method (CZM).

Słowa kluczowe

EN

polymeric composites; cracking process; fracture toughness; numerical simulation; polypropylene; polyamide 6; glass fibre; SENB

PL

kompozyty polimerowe; proces pękania; odporność na pękanie; symulacje numeryczne; polipropylen; poliamid 6; włókno szklane; SENB

• Wydawca: Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej
• Czasopismo: Kompozyty
• Rocznik: 2011
• Tom: R. 11, nr 4
• Strony: 299--303
• Opis fizyczny: Bibliogr. 10 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Kwiatkowski D.

autor

Dębski H.

• Czestochowa University of Technology, Institute of Polymer Processing and Production Management, Armii Krajowej 19c, 42-201 Częstochowa, Poland,

Bibliografia

• [1] Rakowski G., Kacprzyk Z., Metoda elementów skończonych w mechanice konstrukcji, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2005.
• [2] Rusiński E., Czmochowski J., Smolnicki T., Zaawansowana metoda elementów skończonych w konstrukcjach nośnych, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2000.
• [3] Osiński J., Obliczenia wytrzymałościowe elementów maszyn z zastosowaniem metody elementów skończonych, Oficyna Wydawnicza PW, Warszawa 1997.
• [4] Abaqus Theory Manual version 5.8, Hibbit, Karlsson & Sorensen, 1998.
• [5] Abaqus/Standard User’s Manual version 6.5, Hibbit, Karlsson & Sorensen, 2005.
• [6] Borst De R., Numerical aspects of cohesive-zone models, Engineering Fracture Mechanics 2003, 70(14), 1743-1757.
• [7] Song Seong Hyeok, Paulino Glaucio H., Buttlar William G., A bilinear cohesive zone model tailored for fracture of asphalt concrete considering viscoelastic bulk material, Engineering Fracture Mechanics 2006, 73, 2829-2848.
• [8] Zavattieri Pablo D., Modeling of crack propagation in thin-walled structures using a cohesive model for shell elements, Journal of Applied Mechanics 2006, 73, 947-958.
• [9] Xiaowei Zeng, Shaofan Li, A multiscale cohesive zone model and simulations of fractures, Comput. Methods Appl. Mech. Engrg. 2010, 199, 547-556.
• [10] Murphy N., Ivankovic A., The prediction of dynamic fracture evolution in PMMA using a cohesive zone model, Engineering Fracture Mechanics 2005, 72, 861-875.