Critical self-heating temperature during fatigue of polymeric composites under cyclic loading

• Autorzy: Katunin A.

Warianty tytułu

PL

Krytyczna temperatura samorozgrzania podczas zmęczenia kompozytów polimerowych podczas wymuszenia cyklicznego

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

This paper deals with the results of an experimental study of the occurrence of the self-heating effect during cyclic fatigue loading of plates made of polymeric composites. The evolution of self-heating temperature distributions was registered by infrared camera from the beginning of loading till the breakdown of the specimens. During the experiments it was observed that the process of thermal fatigue of the composite elements could be divided to three phases. It was observed, that on the transition border of the second and third phases of thermal fatigue, a crack initiates, which is caused both by increasing the self-heating temperature and mechanical fatigue. This moment corresponds w to the value of self-heating temperature, which is critical for given loading parameters. The critical self-heating temperature is strongly dependent on the excitation frequency, which results from the tim-temperature superposition principle. The influence of the excitation frequency and length of the specimens on the value of critical self-heating temperature was investigated. Based on experimental data, the empirical model of thermal fatigue, which uses the master curve of dynamic storage modulus, was proposed. The obtained experimental results and proposed fatigue model could be used in operation and structural health monitoring problems for the prediction of critical loading parameters of elements made of polymeric composites.

PL

Artykuł przedstawia wyniki prac eksperymentalnych dotyczących obecności efektu samorozgrzania podczas cyklicznych obciążeń zmęczeniowych płyt wykonanych z kompozytów polimerowych. Zmienność rozkładów temperatury samorozgrzania była rejestrowana kamerą termowizyjną od początku obciążenia do zniszczenia próbek. Podczas eksperymentów zaobserwowano, że proces zmęczenia cieplnego kompozytów polimerowych może być podzielony na trzy fazy. Zaobserwowano, że na granicy drugiej i trzeciej fazy zmęczenia cieplnego inicjuje się pęknięcie, co jest spowodowane zarówno wzrostem temperatury samorozgrzania, jak i zmęczeniem mechanicznym. Ten moment odpowiada wartości temperatury samorozgrzania, która jest krytyczną dla danych parametrów obciążenia. Krytyczna temperaturura samorozgrzania wykazuje silną zależność od częstotliwości wymuszenia, co wynika z zasady superpozycji czasowo-temperaturowej. Zbadano wpływ częstotliwości wymuszenia i długości próbek na wartość krytycznej temperatury samorozgrzania. Na podstawie wyników eksperymentalnych zaproponowano model empiryczny zmęczenia cieplnego wykorzystujący krzywe wiodące dynamicznego modułu zachowawczego. Otrzymane wyniki eksperymentalne i zaproponowany model zmęczenia mogą być wykorzystane w zagadnieniach eksploatacji i monitoringu elementów wykonanych z kompozytów polimerowych w celu predykcji krytycznych parametrów obciążenia.

Słowa kluczowe

EN

polymeric layered composites; self-heating effect; critical self-heating temperature; thermal fatigue

PL

polimerowe kompozyty warstwowe; efekt samorozgrzania; krytyczna temperatura samorozgrzania; zmęczenie cieplne

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Materiałów Kompozytowych
• Czasopismo: Composites Theory and Practice
• Rocznik: 2012
• Tom: R. 12, nr 1
• Strony: 72--76
• Opis fizyczny: Bibliogr. 15 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Katunin A.

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

Bibliografia

• [1] Katunin A., Fidali M., Experimental identification of nonstationary self-heating characteristics of laminated composite plates under resonant vibration, Kompozyty 2011, 11, 214-219.
• [2] Ratner S.B., Korobov V.I., Agamalyan S.G., Mechanical and thermal fracture of plastics under cyclic strains, Mekhanika Polimerov 1969, 5, 83-93.
• [3] Lesieutre G.A., Govindswamy K.M., Finite element modeling of frequency-dependent dynamic behavior of viscoelastic material in simple shear, International Journal of Solids and Structures 1995, 33, 419-432.
• [4] Ratner S.B., Korobov V.I., Self-heating of plastics during cyclic deformations, Mekhanika Polimerov 1965, 1, 93-100.
• [5] Oldyrev P.P., Tamuzh V.P., Energy dissipation of glassreinforced plastic during prolonged cyclic deformation, Problemy Prochnosti 1969, 3, 31-35.
• [6] Oldyrev P.P., Allowance for the heating of a glass-fiber plastic in high cycle fatigue tests, Makhanika Kompozitnykh Materialov 1987, 1, 45-49.
• [7] Ferreira J.A.M., Costa J.D.M., Reis P.N.B., Richardson M.O.W., Analysis of fatigue and damage in glass-fibrereinforced polypropylene composite materials, Composites Science and Technology 1999, 59, 1461-1467.
• [8] Toubal L., Karama M., Lorrain B., Damage evolution and infrared thermography in woven composite laminates under fatigue loading, International Journal of Fatigue 2006, 28, 1867-1872.
• [9] Katunin A., Gnatowski A., Influence of heating rate on evolution of dynamic properties of polymeric laminates, Plastics Rubber and Composites 2012, 41 in press.
• [10] Katunin A., Fidali M., Self-heating of polymeric laminated composite plates under the resonant vibrations: theoretical and experimental study, Polymer Composites 2012, 33, 138-146.
• [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] Biermann H., Kemnitzer M., Hartmann O., On the temperature dependence of the fatigue and damage behaviour of a particulate-reinforced metal-matrix composite, Materials Science and Engineering 2001, 319-321, 671-674.
• [13] Echtermeyer A.T., Engh B., Buene L., Lifetime and Young’s modulus changes of glass/phenolic and glass/polyester composites under fatigue, Composites 1995, 26, 10-16.
• [14] Subramanian S., Reifsnider K.L., Stinchcomb W.W., A cumulative damage model to predict the fatigue life of composite laminates including the effect of a fibre-matrix inter phase, International Journal of Fatigue 1995, 17, 343-351.
• [15] Kamiński M., On probabilistic fatigue models for composite materials, International Journal of Fatigue 2002, 24, 477-495.