Numerical modelling and simulation of composite segment bending test and experimental validation

• Autorzy: Nycz D. , Bondyra A. , Klasztorny M. , Gotowicki P.

Warianty tytułu

PL

Modelowanie numeryczne i symulacja próby zginania segmentu kompozytowego oraz walidacja eksperymentalna

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The three-point bending test has been performed for a single-wave glass-polyester laminate segment. The geometry and stacking sequence of the segment is modelled on a selected composite tank cover. The main purpose of the study is to develop numerical modelling and simulation methodology for such a test using FE code MSC.Marc/Mentat as well as to perform experimental validation. The segment was manufactured in ROMA Ltd., Grabowic, Poland and made of a glass-polyester mixed laminate with a (CSM450/STR600)4/CSM450 stacking sequence, using contact technology. The elastic and strength constants of the laminas have been derived experimentally on standard specimens cut from homogeneous laminates M (5xCSM450) and F (4xSTR600). The laminate components constitute: Polimal 104 polyester resin (matrix; produced by Organika-Sarzyna Co., Poland), E-glass mat and E-glass 1/1 plain weave fabric (reinforcement; produced by KROSGLASS Co., Poland). The numerical tests include the application of six selected shell finite elements, which accept layered composite material declaration, available in the MSC.Marc FE library. Simulated pressure force - punch displacement diagrams are presented against the respective experimental results. It has been pointed out that Element_75 (Bilinear Thick Shell) gives the results closest to reality, both qualitatively and quantitatively. A set of options/values of numerical modelling and simulation parameters elaborated by the authors' team in earlier papers has been applied. Index failures contours related to subsequent laminas are recommended for the design of shell segments of laminate covers of tanks and canals.

PL

Przeprowadzono próbę zginania "trójpunktowego" segmentu jednofalowego wykonanego z laminatu poliestrowo-szklanego, o geometrii i strukturze wzorowanej na wybranym przekryciu kompozytowym zbiornika. Celem pracy jest opracowanie metodyki modelowania numerycznego i symulacji takiej próby w środowisku obliczeń inżynierskich MSC.Marc/Mentat oraz walidacja eksperymentalna. Segment wytworzono w przedsiębiorstwie ROMA Sp. z o.o. z laminatu mieszanego o sekwencji warstw nośnych (CSM450/STR600)4/CSM450. Stałe sprężystości i wytrzymałości lamin wyznaczono na próbkach wytworzonych z laminatów jednorodnych M (5xCSM450), F (4xSTR600). Komponenty laminatów są następujące: żywica poliestrowa Polimal 104 (osnowa; producent Organika-Sarzyna), mata ze szkła E oraz tkanina ze szkła E (wzmocnienie; tkanina o splocie prostym 1/1; producent KROSGLASS Krosno). Przetestowano przydatność sześciu wybranych elementów skończonych z biblioteki elementów w systemie MSC.Marc, dla których możliwa jest deklaracja kompozytu warstwowego. Wyniki symulacji przedstawiono na tle wyników eksperymentalnych. Wykazano, że Element_75 (Bilinear Thick Shell) prowadzi do wyników zgodnych jakościowo i ilościowo z wynikami eksperymentalnymi. W modelowaniu i symulacji zastosowano układ opcji/wartości parametrów modelowania i symulacji wypracowany przez autorów we wcześniejszych pracach. Do projektowania segmentów powłokowych przekryć zarekomendowano mapy indeksów niszczenia poszczególnych warstw laminatu.

Słowa kluczowe

EN

polymer-matrix composite cover; single-wave rectangular segment; glass-polyester laminate; bending test; numerical modelling; simulation; experimental validation; MSC.Marc system

PL

przekrycie kompozytowe; segment prostokątny jednofalowy; laminat poliestrowo-szklany; test zginania; modelowanie numeryczne; symulacja; walidacja eksperymentalna; system MSC.Marc

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Materiałów Kompozytowych
• Czasopismo: Composites Theory and Practice
• Rocznik: 2012
• Tom: R. 12, nr 2
• Strony: 126--131
• Opis fizyczny: Bibliogr. 20 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Nycz D.

autor

Bondyra A.

autor

Klasztorny M.

autor

Gotowicki P.

• Military University of Technology, Faculty of Mechanical Engineering, Department of Mechanics & Applied Computer Science, ul. S. Kaliskiego 2, 00-908 Warsaw, Poland,

Bibliografia

• [1] Jones R.M., Mechanics of Composite Materials, Taylor &Francis, London 1999.
• [2] Zhang W.C, Evans K.E., Numerical prediction of the mechanical properties of anisotropic composite materials, Computers & Structures 1988, 29, 413-422.
• [3] Klasztorny M., Urbański A., Application of the finite element method to improve quasi-exact reinforcement theory of fibrous polymeric composites, J. Mechanics of Composite Materials 2005, 41, 1, 55-64.
• [4] Klasztorny M., Konderla P., Piekarski R., An exact stiffness theory for unidirectional xFRP composites, J. Mechanics of Composite Materials 2009, 45, 1, 77-104.
• [5] Nycz D., Gotowicki P., Klasztorny M., Experimental investigations of a regular cross-ply carbon-vinylester laminate [in Polish], 29. Seminar of Mechanicians Scientific Groups, Military University of Technology, Poland, Conf. Proc. 2010, 348-358
• [6] Reddy J.N., On refined computational models of composite laminates, Int. J. For Numerical Methods in Eng. 1989, 27, 361-382.
• [7] Noor A.K., Burton W.S., Assessment of computational models for multilayered composite shells, Applied Mechanics Reviews 1990, 43, 67-97.
• [8] Shu X.P., A refined theory of laminated shells with higherorder transverse shear deformation, Int. J. Solids & Structures 1997, 34, 673-683.
• [9] Sun C.T., Chin H., Analysis of asymmetric composite laminates, AIAA Journal 1988, 26, 714-718.
• [10] Saigal S., Kapania R.K., Yang T.Y., Geometrically nonlinear finite element analysis of imperfect laminated shells, J. Composite Materials 1986, 20, 197-214.
• [11] Whitney J.M., Pagano N.J., Sear deformation in heterogeneous anisotropic plates, J. Applied Mechanics, Trans. ASME 1970, 37, 1031-1036.
• [12] Dong S.B., Tso F.K.W., On a laminated orthotropic shell theory including transverse shear deformation, J. Applied Mechanics, Trans. ASME 1972, 39, 1091-1096.
• [13] Reissner E., Small bending and stretching of sandwich-type shells, NACA Report No. 1950, 975, 483-508.
• [14] Jemielita G., Coefficients of shear correction in transversely nonhomogeneous moderately thick plates, J. Theoretical & Applied Mechanics 2002, 40, 73-84.
• [15] Kreja I., Geometrically non-linear analysis of layered composite plates and shells, Wydawnictwo Politechniki Gdańskiej, Gdańsk 2007.
• [16] Kulikov G.M., Non-linear analysis of multilayered shells under inertial stress, Int. J. Non-Linear Mechanics 2001, 36, 323-334.
• [17] Mau S.T., A refined laminated plate theory, J. Applied Mechanics, Trans. ASME 1973, 40, 606-607.
• [18] Pagano N.J., Stress fields in composite laminates, Int. J. Solids & Structures 1978, 14, 385-400.
• [19] Marc 2008 r1, Vol. B, Element Library, MSC. Software Co., Santa Ana, CA, USA
• [20] Marc 2008 r1, Vol. A, Theory and User Information, MSC. Software Co., Santa Ana, CA, USA.