Effect of cross-section geometry on load capacity of single-wave composite segment

• Autorzy: Klasztorny M. , Nycz D.

Warianty tytułu

PL

Wpływ geometrii przekroju poprzecznego na nośność jednofalowego segmentu kompozytowego

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The study examines a shell segment made of glass-polyester layered composites with fabric- or mat-reinforced layers. The segment is a single-wave, single-shell, and simply supported one, with a span, whose initial geometry and ply sequences were patterned after the cover segments of a selected rectangular tank in a sewage treatment plant in Germany. The aim of the study is multi-criteria quasi-optimization of the cross-section shape of the shell of the segment with flat flanges, with fixed, overall dimensions and ply sequences. The segment is subjected to a static three-point bending test with kinematic excitation. The optimization criteria are as follows: maximum load capacity of the segment, minimum weight of the segment, technological feasibility, and architectural effect. Numerical models of the segments with specified geometry of the cross-section (6 objects in total) were built using the Altair HyperMesh 11.0 system (finite element mesh) and MSC.Marc / Mentat 2010 (analysis set). The geometries were earlier prepared in the Generative Shape Design Catia v5r19 module. The numerical calculations (simulations) were performed using the MSC.Marc 2010 solver for non-linear analyses. The methodology for modelling and simulation of the composite shells, developed in the authors' previous papers, has been applied.

PL

W pracy rozpatrzono segment powłokowy wykonany z kompozytów warstwowych poliestrowo-szklanych mieszanych (warstwy wzmocnione tkaniną lub matą). Segment jest jednofalowy, jednopowłokowy, swobodnie podparty, o rozpiętości, geometrii wyjściowej i sekwencji warstw wzorowanej na przekryciu wybranego zbiornika oczyszczalni ścieków. Celem pracy jest wielokryterialna quasi-optymalizacja kształtu przekroju poprzecznego powłoki segmentu z płaskimi kołnierzami przy ustalonych wymiarach gabarytowych oraz sekwencjach warstw. Segment poddany jest próbie zginania statycznego trójpunktowego przy wymuszeniu kinematycznym. Kryteria optymalizacji są następujące: maksymalna nośność segmentu, minimalna masa segmentu, wykonalność pod względem technologicznym, efekt architektoniczny. Modele numeryczne segmentów o specyfikowanej geometrii przekroju poprzecznego (łącznie 6 obiektów) zbudowano przy użyciu systemu Altair HyperMesh 11.0 (siatka elementów skończonych) oraz systemu MSC.Marc / Mentat 2010 (opcje analizy). Geometrię segmentów przygotowano w module Generative Shape Design Catia v5r19. Obliczenia numeryczne (symulacje) wykonano za pomocą solwera analiz nieliniowych w systemie MSC.Marc 2010. Zastosowano metodykę modelowania i symulacji powłok kompozytowych opracowaną w poprzednich pracach autorów. Metodyka quasi-optymalizacji kształtu przekroju poprzecznego fali segmentu przekrycia kompozytowego, rozwinięta w niniejszej pracy, pozwala na relatywnie łatwe i szybkie wyznaczenie kształtu quasi-optymalnego. Jest to przekrój pośredni między półokręgiem a trójkątem równoramiennym, któremu odpowiada wartość zmiennej decyzyjnej h = 0,5R. Proponowany przekrój quasi-optymalny jest estetyczny i atrakcyjny pod względem architektonicznym, łatwy do realizacji technologicznej, mający nośność prawie dwukrotnie wyższą niż nośność segmentu bazowego i masę mniejszą o około 17% w porównaniu z segmentem bazowym. Przekrój ten może być zastosowany również w przypadku segmentów wielofalowych wykorzystywanych w przekryciach kompozytowych zbiorników prostopadłościennych.

Słowa kluczowe

EN

polymer-matrix fibre-reinforced composite cover; single-wave rectangular segment; glass-polyester laminate; three-point bending test; cross-section; multicriteria optimization

PL

przekrycie kompozytowe; segment prostokątny jednofalowy; laminat poliestrowo-szklany; test zginania trójpunktowego; przekrój poprzeczny; quasi-optymalizacja wielokryterialna

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Materiałów Kompozytowych
• Czasopismo: Composites Theory and Practice
• Rocznik: 2013
• Tom: R. 13, nr 1
• Strony: 40--46
• Opis fizyczny: Bibliogr. 21 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Klasztorny M.

autor

Nycz D.

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

Bibliografia

• [1] Covering Systems Technical Concept, C.F. Maier Europlast GmbH & Co KG, Königsbronn, Germany 2006.
• [2] Klasztorny M., Bondyra A., Romanowski R., Nycz D., Gotowicki P., Numerical modelling and simulation of RN B composite joint tensile test and experimental validation, Composites Theory and Practice 2012, 12, 3, 198-204.
• [3] Nycz D., Bondyra A., Klasztorny M., Gotowicki P., Numerical modelling and simulation of the composite segment bending test and experimental validation, Composites Theory and Practice 2012, 12, 2, 126-131.
• [4] Klasztorny M., Bondyra A., Szurgott P., Nycz D., Numerical modelling of GFRP laminates with MSC.Marc system and experimental validation, Computational Material Science 2012, 64, 151-156.
• [5] Romanowski R., ROMA's experience in the design, construction and operation of composite roofs of tanks and channels [in Polish], Research report, ROMA Ltd., Grabowiec 2009.
• [6] Workshop design of composite cover of Oxygen Stability Chamber in Sewage Treatment Plant in Goleniów [in Polish], BP KE „ERPRO” Ltd., Rybnik 2011.
• [7] Daniel I.M., Ishai O., Engineering Mechanics of Composite Materials, Oxford Univ. Press, New York Oxford 1994.
• [8] Jones R.M., Mechanics of Composite Materials, Taylor & Francis, London 1999.
• [9] Reddy J.N., On refined computational models of composite laminates, Int. J. for Num. Meth. in Eng. 1989, 27, 361-382.
• [10] Noor A.K., Burton W.S., Assessment of computational models for multilayered composite shells, Applied Mechanics Reviews 1990, 43, 67-97.
• [11] Shu X.P., A refined theory of laminated shells with higher order transverse shear deformation, Int. J. Solids & Structures 1997, 34, 673-683.
• [12] Sun C.T., Chin H., Analysis of asymmetric composite laminates, AIAA Journal 1988, 26, 714-718.
• [13] Saigal S., Kapania R.K., Yang T.Y., Geometrically nonlinear finite element analysis of imperfect laminated shells, J. Composite Materials 1986, 20, 197-214.
• [14] 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.
• [15] Reissner E., Small bending and stretching of sandwich type shells, NACA Report 1950, 975, 483-508.
• [16] Kreja I., Geometrically Non Linear Analysis of Layered Composite Plates and Shells, Gdańsk Univ. Technol. Press, Gdańsk 2007.
• [17] Kurnik W., Tylikowski A., Mechanics of Laminated Elements [in Polish], Warsaw Univ. Technol. Press, Warsaw 1997.
• [18] Marc 2008 r1, Vol. A, Theory and User Information, MSC. Software Co., Santa Ana, CA, USA.
• [19] Tsai S.W., Composites Design, 4th edn., Think Composites, Dayton 1987.
• [20] Marc 2008 r1, User’s Guide, MSC.Software Co., Santa Ana, CA, USA.
• [21] Marc 2008 r1, Vol. B, Element Library, MSC.Software Co., Santa Ana, CA, USA.