Continuum damage mechanics model for injection molded composites

• Autorzy: Młyniec A. , Pieczonka Ł. , Uhl T.

Warianty tytułu

PL

Kontynualny model pękania wtryskiwanych elementów kompozytowych

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Continuum damage model for injection molded composite specimen is proposed in this paper. Injection molded parts made of glass fibers reinforced composites have significantly different properties depending on fibers orientation. Most of the structural polymers carrying the loads are crystalIic or semi-crystallic. Such material structure is naturalIy described using geometrie pattem, known as Voronoi diagram. Each material erystal represented by Voronoi celI, generated from random set of points, may have different material parameters related to fiber alignment. Crack propagation along grain boundaries is simulated using surface-based cohesive behaviour in commercial FEA code. The constitutive behaviour of surface-based cohesive interface damage is defined in terms of traction-separation. The damage initiation and evolution defined in terms of traction-separation, is described by the strength and critical energy release rate of the interface. Reinforcing fiber orientation is taken from mold filling numerical analysis. In present analysis, the homogenised properties with the elasticity tensor are assumed to be orthotropic. The obtained results showed fracture path sensitivity to orthotropy and will alIow evaluating material parameters during further laboratory test.

PL

W publikacji zaproponowano kontynualny model pękania struktur kompozytowych wytwarzanych metodą wtrysku. Wypraski z tworzyw mają znacząco różne własności w zależności od kierunku płynięcia stopionego tworzywa w gnieździe formy. Znakomita większość strukturalnych tworzyw sztucznych jest tworzywami częściowo-krystalicznymi których stopień krystalizacji może ulegać zmianie, w zależności od warunków wytwarzania. Taka struktura materiału jest w naturalny sposób opisywana geometrią znaną jako diagram Voronoi. Każde ziarno materiału reprezentowane przez komórkę Voronoi, wygenerowaną z losowego rozkładu punktów, może mieć niezależnie przypisane własności materiałowe w zależności od kierunku ułożenia włókien w strukturze. Ponadto w takiej strukturze możliwe jest również zdefiniowanie warunków inicjacji i propagacji pęknięcia wzdłuż granicy ziaren, również uzależnione od układu włókien. W publikacji przedstawiona została metoda symulacji pękania struktur krystalicznych wzmocnionych włóknami. Pękanie wzdłuż granicy ziaren zrealizowane zostało w komercyjnym kodzie MES, przy użyciu kohezyjnego zachowania elementu opartego na interakcji powierzchniowej. Układ włókien importowany jest z programu do symulacji wtrysku tworzyw termoplastycznych. W przedstawionej analizie zdefiniowano ortotropowe własności materiałowe, wraz z przypisanymi lokalnymi układami współrzędnych, niezależnie dla każdego ziarna. Wyniki analiz pokazały znaczący wpływ kierunku ułożenia włókien na ścieżkę propagacji pęknięcia. Uzyskane rezultaty pozwolą na dalsze, bardziej rozbudowane analizy dotyczące mechaniki pękania, oraz pozwolą na dokładniejszą predykcję zachowania się elementów konstrukcyjnych.

Słowa kluczowe

EN

crack propagation; grain boundaries; Voronoi diagram; composites

PL

kompozyty; wtryski z tworzyw; pękanie; diagram Voronoi

• Wydawca: Warsaw University of Technology, Faculty of Transport
• Czasopismo: Archives of Transport
• Rocznik: 2009
• Tom: Vol. 21, iss. 3-4
• Strony: 101--114
• Opis fizyczny: Bibliogr. 28 poz., rys.

Twórcy

autor

Młyniec A.

autor

Pieczonka Ł.

autor

Uhl T.

• Akademia Górniczo-Hutnicza, Instytut Robotyki i Mechatroniki 30-059 Kraków, al. Mickiewicza 30

Bibliografia

• 1. Weisstein Eric W.: Voronoi Diagram. From MathWorld-A Wolfram Web Resource. http://mathworld. wolfram.comNoronoiDiagram.html.
• 2. Helton J.C., Davis F.J.: Latin Hypercube Sampling and the Propagation of Uncertainty in Analyses of Complex Systems. SANDIA REPORT SAND2001-0417, November 2002.
• 3. Barber e.B. et. al.: The Quickhull Algorithm for Convex Hulls. ACM Transactions on Mathematical Software, 22(4):469-483, http://www.qhull.org.
• 4. Callister W.D.: Fundamentais of Material Science and Engineering. John Willey&Sons, 2008.
• 5. De Berg, et. al.: Computational Geometry: Algorithms and Applications. 2nd rev. ed. Springer Verlag, Berlin, 2000.
• 6. Myers C.R et. al.: Python for education: computational methods for nonlinear systems. Computing in Science and Engineering, 9(3), 75-79, 2007.
• 7. Myers C.R et. al.: Software methodologies for multiscale descriptions of defects, deformation and fracture. Proceedings of the 10th International Conference on Fracture, 2001.
• 8. Sukomar N. et.al.: Voronoi-based Interpolants for Fracture Modeling. Department of Civil and Environmental Engineering, University of California, 2008.
• 9. Sukomar N. et. al.: Finite element-based model for crack propagation in polycrystalline materials. Computational & Applied Mathematics, 2004.
• 10. Iesulauro E., Ingrafea A.R., Arwarde S., Wawrzynek P.A.: Simulation of grain Bondary decohesion and crack initiation in aluminium microstructure models. Fatique and Fracture Mechanics: 33 rd. Volume, ASTM STP 1417, Reuter WG and Piascik RS (eds). American Society of Testing and Materials: West Conshohocken, 715-728, 2002.
• 11. van der Giessen E., Tvergaard Y. "Effect of random variations in microstructure on the development of final creep failure in polycrystalline aggregates." Modell. Simul. Mater. Sci. Eng. 2: 721-738, 1994
• 12. van der Giessen E., Onck P.R., van der Burg MWD.: Some effects of random microstructuralvariations on creep rapture. Eng. Fract. Mech. 57: 205-226, 1997.
• 13. Berton S., Bolander J.E.: Crack band model of fracture in irregular lattices. Comput. Metchods Appl. Mech. Eng. 195: 7172-7181, 2006.
• 14. Boleander J.E., Choi S.: Fracture of fiber-reinforced cement composites: effects of fiber dispersion. Int. J. Fract. 154: 73-86, 2008.
• 15. Abaqus Analysis User's Manual. Abaqus documantetion Version 6.8. Simulia, 2008.
• 16. Benzeggagh M.L., M. Kenane: Measurement of Mixed-Mode Delamination Fracture Toughness of Unidirectional Glass/Epoxy Composites with Mixed-Mode Bending Apparatus. Composites Science and Technology, Vol. 56, pp. 439-449, 1996.
• 17. MoldFlow MPI Documentation.
• 18. Jeffery G.B.: The Motion of Ellipsoidal Particles Immersed in Viscous Fluid. Proc. Roy. Soc., A102, p. 161, 1922.
• 19. Folgar F.P., Tucker C.L.: Orientation Behaviour of fibers in Concentrated Suspensions. J. Reinf. Plas. Compos., 3, p. 98, 1984.
• 20. Moore D.R. and Turner S.: Mechanical evaluation strategies for plastics. Woodhead Publishing Ltd, 2001.
• 21. Moalli J.: Plastics Failure Analysis and Prevention. Plastic Design Library, 2001.
• 22. Shah Y.: Handbook of Plastics Testing Technology. John Willey&Sons, 1998.
• 23. Ingraffea A.R.: Computational Fracture Mechanics. Encyclopedia of Computational Mechanics, John Willey & Sons, 2001.
• 24. Evans A.G..: The topological design of multifunctional cellular materials. Progress in Material Science 46, 309-32, 2001.
• 25. Stephen N.G.: Macaulay's method for Timoshenko beam. International Journal of Mechanical Engineering Education 35/4, 2001.
• 26. Vincent M. et. al.: Description and modeling of fiber orientation in injection molding of fiber reinforced thermoplastics. Polymer, Vol. 40, p. 6719-6725, 2005.
• 27. Gall K., Iesualuro E., Hui H., Ingraffea A.R.: Atomistic and continuum based fracture modeling in single crystal silicon. Advances in Computational Engineering & Sciences 2000, Atluri S. and Burst F. (eds), Vol. II. Tech Science Press: Encino, 2000, 2000-2006.
• 28. Wawrzynek P.A., Ingraffea A.R.: Interactive Finite Element analysis of fracture processes, an integrated approach. Theor. Appl. Fract. Mech, Vol. 8, pp. 137-150, 1987.