Strength analysis of GFRP composite product taking into account its heterogenic structure for different reinforcements

• Autorzy: Frącz W. , Janowski G. , Ryzińska G.

Warianty tytułu

PL

Analiza wytrzymałościowa wyrobu z kompozytu GFRP z uwzględnieniem jego heterogenicznej struktury dla różnego zbrojenia

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

In this study prediction of the strength properties of composites made of polyester resin and continuous glass fiber reinforcement in established grades was performed. Structure modeling based on the numerical homogenization method was conducted using Digimat FE commercial code, taking into account the geometry and properties of all the composite components. In the first stage, analysis was performed for OCF M8610 mat. At the beginning the calculations were done for beam roving from S glass. Preliminary calculations were performed for the virtual composition of glass fibers-air, which allowed calculation of the yarn properties, directly used to build the glass mat model. The second stage of the calculation was carried out for glass mat saturated with polyester resin. For this purpose, roving bundle data and polymer matrix data were implemented. The volume fraction of the glass mat in the composite was also determined, and a random fiber orientation in the plane was defined. The properties of the fabric-resin composite were calculated for polyester resin and Cofab A1118B glass fiber plain weave fabric. The basic properties of the fiber in the analyzed bi-directional fabric were established on the basis of literature. The calculation of some fabric properties was conducted by a different algorithm than in the case of the mat. The last stage of property calculation for the warp and weft was to predict the weave properties based on the manufacturer's data. Only at this stage was the mean field method (MFM) used in the calculations. The geometrical dimensions of the reinforcements were calculated including its grammage, where the value is highly compatible with the grammage given in the literature. For both types of reinforcement visualization of the composite structure was performed. The calculated composite properties were used in strength simulations of a useful product for three variants of composite reinforcement: (a) polyester resin without reinforcement, (b) polyester resin with glass fiber mat, (c) polyester resin with glass fiber fabric, which allowed carrying out a comparative strength analysis.

PL

W pracy przeprowadzono prognozowanie wytrzymałości kompozytów wykonanych z żywicy poliestrowej i tkaniny lub maty z włókien szklanych w ustalonych gatunkach. Modelowanie struktury kompozytów wykonano z wykorzystaniem metody numerycznej homogenizacji z użyciem oprogramowania Digimat FE, biorąc pod uwagę geometrię i właściwości każdego składnika kompozytu. W pierwszym etapie przeprowadzono analizę dla maty w gatunku OCF M8610. Wykonano niezbędne obliczenia dla jednej wiązki rowingu typu S. Wstępne obliczenia dotyczyły wariantu kompozycji: włókna szklane - powietrze. Umożliwiły one obliczenie właściwości przędzy, bezpośrednio wykorzystywanej do budowy modelu maty szklanej. W drugim etapie przeprowadzono obliczenia dla kompozycji: mata - żywica poliestrowa. W tym celu uwzględniono dane wiązki i osnowy polimerowej. Określono także udział objętościowy maty szklanej w kompozycie oraz zdefiniowano, jako losową, orientację włókien w płaszczyźnie. Właściwości kompozycji typu tkanina - żywica obliczono dla tkaniny z włókna szklanego w gatunku Cofab A1118B i żywicy poliestrowej. Podstawowe właściwości włókna w analizowanej dwukierunkowej tkaninie zostały ustalone na podstawie literatury. Obliczenie niektórych właściwości tkaniny wykonano za pomocą innego algorytmu niż w przypadku maty. Ostatnim etapem obliczania właściwości osnowy i wątku było określenie splotu tkaniny zgodnie z danymi producenta. Obliczono geometryczne wymiary wzmocnienia kompozytu, w tym jego gramaturę, której wartość w dużym stopniu jest zgodna z gramaturą tkaniny określoną przez producenta. Wyłącznie na tym etapie zastosowano w kalkulacjach metodę homogenizacji uśrednionego pola (ang. MFM). Dla obydwóch typów wzmocnienia wykonano wizualizację struktury kompozytów. Obliczone właściwości kompozytu zostały wykorzystane do symulacji wytrzymałości wytworu użytkowego dla trzech wariantów wzmocnienia: a) żywicy poliestrowej bez zbrojenia, b) żywicy poliestrowej z matą z włókna szklanego, c) żywicy poliestrowej z tkaniną z włókna szklanego, co pozwoliło na przeprowadzenie wytrzymałościowej analizy porównawczej.

Słowa kluczowe

EN

GFRP composites; numerical homogenization; Digimat software

PL

kompozyty GFRP; homogenizacja numeryczna; program Digimat

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Materiałów Kompozytowych
• Czasopismo: Composites Theory and Practice
• Rocznik: 2017
• Tom: R. 17, nr 2
• Strony: 103--108
• Opis fizyczny: Bibliogr. 18 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Frącz W.

• Rzeszow University of Technology, Department of Materials Forming and Processing, al. Powstańców Warszawy 8, 35-959 Rzeszów, Poland

autor

Janowski G.

• Rzeszow University of Technology, Department of Materials Forming and Processing, al. Powstańców Warszawy 8, 35-959 Rzeszów, Poland

autor

Ryzińska G.

• Rzeszow University of Technology, Department of Materials Forming and Processing, al. Powstańców Warszawy 8, 35-959 Rzeszów, Poland

Bibliografia

• [1] Fliegener S., Micromechanical finite element modeling of long fiber reinforced thermoplastics (doctoral dissertation, Ph.D. thesis), Karlsruhe Institute of Technology (KIT), 2015.
• [2] Doghri I., El Ghezal M.I., Adam L., Finite strain mean-field homogenization of composite materials with hyperelastic-plastic constituents, International Journal of Plasticity 2016, 81, 40-62.
• [3] Doghri I., Ouaar A., Homogenization of two-phase elasto-plastic composite materials and structures: study of tangent operators, cyclic plasticity and numerical algorithms, International Journal of Solids and Structures 2003, 40, 1681-1712.
• [4] Sun, Huiyu, et al., Micromechanics of composite materials using multivariable finite element method and homogenization theory, International Journal of Solids and Structures 2001, 38.17, 3007-3020.
• [5] Sun C.T., Vaidya R.S., Prediction of composite properties from a representative volume element, Composites Science and Technology 1996, 56.2, 171-179.
• [6] Karihaloo B.L., Xiao Q.Z., Wu C.C., Homogenization-based multivariable element method for pure torsion of composite shafts, Computers & Structures 2001, 79.18, 1645-1660.
• [7] Frącz W., Janowski G., Strength analysis of molded pieces produced from wood-polymer composites (WPC) including their complex structures, Composites Theory and Practice 2016, 16, 260-265.
• [8] Al Kassem G., Weichert D., Micromechanical material models for polymer composites through advanced numerical simulation techniques, PAMM, 9, 413-414
• [9] Pierard O., LLorca J., Segurado J., Doghri I. (2007), Micromechanics of particle-reinforced elasto-viscoplastic composites: finite element simulations versus affine homogenization, International Journal of Plasticity 2009, 23, 1041-1060.
• [10] Kim D.S., Macosko C.W., Reaction injection molding process of glass fiber reinforced polyurethane composites, Polymer Engineering & Science 2000, 40(10), 2205-2216.
• [11] Dominguez R.J., Rice D.M., High strength continuous glass strand-polyurethane composites by the reaction injection molding process, Polymer Composites 1983, 4, 185-189.
• [12] Hedley C.W., Mold filling parameters in resin transfer molding of composites (doctoral dissertation), Montana State University Bozeman, 1994.
• [13] Trevino L., Rupel K., Young W.B., Liou M.J., Lee L.J., Analysis of resin injection molding in molds with preplaced fiber mats. I: Permeability and compressibility measurements, Polymer Composites 1991, 12, 20-29.
• [14] Yu B., James Lee L., A simplified in-plane permeability model for textile fabrics, Polymer Composites 2000, 21, 6605.
• [15] Yu B.M., Li J.H., Zhang D.M., A fractal trans-plane permeability model for textile fabrics, International Communications in Heat and Mass Transfer 2003, 30, 127-138.
• [16] Batch G.L., Cumiskey S., Macosko C.W., Compaction of fiber reinforcements, Polymer Composites 2002, 23, 307-318.
• [17] Material database from Autodesk Moldflow Insight 2013 commercial code.
• [18] DIGIMAT software documentation, e-Xstream engineering, 2015.

Uwagi

Opracowanie ze środków MNiSW w ramach umowy 812/P-DUN/2016 na działalność upowszechniającą naukę (zadania 2017).