Static and fatigue strength composite plates with holes

• Autorzy: Barski M.

Warianty tytułu

PL

Statyczna i zmęczeniowa wytrzymałość kompozytowych płyt z otworami

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The number of structures made from multi-layered composite materials increases every year. Some of these structures include different cutouts, which result from the manufacturing process or are needed for maintenance. This kind of discontinuities are the source of stress concentrations, which cause the nucleation and evolution of various forms of damages in composite materials. The problem of the damage becomes particularly important when the structure is subjected to cyclic loads. The present work concentrates on the investigation of the strength evaluation for rectangular composite plates with internal holes of different shapes. Numerical results are presented for circular, elliptic and square (with rounded corners) holes placed in the centre of a plate, which is subjected to bi-directional tension pressure imposed along the outer edges. It is assumed that the stacking sequence is symmetric with respect to the middle surface of the structure. The considered plates are made from an angle-ply laminate, which consists of the twelve layers with a fiber orientation angle ±θ, for example [±5°, ±5°, ±5°, ±5°]s, where 's' denotes the symmetry. The fiber orientation angle θ is studied in order to find the maximum strength of the considered plate. The solution is sought from the following discrete values, namely [0°, 5°, 10°, 15°, ... , 90°]. The numerical calculations are performed with the use of the multipurpose finite element code ANSYS 12.1. In order to estimate the static strength of the structure, the linear (admissible stress) first ply failure criteria are applied. The influence of the geometry of the plate and the cutout on the optimal solution (fiber orientation angle ±θ) is also investigated. It is assumed that the ratio of the area of the analyzed plate and the hole is constant for the different shapes of holes. Simulations are performed for the two different materials, where the ratio of Young's modulus E1, E2 equal, respectively, E1/E2 << 1 (anisotropy) and E1/E2 ≈ 1 (quasi-isotropy).

PL

Obecnie z wielowarstwowych materiałów kompozytowych wykonywanych jest coraz więcej elementów konstrukcji. Wiele z tych elementów posiada rozmaite otwory niezbędne w procesie montażu, a następnie w procesie eksploatacji. Tego typu nieciągłości stanowią główną przyczynę powstawania koncentracji naprężeń. Zjawisko to z kolei jest przyczyną powstawania i narastania uszkodzeń, szczególnie przy obciążeniach zmiennych w czasie. Z tego też powodu niezwykle istotne staje się zagadnienie optymalnego projektowania tychże materiałów z punktu widzenia wytrzymałości zmęczeniowej. W pracy rozważano płaski, prostokątny element kompozytowy z centralnie zlokalizowanym kołowym, eliptycznym lub kwadratowym otworem. Element ten poddany jest działaniu ciśnienia przyłożonego na krawędziach zewnętrznych. Obciążenie to ma charakter proporcjonalny i zawarte jest w płaszczyźnie elementu. Założono symetryczną względem powierzchni środkowej konfigurację laminatu typu angle-ply, złożoną z ośmiu warstw wykonanych z identycznego materiału. Celem optymalizacji jest wskazanie takiej wartości kąta orientacji włókien ±θ, która gwarantuje największą możliwą wytrzymałość konstrukcji statyczną konstrukcji, a co za tym idzie, również zmęczeniową. Rozwiązanie poszukiwane jest w zbiorze wartości dyskretnych [0°, 5°, 10°, 15°, … , 90°]. Do wykonania niezbędnych obliczeń wytrzymałościowych wykorzystano komercyjny system oparty na metodzie elementów skończonych ANSYS 12.1. Do oszacowania nośności konstrukcji wykorzystano liniowe (naprężeniowe) kryterium zniszczenia typy first ply failure. Analizie poddano również wpływ zarówno wymiarów geometrycznych płyty, jak i otworu na optymalne wartości kąta orientacji włókien, przy czym założono, że pole powierzchni rozważanych płyt oraz otworów jest stałe. Symulacje przeprowadzono dla dwóch materiałów, dla których stosunek wartości modułów Younga wynosi odpowiednio E1/E2 << 1 oraz E1/E2 ≈ 1.

Słowa kluczowe

EN

laminate; failure criteria; finite element method; stacking sequence optimization; damage; plate with hole

PL

laminat; kryteria zniszczenia; metoda elementów skończonych; uszkodzenie; optymalizacja; płyta z otworem

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Materiałów Kompozytowych
• Czasopismo: Composites Theory and Practice
• Rocznik: 2014
• Tom: R. 14, nr 1
• Strony: 3--7
• Opis fizyczny: Bibliogr. 10 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Barski M.

• Cracow University of Technology, Faculty of Mechanical Engineering, Institute of Machine Design al. Jana Pawła II 37, 31-864 Krakow, Poland

Bibliografia

• [1] Muc A., Effectiveness of optimal design with respect to computational models for laminated composite structures weakened by holes, Struct. Optim. 2000, 19,169-182.
• [2] Pedersen P., Tobiesen I., Jensen S.H., Shapes of orthotropic plates for minimum energy concentration, Mech. Struct. 1998, March 20(4), 499-514.
• [3] Muc A., Ulatowska A., Local fibre reinforcement of holes in composite multilayered plates, Comp. Struct. 2012, 94 1413-1419.
• [4] Engels S., Becker W., Optimization of hole reinforcements by doublers, Struct. Multidisc. Optim. 2000, 20, 57-66.
• [5] Abuelfoutouh N.M., Preliminary design of unstiffened composite shells, Proc. Symp. 7th Technical Conf. ASC 1993, 693-786.
• [6] Muc A., The mechanics of fiber composite materials (in Polish), Księgarnia Akademicka, Kraków 2003.
• [7] Madenci E., Guven I., The Finite Element Method and Application in Engineering Using ANSYS, Springer Science + Business Media 2006.
• [8] Muc A., Design of composite structures under cyclic loads, Comp. & Struct. 2000, 76, 211-218.
• [9] Muc A., Kędziora P., A fuzzy set analysis for a fracture and fatigue damage response of composite materials, Comp. Struct. 2001, 54, 283-287.
• [10] Muc A., A fuzzy set approach to interlaminar cracks simulation problems, Int. J. Fatigue 2002, 24, 419-427.