Investigation of dynamic behaviour of laminated composite plates under cyclic loading

• Autorzy: Katunin A. , Fidali M.

Warianty tytułu

PL

Badanie zachowania dynamicznego laminowanych płyt kompozytowych podczas obciążeń cyklicznych

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Polymeric laminated composites show great potential in many engineering applications, especially in the aircraft industry, owing to their specific strength properties. Many machine components made of polymeric laminates are subjected to intensive vibrations. According to the viscoelastic nature of such composites, some specific effects e.g. energy dissipation could be observed during cyclic vibrations. Therefore, it is necessary to understand this behaviour and to develop appropriate methods and models for diagnostics and monitoring purposes. In this work the authors present the results of an experimental investigation into the vibration response of cyclically loaded glass-fiber reinforced polymeric (GFRP) rectangular plates. Initially, the frequency response functions (FRF) for the investigated specimens of various lengths were obtained during laboratory experiments. The natural frequencies of the specimens were determined based on their FRF. Then, the specimens were loaded on the first three natural frequencies to obtain characteristics showing the phenomenon of energy dissipation. Dynamic testing was carried out using a laser vibrometer and a piezoelectric force sensor. The evolution of the dynamic moduli was investigated based upon the measurement results, allowing estimation of the empirical model of material energy loss, necessary in building and testing the analytical model of the self-heating properties of the specimen material. The influence of an excitation frequency and the length of the specimens on their dynamic behaviour was additionally studied. The results of the conducted research could be successfully applied in diagnostics and structure health monitoring (SHM) applications and could be used to develop fatigue and fracture models of viscoelastic GFRP laminated composites.

PL

Laminowane kompozyty polimerowe z uwagi na wyjątkowe własności wytrzymałościowe mają duży potencjał do zastosowań w wielu aplikacjach inżynierskich, zwłaszcza w przemyśle lotniczym, motoryzacyjnym czy też maszynowym. Wiele elementów maszyn wykonanych z laminatów polimerowych poddawanych jest wibracjom o dużej intensywności. Z uwagi na lepkosprężystą naturę tego typu kompozytów podczas ich drgań można zaobserwować specyficzne charakterystyczne dla nich efekty, takie jak np. dyssypacja energii. Dlatego konieczne jest zbadanie i zrozumienie ich zachowania przy długotrwałych wymuszeniach dynamicznych oraz opracowanie odpowiednich modeli, a także metod pozwalających w skuteczny sposób monitorować i diagnozować ich stan techniczny. W niniejszej pracy autorzy przedstawiają wyniki badań eksperymentalnych polimerowych płyt prostokątnych zbrojonych włóknem szklanym, dotyczących częstotliwościowej identyfikacji charakterystyk wybranych parametrów dynamicznych podczas wymuszeń rezonansowych. Badania składały się z dwóch etapów. Pierwszy etap polegał na identyfikacji funkcji odpowiedzi częstotliwościowych dla próbek o różnych długościach. Pozwoliło to na określenie częstotliwości własnych drgań próbek. W drugim etapie próbki były pobudzane do drgań rezonansowych o częstotliwościach odpowiadających pierwszym trzem częstościom giętych drgań własnych. W trakcie badań pozyskano sygnały pozwalające wyznaczyć krzywe histerezy w funkcji czasu wymuszenia. Na potrzeby badań stosowano układ pomiarowy, w skład którego wchodziły m.in. wibrometr laserowy i czujnik siły. Na podstawie zmierzonych sygnałów wyznaczono obwiednie wartości szczytowych sygnałów siły i zastosowano je do identyfikacji modelu empirycznego. Na podstawie danych pomiarowych przeanalizowano zmianę modułów dynamicznych. Zbadano wpływ częstotliwości wymuszenia oraz długości próbek na ich zachowanie dynamiczne. Na podstawie uzyskanych wyników stwierdzono, że zaproponowany model może być skutecznie zastosowany do rozwoju modeli zmęczeniowych i wytężeniowych lepkosprężystych laminatów zbrojonych włóknem szklanym.

Słowa kluczowe

EN

polymeric laminated composites; dynamic response; hysteresis; dynamic moduli

PL

polimerowe kompozyty laminowane; odpowiedź dynamiczna; histereza; moduły dynamiczne

• Wydawca: Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej
• Czasopismo: Kompozyty
• Rocznik: 2011
• Tom: R. 11, nr 3
• Strony: 208--213
• Opis fizyczny: Bibliogr. 13 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Katunin A.

autor

Fidali M.

• Silesian University of Technology, Department of Fundamentals of Machinery Design, ul. Konarskiego 184, 44-100 Gliwice, Poland,

Bibliografia

• [1] Alam N., Asnani N.T., Vibration and damping analysis of fibre reinforced composite material plates, Journal of Composite Materials 1986, 20, 2-18.
• [2] Botelho E.C., Campos A.N., de Barros E., Pardini L.C., Rezende M.C., Damping behavior of continuous fiber/metal composite materials by the free vibrations method, Composites: Part B 2006, 37, 255-263.
• [3] Luo W., Yang T., Li Z., Yuan L., Experimental studies on the temperature fluctuations in deformed thermoplastics with defects, International Journal of Solids and Structures 2000, 37, 887-897.
• [4] Song B., Chen W., Yanagita T., Frew D.J., Temperature effects of dynamic compressive behavior of an epoxy syntactic foam, Composite Structures 2005, 67, 289-298.
• [5] Liu Z.Y., Beniwal S., Jenkins C.H.M., Winter R.M., The coupled thermal and mechanical influence on a glassy thermoplastic polyamide: Nylon 6,6 under vibro-creep, Mechanics of Time-Dependent Materials 2004, 8, 235-253.
• [6] Jeyaraj P., Ganesan N., Padmanabhan C., Vibration and acoustic response of a composite plate with inherent material damping in a thermal environment, Journal of Sound and Vibration 2009, 320, 322-338.
• [7] Kulik V.M., Semenov B.N., Morozova S.L., Measurement of dynamic properties of viscoelastic materials, Thermophysics and Aeromechanics 2007, 14, 211-221.
• [8] Osswald T.A., Menges G., Materials science of polymers for engineers, Hanser Verlag 2003.
• [9] Ochelski S., Metody doświadczalne mechaniki kompozytów konstrukcyjnych, WNT, Warszawa 2004.
• [10] Senchenkov I.K., Zhuk Ya.A., Karnaukhov V.G., Modeling the thermomechanical behaviour of physically nonlinear materials under monoharmonic loading, International Applied Mechanics 2004, 40, 943-969.
• [11] Katunin A., Hufenbach W., Kostka P., Holeczek K., Frequency dependence of the self heating effect in polymer-based composites, Journal of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering 2010, 41, 9-15.
• [12] Katunin A., Analytical model of the self-heating effect in polymeric laminated rectangular plates during bending harmonic loading, Eksploatacja i Niezawodność– Maintenance and Reliability 2010, 48, 91-101.
• [13] Tschoegl N.W., The Phenomenological Theory of Linear Viscoelasticity: An Introduction, Springer-Verlag, Berlin 1989.