3D structural components made of fibrous composite materials subjected to service loading are analysed. The laminate consists of a matrix reinforced with a ply of long and unidirectional fibres. Participation of the fibres and matrix can vary in each layer. The main goal is to create a composite roof plate transferring variable loads of wet snow or fir and to investigate its strength properties in respect of (i) the type of fibres and matrix, and (ii) the volume fraction of the matrix and fibres within each layer. Modelling of shape and mechanical properties is reduced to the final phase of structural design, omitting time-consuming, expensive experimental tests. The numerical procedure is solved using the ADINA environment and finite element method code.
PL
Analizie poddano trójwymiarowe składniki konstrukcji wykonane z włóknistych materiałów kompozytowych, poddane obciążeniu eksploatacyjnemu. Laminat składał się z wypełnienia wzmocnionego przez warstwę długich włókien jednokierunkowych. Udział włókien i wypełnienia może być zmienny w każdej z warstw. Głównym celem było utworzenie kompozytowej płyty dachowej, która przenosi zmienne obciążenie mokrego śniegiem lub firnu i zbadanie jej własności wytrzymałościowych z uwagi na (i) typ włókien i wypełnienia, (ii) procentowy udział wypełnienia i włókien w każdej warstwie. Modelowanie kształtu i własności mechanicznych jest zredukowane do końcowej fazy projektowania konstrukcji i pomija czasochłonne, kosztowne badania eksperymentalne. Przykłady numeryczne zostały rozwiązane z wykorzystaniem środowiska ADINA i kodu metody elementów skończonych.
In this paper the problem of modelling graded materials in the form of a fibre composite with varying fibre diameter is considered. The aim of modelling was to determine the micro and macroscopic thermal properties of this type of material, in which the average thermal conductivity in relation to fibre saturation changes was calculated at any point of fibre FGM, and then the effective thermal conductivity of a whole layer of the material was determined. To do that, a unit cell of the material of given structure was isolated and the onedimensional heat flux passing through it was considered. As an effect of the investigation, the procedure of effective thermal conductivities calculation was presented and illustrated with a numerical example. Additionally the discrete and continuous approach to the effective thermal conductivities calculations were analysed and compared.
PL
W pracy zajęto się problemem modelowania włóknistych materiałów gradientowych o zmiennej średnicy włókien. Celem modelowania było określenie mikro i makro własności termicznych tego typu materiałów. Konsekwentnie, w dowolnym punkcie materiału gradientowego obliczono średni współczynnik przewodzenia ciepła w kierunku zmian nasycenia kompozytu włóknami a następnie określono efektywną przewodność cieplną całej warstwy materiału. W tym celu wyodrębniono elementarną komórkę materiału o określonej strukturze i rozpatrzono dla niej jednowymiarowy przepływ ciepła. Zaprezentowaną metodologię obliczania zastępczych współczynników ciepła zilustrowano numerycznym przykładem. Dodatkowo przeanalizowano i porównano dyskretne i ciągłe podejście do obliczenia zastępczych współczynników przewodzenia ciepła.
W pracy zajęto się problemem projektowania optymalnych struktur kompozytów włóknistych ze względu na ich własności przewodzenia ciepła. Projektowanymi parametrami kompozytu była orientacja włókien wypełniających warstwę kompozytu. Do poszukiwania optymalnych rozwiązań opracowano system optymalizacyjny będący szeregowym połączeniem algorytmu ewolucyjnego i gradientowego. Analizę zachowania się konstrukcji przeprowadzono metodą elementów skończonych zaś gradient funkcjonału celu wyznaczono korzystając z metody bezpośredniej analizy wrażliwości.
EN
The dissertation is devoted to the problem of optimal design of two-dimensional structures made of fibre composite materials with respect to their heat conductivity properties. The filling fibres orientation was chosen as design parameters. The hybrid optimization algorithm, consists of a sequence of evolution and gradient-oriented procedures was developed. The behaviour analysis of composite structure was carried out using finite element method and gradients of objective functional were obtained with usage of direct method of sensitivity analysis.
4
Dostęp do pełnego tekstu na zewnętrznej witrynie WWW
W pracy zajęto się problemem modelowania, analizy i projektowania optymalnych struktur kompozytów włóknistych obciążonych termicznie tak, aby element konstrukcyjny wykonany z tego materiału spełniał stawiane wymagania w zakresie określonych własności termicznych. Problem ten rozpatrzono z uwagi na orientację oraz kształt osi włókien wypełniających w poszczególnych warstwach materiału kompozytowego oraz kształt przekroju poprzecznego włókien. Do poszukiwania optymalnych rozwiązań opracowano system optymalizacyjny będący połączeniem algorytmów ewolucyjnych i gradientowych rozszerzonych o metodę elementów skończonych analizy układów termicznych oraz analizę wrażliwości. Efektywność opracowanej techniki optymalizacyjnej została zweryfikowana w pracy w postaci numerycznych przykładów obliczeniowych.
EN
The dissertation is devoted to the problem of optimal design of twodimensional structures made of filling fibre composite materials subjected to thermal loading. The problem of optimal design of fibre shape or orientation in the composite so that that the structural element made from this material fulfils the requirements imposed on its thermal properties. A homogeneous orthotropic model of the composite material is introduced for the purposes of structural analysis and optimal design of the most profitable orientation of fibers arrangement for the assumed structural behavior. The hybrid optimisation algorithm, consists of a sequence of evolution and gradient-oriented procedures, is applied during design process and it is supplemented with finite element method of heat transfer analysis.
Celem pracy było optymalne zaprojektowanie struktury kompozytu, tak aby materiał ten spełniał stawiane wymagania w zakresie określonych własności termicznych. Do rozwiązania sformułowanego zadania zastosowano gradientową metodę optymalizacyjną opartą na analizie wrażliwości funkcjonału celu w sposób bezpośredni rozszerzoną o metodę elementów skończonych analizy przepływu ciepła.
EN
The purpose of this work was the optimal designing of composite structure in order to obtain the material that fulfils imposed requirements on thermal properties. The gradient oriented algorithm was applied, in which the desired first order sensitivities of objective functional were calculated using the direct approach. To analyse the problem of heat transfer within structure domain, the finite element method was utilised.
W pracy zaproponowano metodę obliczania zastępczych współczynników przewodności cieplnej w kierunku wzdłużnym i poprzecznym do włókien dla elementu konstrukcyjnego wykonanego z wielowarstwowego materiału kompozytowego wzmacnianego długimi włóknami o różnym kształcie przekroju poprzecznego.
EN
A method of calculating of substitute heat conduction ratios in the alongside and crosswise direction to fibres for the constructional element made from the multi-layer composite material strengthened with the long, various crosssection shape fibres was proposed in the work.
JavaScript jest wyłączony w Twojej przeglądarce internetowej. Włącz go, a następnie odśwież stronę, aby móc w pełni z niej korzystać.