Homogenization of fiber metal laminate structures characterized by orthotropic and elastic - plastic material models

• Autorzy: Nowak, T.

Warianty tytułu

PL

Homogenizacja struktur kompozytowo - metalowych z wykorzystaniem modeli materiału ortotropowego oraz sprężysto - plastycznego

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

This paper gives a theoretical background and provides numerical calculations for the non-linear mechanical behavior of the panel structures consisting of fiber reinforced composite and aluminum laminates. Such structures offer high performance-to-weight ratio, therefore they are widely used in aerospace, subsea and high-pressure applications. The Classical Lamination Theory with orthotropic material properties is recalled and extended about elastic-plastic model for metal layers. The simplified stress-strain relation, as proposed by Hencky and Ilyushin, was applied to capture the influence of metal's plasticity on the mechanical performance of the hybrid structure. The numerical example showed, that at higher loads, the composite reinforcement provides a strong support for the aluminum layers when the metal approaches plastic deformation. In case of plastic flow within the aluminum, the bigger percentage of the external load is safely transferred to the composite fibers having much higher elastic limit. It prevents deformations of the aluminum laminate from being too large, and ensures the reliable operation of the Fiber Metal Laminates (FML) structure. Since the aluminum layers do not exhibit extensive strains, the application of Hencky-Ilyushin deformation theory seems to be reasonable for FMLs, even if aluminum layers are subjected to the anisotropic plastic flow. The proposed calculation method allows for very fast, but yet accurate, optimization of the Fiber Metal Laminate designs.

PL

W artykule przedstawiono podstawy teoretyczne, zilustrowane przykładem numerycznym, opisujące model laminatu metalowo-włóknistego składającego się z kompozytu polimerowego wzmacnianego włóknami węglowymi oraz warstw aluminium. Przedstawione struktury hybrydowe (Fiber Metal Laminate, FML) charakteryzują się wysokimi własnościami mechanicznymi w stosunki do ciężaru, dlatego są chętnie używane w przemyśle lotniczymi oraz stosowane w aplikacjach wysokociśnieniowych. W artykule klasyczną teorię laminatów (Classical Lamination Theory) uzupełniono o model sprężysto-plastyczny dla warstw metalowych. Zastosowano uproszczony model plastyczności zaproponowany przez Hencky'ego i Iljuszyna. Podano rozwiązanie numeryczne dla przypadku panelu FML poddanego płaskiemu obciążeniu dwuosiowemu. Wykazano, że w przypadku znacznego wytężenia, gdy dochodzi do uplastycznienia aluminium, znaczna część obciążeń zewnętrznych przekazywana jest do warstw kompozytu włóknistego, który charakteryzuje się znacząco wyższą granicą sprężystości. Takie zachowanie zabezpiecza warstwy aluminium przed nadmiernym płynięciem i umożliwia bezpieczną eksploatację struktury hybrydowej, nawet w przypadku wysokich obciążeń. Wykazano, że przyjęta metoda obliczeniowa charakteryzuje się wystarczającą dokładnością, a dzięki swojej szybkości umożliwia przemysłową optymalizację hybrydowych struktur FML.

Słowa kluczowe

EN

composite-reinforced metal structures; elastic-plastic orthotropic material; fiber metal laminates; FML; Hencky-Ilyushin deformation theory

• Czasopismo: Computer Methods in Materials Science
• Rocznik: 2015
• Tom: Vol. 15, No.1
• Strony: 169--175
• Opis fizyczny: Bibliogr. 13 poz., rys.

Twórcy

autor

Nowak, T.

• ABB Corporate Research Center, Starowiślna 13A Street, 31-138 Krakow, Poland ,

Bibliografia

• ABAQUS Analysis, version 6.12, 2013, User's Manual. Volume III, Dassault Systèmes (access October 2014)
• Chakrabarty, J., 1987, Theory of Plasticity, McGraw-Hill, New York.
• Crawford, R.J., 2002, Plastics Engineering, Elsevier, New York.
• Gabryszewski, Z., Gronostajski, J., 1991, Mechanika Procesów Obróbki Plastycznej, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa (in Polish).
• Gay, D., Hoa. S.V., Tsai, S.W., 2002, Composite Materials: Design and Applications. CRC Press, New York.
• Herakovitch, C, 1998, Mechanics of Fibrous Composites, John Wiley & Sons, New York.
• Hill, R., 1950, The Mathematical Theory of Plasticity, Clarendon Press, Oxford.
• Jones, R., 1998, Mechanics of Composite Materials 2nd ed., CRC Press, Oxford.
• Kroner, E., 1972, Statistical Continuum Mechanics, Springer Verlag, New York.
• Lekhnitskii, 5.G., 1981, Theory of Elasticity of an Anisotropic Body, Mir Publishers, Moscow
• Nowak, T., 2013, Modeling and Optimization of Fiber Reinforced Pressure Chamber for Subsea Applications, Composites Theory and Practice, 13, 275-281.
• Nowak, T., Schmidt, J., 2014, Prediction of Elasto-Plastic Behavior of Pressurized Composite Reinforced Metal Tube by Means of Acoustic Emission Measurements and Theoretical Investigation, Journal of Composite Structures, 118,49-56.
• Vlot, A., Gunnink, J.W., 2001, Fibre Metal Laminates: An Introduction, Kluwer Academic Publishers, Dordrecht.