Numeryczno eksperymentalna walidacja próby ścinania międzywarstwowego laminatu szklano poliestrowego

Transkrypt

1 BARNAT Wiesław 1 TRZASKA Malwina 2 KICZKO Andrzej 3 Numeryczno eksperymentalna walidacja próby ścinania międzywarstwowego laminatu szklano poliestrowego 1 WSTĘP Łodzie specjalne typu airboat są to łodzie płaskodenne z napędem śmigłowym. Przeznaczone do przemieszczania się po terenach trudno dostępnych, a także o nieznanym charakterze dna (np. tereny infrastruktury miejskiej zalane przez falę powodziową). Są stosowane podczas akcji ratowniczych na terenach zalewowych. Służą także jako jednostki ewakuacyjne. W łodziach przemieszczających się po różnego typu zbiornikach wodnych istotną kwestią jest zabezpieczenie aluminiowego kadłuba. W tym celu stosowane są zewnętrzne warstwy ochronne wykonane z materiałów kompozytowych lub polietylenowych. Łodzie płaskodenne typu airboat pełniące funkcje ewakuacyjne narażone są na uszkodzenia dna kadłuba ze względu na możliwość napłynięcia na podwodną przeszkodę. Do takich przeszkód można zaliczyć wystające korzenie czy elementy infrastruktury miejskiej, które zostały podtopione (np. kosze na śmieci, znaki drogowe, krawężniki). W celu dodatkowego zabezpieczenia dna oraz burt łodzi stosowne są warstwy ochronne, które mogą być wymieniane. Rys. 1 Przykładowa łódź specjalna przeznaczona do akcji ratowniczych W pracy przedstawiono część badań dotyczących doboru materiału na warstwę ochronną airboata. Badania miały na celu wyłonienie spośród materiałów dostępnych na rynku materiału optymalnego pod kątem kształtowania oraz własności mechanicznych. W niniejszym artykule przedstawiono proces walidacji numeryczno doświadczalnej próby ścinania międzywarstwowego kompozytu. Model materiałowy wykorzystany w walidacji numerycznej próby ścinania będzie wykorzystany w przyszłych pracach dotyczących numerycznego modelowania wypłynięcia łodzi na brzeg czy wpłynięcia na podwodną przeszkodę. 1 Wojskowa Akademia Techniczna, Wydział Mechaniczny, Katedra Mechaniki i Informatyki Stosowanej, Warszawa, ul. Kaliskiego 2, Tel , wbarnat@wat.edu.pl 2 Wojskowa Akademia Techniczna, Wydział Mechaniczny, Katedra Mechaniki i Informatyki Stosowanej, Warszawa, ul. Kaliskiego 2, Tel , mtrzaska@wat.edu.pl 3 Wojskowa Akademia Techniczna, Wydział Mechaniczny, Katedra Mechaniki i Informatyki Stosowanej, Warszawa, ul. Kaliskiego 2, Tel , akiczko@wat.edu.pl 61

2 W pracy przedstawiono wyniki badań ścinania międzywarstwowego kompozytu wzmocnionego tkaniną szklaną GBX 600 w osnowie żywicy polimerowej Polimal 104. Płyty do badań wykonała firma ROMA Sp. z o.o. 2 OBIEKT BADAŃ Obiektem badań były prostopadłościenne próbki wykonane z laminatu szklanego, odpowiadające wycinkowi elementu warstwy ochronnej łodzi płaskodennej. Warstwa ta zbudowana jest z trzech warstw tkaniny o łącznej grubości 3 mm. W badaniach wykorzystano próbki wycięte z płyty kompozytowej wykonanej z kompozytu wzmocnionego tkaniną szklaną GBX 600 w osnowie żywicy polimerowej Polimal 104 wykonany przez firmę ROMA Sp. z o.o. Próbki materiałowe przedstawiono na rysunku 2. Rys. 2 Rzeczywisty obiekt badań. Rys. 3 Model dyskretny zagadnienia 62

3 3 ANALIZA NUMERYCZNA 3.1 Model dyskretny W celu zbudowania modelu materiałowego kompozytu odpowiadającego badanemu materiałowi utworzono model numeryczny próby ścinania międzywarstwowego. Siatkę obliczeniową przygotowano w programie HyperMESH. Trójwymiarowy model geometryczny podzielono elementami bryłowymi 3D. 3.2 Model konstytutywny Złożona budowa materiałów kompozytowych wymaga uwzględnienia mechanizmów zniszczenia. Do zamodelowania niszczenia laminatu zastosowano zaawansowany model konstytutywny materiału uwzględniający następujące kryteria zniszczenia struktury: a) Zniszczenie na skutek rozciągania oraz ścinania: b) Zniszczenie na skutek ściskania: (1) c) Zniszczenie na skutek miażdżenia objętościowego: (2) Dane materiałowe do równań konstytutywnych zostały wyznaczone drogą eksperymentalną dla prób rozciągania, ścinania i ściskania (rys. n) laminatu. (3) Rys. 4 Próba rozciągania próbki z materiału kompozytowego. Tabela 1 prezentuje wartości poszczególnych parametrów służących do opisu materiału. 63

4 Tab. 1 Własności materiałowe dla materiału. Moduł sprężystości E 1 MPa Moduł sprężystości E 2 MPa Moduł sprężystości E 3 MPa - Współczynnik Poissona ν Współczynnik Poissona ν Współczynnik Poissona ν Moduł ścinania G 12 MPa 3890 Moduł ścinania G 23 MPa - Moduł ścinania G 31 MPa 3200 Wytrzymałość na rozciąganie R 1T MPa 525 Wytrzymałość na ściskanie R 1C MPa 318 Wytrzymałość na rozciąganie R 2T MPa 475 Wytrzymałość na ściskanie R 2C MPa 318 Wytrzymałość na rozciąganie R 3T MPa 393 Wytrzymałość na ścinanie R 12 MPa 44,2 Wytrzymałość na ścinanie R 13 MPa 45,6 3.3 Warunki analizy Wymuszenie dynamiczne próbki było realizowane za pomocą przemieszczenia kinematycznego trzpienia obciążającego. Prędkość ruchu elementów odpowiadała prędkości ruchu trzpienia w trakcie badań eksperymentalnych, tj. 2 mm/min. Zastosowany do zamodelowania algorytm kontaktu bazujący na metodzie funkcji kary uwzględniał erozję elementów skończonych kompozytu będących w kontakcie. Analiza przebiegała przy użyciu jawnego schematu całkowania równań. 4 BADANIA EKSPERYMENTALNE Ze względu na funkcję ochronną zewnętrznej warstwy ważnym aspektem jest uzyskanie informacji odnośnie wytrzymałości na ścinanie w płaszczyźnie 12 i 13 (rysunek 4). Rys. 5 Kierunki wzmocnienia kompozytu a) monotropowego, b) wzmocnionego tkaninami Znajomość wartości sił ścinających pozwoli stworzyć warstwę ochronną o odpowiednich parametrach, ze szczególnym uwzględnieniem ryzyka uszkodzenia, np. poprzez delaminację w wyniku wpłynięcia na podwodną przeszkodę. Ścinanie międzywarstwowe pozwala wyznaczyć wartość siły ścinającej w płaszczyźnie 13 kompozytu (rys. 4), prowadzącej do uszkodzenia próbki. Próba ścinania międzywarstwowego jest realizowana jako trójpunktowe zginanie krótkiej wiązki [1]. Schemat badania przedstawiono na rysunku 5. 64

5 Rys. 6 Schemat obciążenia próbki podczas badań ścinania międzywarstwowego [2] Badanie eksperymentalne próby ścinania międzywarstwowego przeprowadzono w Laboratorium Wytrzymałości Materiałów w Katedrze Mechaniki i Informatyki Stosowanej WAT. Badania zostały zrealizowane przy użyciu uniwersalnej maszyny wytrzymałościowej Instron 8862 o głowicy pomiarowej 250 kn. Prędkość badania była równa 2 mm/min. 5 WYNIKI Wyniki badań numerycznych zostały przedstawione jako wartość siły wywieranej na powierzchnię analizowanej próbki do momentu uszkodzenia. Numeryczną zależność zmiany siły w czasie obrazuje rysunek 8. Rysunek 9 przedstawia wartość siły otrzymaną w wyniku badań eksperymentalnych. Rys. 7 Uszkodzenie laminatowej płytki pod wpływem zadanego obciążenia. 65

6 Rys. 8 Wartość siły niszczącej w płaszczyźnie 13 Rys. 9 Krzywe obrazujące naprężenia w materiale podczas próby ścinania międzywarstwowego. Z przedstawionych rysunków obrazujących rozkład siły do momentu uszkodzenia laminatu widać dobrą zgodność modelu numerycznego z badaniami eksperymentalnymi. Na podstawie wartości sił otrzymanych w wyniku badań eksperymentalnych wyznaczono wartość naprężeń, przy jakich występuje uszkodzenie laminatu w postaci ścinania pomiędzy warstwami w kompozycie. Wartość siły ścinającej wyznaczono z zależności: 3 F R13 (4) 4 b h gdzie: b, h wymiary próbki F wartość siły powodująca uszkodzenie. Wartości liczbowe otrzymane dla każdej z próbek zebrano i przedstawiono w tabeli 2. W wyniku badań otrzymano wartości siły, które przedstawiono w tabeli 1. 66

7 Tab. 2 Wartość naprężeń niszczących. N grubość szerokość R [MPa] ,9 45, ,9 45, ,9 44, ,9 48, ,9 44, ,9 45, ,9 45,497 6 PODSUMOWANIE W wyniku przeprowadzonej walidacji numeryczno - eksperymentalnej otrzymano model konstytutywny badanego materiału. Badania doświadczalne oraz numeryczne pozwoliły określić wartość siły, przy której następuje uszkodzenie kompozytu w płaszczyźnie 13. Otrzymany w wyniku prac model konstytutywny dla materiału kompozytowego wytworzonego z tkaniny szklanej o oznaczeniu handlowym GBX 600 w osnowie żywicy polimerowej będzie wykorzystany w dalszych pracach poświęconych badaniom warstwy ochronnej kadłuba aluminiowego łodzi specjalnej. Streszczenie Łodzie specjalne typu airboat, to łodzie płaskodenne o napędzie śmigłowym służące do szybkiego przemieszczania się po terenach trudno dostępnych i zbiornikach wodnych o nieznanym charakterze dna (np. tereny miejskie podczas powodzi). Ze względu na udział w akcjach ratowniczych ważną kwestią jest odpowiednie zabezpieczenie aluminiowej konstrukcji kadłuba. W tym celu budowane są zewnętrzne warstwy ochronne. Materiałami stosowanymi na tego typu rozwiązanie są materiały kompozytowe. Niniejsza praca poświęcona jest walidacji numeryczno eksperymentalnej próby ścinania międzywarstwowego laminatu szklano poliestrowego. Próba ta miała na celu wyznaczenie wartość siły powodującej uszkodzenie laminatu w płaszczyźnie 13. Próbę ścinania międzywarstwowego zrealizowano poprzez zginanie krótkiej wiązki. Badania eksperymentalne przeprowadzono na uniwersalnej maszynie wytrzymałościowej Instron 8862 w Laboratorium Wytrzymałości Materiałów w Katedrze Mechaniki i Informatyki Stosowanej. Model dyskretny przygotowano w programie HyperMESH, natomiast obliczenia wykonano przy użyciu solvera LS Dyna. Numerical and experimental validation of interlaminar shear the glass polymer composite Abstract The special boats like airboat, flat bottomed boats with propeller for fast movement of the difficult to access areas and water tanks of unknown nature (ex. Urban areas during floods). Due to participation in rescue important is adequate protection of aluminum structure of hull. The outer protection layers are built for this purpose. The material used for construction is composite. The paper present the numerical and experimental validation of interlaminar shear test the glass polyester composite. An attempt was made to designate the force causing damage to the laminate shear interlaminar 13 test was carried out by bending a short beam. Experimental studies were carried out on a universal testing machine Instron 8862 in the Laboratory of Strength of Materials in the Department of Mechanics and Applied Computer Science. Discrete model prepared in the HyperMesh, and calculations were performed using LS Dyna solver. BIBLIOGRAFIA (styl Nagłówek 1) 1. S. Ochelski, Metody doświadczalne mechaniki kompozytów konstrukcyjnych, WNT, Warszawa PN-EN ISO 14130: LS Dyna Theory Manual 4. LS Dyna Keyword User s Manual 67