WIRTUALIZACJA PĘKANIA MIĘDZYWARSTWOWEGO KOMPOZYTU VIRTUALIZATION OF INTERLAYER CRACK PROPAGATION IN CRF COMPOSITE

Transkrypt

1 Mgr inż. Jack Skrpk AvioAro Bilsko-Biała Pro. dr hab. inż. Jack Stadnicki ATH Bilsko-Biała WIRTUALIZACJA PĘKANIA MIĘDZYWARSTWOWEGO KOMPOZYTU Strscni: W artkul prdstaiono modl MES kompotu arstogo mocniongo tkaniną łókin ęgloch. Modl uględnia nętrną strukturę mocninia ora tchnologię jgo tarania. Modl korstano do smuloania propagoania pęknięcia międ arstogo kompoci mocnionm 6. arstami tkanin łókin ęgloch. Za krtrium pękania kompotu prjęto prkrocni dopuscalngo dłużnia osnoi kompotu. Wniki anali i smulacji porónano nikami ksprmntu. Słoa kluco: kompot arsto, modl MES, dlaminacja VIRTUALIZATION OF INTERLAYER CRACK PROPAGATION IN CRF COMPOSITE Abstract: Th olloing articl shos th FEM modl o a laminat composit rinorcd ith abric mad o roving o carbon ibrs. Th modl considrs th intrnal structur o th rinorcmnt and th manuacturing procss o its production. This modl as usd or a simulation o a crack propagation in th 6-lars o carbon ibr laminat. Ecding prmissibl strains in th nods corrsponding to th po rsin - th arp o th sampl as accptd as th critrion or damag. Th rsults o th simulation r thn compard ith th rsults o th primnts. Kords: laminat composit, FEM modl, dlamination. WPROWADZENIE Dnamicn roój matriałó kompotoch dtrminuj konicność ni tlko doskonalnia mtod ich tarania, al róniż mtod oblicnioch, umożliiającch pridani achoania tch matriałó. Wkorstani smulacji komputroch, scgólności mtod lmntó skońconch jst obcni najposchnij stosoaną mtodą spomagania oblicń inżnirskich. Podstaą uskania łaścich nikó jst prjęci poprango modlu oblicniogo, co prpadku matriałó kompotoch stara pngo rodaju trudności, scgólni dla kompotó arstoch laminató, którch mocninim jst tkanina konana tasimk rovingu łókin ęgloch, sklanch lub innch. Stosoan obcni mtod oblicń baują na korstaniu praa misanin, któr traktuj kompot składając się co najmnij dóch składnikó: mocninia i osno jako matriał jdnorodn, cli posiadając łaściości będąc padkoą składnikó. Założni taki ni jst popran, gdż łaściości trmałościo alżą ni tlko od łaściości mocninia i osno, al róniż od struktur mocninia i od trmałości połącnia mocnini osnoa. Dodatkoo ażnm aspktm oblicń trmałościoch jst możliość pridania uskodń pęknięć i prognooania ich rooju, któr matriałach kompotoch jst ualżnion o takich cnnikó jak: rodaj mocninia, kirunk mocninia, rodaj osno, a takż tchnologia

2 konania np. możliość stąpinia ad struktur. W ninijsj prac opisano modl oblicnio kompotu arstogo macniango tkaniną rovingu łókin ęgloch ora prproadoną jgo pomocą smulację rooju najcęścij stępującj orm uskodnia jaką jst roarstini dlaminacja kompotu. Uskan niki porónano następni nikami ksprmntu.. ODPORNOŚĆ NA PĘKANIE MATERIAŁÓW KOMPOZYTOWYCH Do okrślnia odporności na pękani stosuj się praa nikając mchaniki pękania ośrodkó ciągłch, którch różnia się tr podstao sposob pękania alżności od prłożongo obciążnia rs.. Rs. Sposob obciążnia lmntó scliną: a sposób I-cst rorani otirani pęknięcia, b sposób II-ścinani dłużn, c sposób III-ścinani poprcn Do okrślnia odporności na pękani konicn jst ksprmntaln nacni stałch matriałoch spółcnnika intnsności naprężń K lub krtcngo spółcnnika ualniania nrgii G c ora krtcnj długości sclin l. Paramtr t umożliiają ilościoą ocnę achoania się matriału okrśloną adą ora okrślni arunkó jakich następuj poięksni się tj ad, a kci niscni badango lmntu. Istnij kilka mtod okrślnia odporności na pękani kompotó laminató iąanch głóni roojm pęknięć międarstoch cli dlaminacją, która jak już spomniano, jst najcęścij spotkaną ormą uskodnia i proadi do obniżnia stności, trmałości konstrukcji, a kci do niscnia. Wśród nich można różnić mtodę korstującą lmnt kohjn Cohsiv Zon Modl CZM [], którj akłada się, ż pobliżu coła sclin stępuj stra matriału o długości l c, która ulga stopnioj dgradacji po prkrocniu naprężń maksmalnch σ ma. Całkoita sparacja następuj dopiro po prkrocniu Rs. Schmat diałania lmntu kohjngo odkstałcń maksmalnch ε ma, odpoiadającch σ0 ni aś σ ma. Stosoan obcni komrcjnch sstmach MES lmnt kohjn posiadają różn charaktrstki. Na rs. prdstaiono schmat diałania lmntu kohjngo, natomiast na rs.3 prdstaiono podstao charaktrstki tgo lmntu.

3 Rs.3 Charaktrstki lmntó kohjnch: atrapoa, bilomianoa, cdulinioa, dkładnica Pol pod krsm rprntuj artość krtcną spółcnnika ualniania nrgii G c, którą prost sposób można nacć popr badani konkrtnch próbk. Właści odoroani długości str l c ora licb lmntó prpadającch na tę strę, odkstałcń ε i ε ma, ora naprężń σ ma, maga prproadnia srgu tstó numrcnch, któr ostatcności sproadają się do posukiania paramtró charaktrstki poalającch uskać biżność roiąania numrcngo nikim ksprmntu. Z uagi na trudności pomiarm tch artości istnij duż rko, ż prjęt artości niłaścii odorują rcistość. Modl dskrtn laminatu posiada padko stał matriało, atm ni uględnia się nim płu rodaju astosoango mocninia splot tkanin na prbig dlaminacji, co jst adą tj mtod. Dlatgo tż dalsj cęści prac aproponoano sposób numrcngo smuloania dlaminacji uględninim struktur mocninia. 3. DOŚWIADCZALNE WYZNACZANIE ODPORNOŚCI NA PĘKANIE W badaniach korstano pirs sposób obciążnia cst rorani. Zastosoano próbkę DCB Doubl Cantilvr Bam [3], którj miar i sposób obciążnia prdstaiono na rs.4. Rs.4 Wmiar próbki DCB i schmat raliacji obciążnia Próbki konano laminatu składającgo się 6 arst tkanin tasimk łókin ęgloch o sploci płócinnm i gramatur 96 g/m. Jako osnoę astosoano żicę poksdoą. Sclina inicjująca pęknięci konana ostała płascźni środkoj próbki procsi laminoania. Do poirchni próbki ostał prkljon mtalo ucht poalając na amocoani prrądi pomiarom. Na potrb anali prjęto, ż prbig procsu dlaminacji moż bć odoroan alżnością Pδ, atm adaano roarci δ a mirono siłę P. Eksprmnt prproadono dla pięciu próbk o orintacji tasimk tkanin jak na rs.4. Na rs.5 prdstaiono niki uskanch pomiaró. 3

4 Dla prproadongo badania próbki stałą matriałoą okrślającą odporność kompotu na pękani jst krtcna artość spółcnnika ualniania nrgii, która moż bć nacona stosunkoo prost sposób g alżności [3]: G Ic Rs.5 Zalżność sił rorającj P od roarcia δ: a dla poscgólnch próbk, b uśrdniona śrdni odchlni standardo,4n 3P d Ba gdi: G Ic spółcnnik ualniania nrgii dla pirsgo sposobu obciążnia cst rorani, P obciążni, δ roarci, B srokość próbki, a długość pęknięcia. W tabli prdstaiono uskan artości spółcnnika ualniania nrgii G Ic. Tab. Wartość spółcnnika ualniania nrgii Nr próbki G Ic [N/m] Wartość śrdnia G Ic [N/m] Odchlni standardo σ [N/m] ,49 Uskan niki pomiaró posłużł dalsj koljności do prproadnia tstó numrcnch dla aproponoango modlu dskrtngo. 4. DYSKRETNY MODEL OBLICZENIOWY Jak spomniano proadniu, obcni stosoan modl numrcn ni uględniają struktur mocninia kompotu a jdni padko stał matriało. Ab liminoać to uproscni opracoano modl dskrtn, którm odrębniono składniki kompotu: mocnini i osnoę. W pirsm tapi prgotoano paramtrcn modl gomtrcn tkanin. W tm clu korstano alżności 4

5 5 opisując rokład łókin astosoanj tkanini o sploci płócinnm[]. Na rs.6 prdstaiono modl t. komórki lmntarnj RUC Rptitiv Unit Cll ora paramtr gomtrcn korstan rónaniach. Rs.6 Modl CAD tkanin: a komórka lmntarna RUC, b miar tkanin a h a h π π cos cos Zalżności opisują kr środko rprntując poscgóln tasimki tkanin. Natomiast rónania 3 opisują paramtr prkrojo poscgólnch tasimk tkanin. a h a h π π cos cos 3 Wkorstując pożs alżności można proadić ór na poirchni, któr od gór,,, top top i od dołu,,, bot bot ogranicają tkaninę mocninia.,,,, bot top bot top W koljnm tapi opracoano modl gomtrcn osno, któr analioanm kompoci bła żica poksdoa. W tm clu korstano opracj na brłach pr użciu algbr Bool a. Z prostopadłościanu o miarach nikającch miaró RUC usunięto cęści, któr płniała tkanina mocninia, korstując rónania poirchni granicnch 4. W kci uskano paramtrcn gomtrcn modl żic prdstaion na rs.7.

6 Opracoan modl gomtrcn moż posłużć do gnroania modli kompotó różnmi rodajami i gramaturami tkanin mocninia, pod arunkim, ż splot tkanin jst płócinn. W clu prproadnia anali opracoano dskrtn modl oblicnio korstanim mtod lmntó skońconch.dskrtacji dokonano Rs. 7 Modl gomtrcn żic programi MSC Patran, natomiast oblicnia prproadon ostał programi MD Nastran. Do dskrtacji korstano linio lmnt trójmiaro CHEXA dinioan pr 8 ęłó, posiadając każdm ęźl po tr stopni sobod [4]. Prjęto, ż cęść modlu odoroująca żicę konana będi matriału iotropogo, natomiast tkanina ęgloa matriału ortotropogo, któr maga podania 9 stałch matriałoch. Z uagi na brak danch matriałoch tkanin tasimk łókin ęgloch traktoanch jako matriał ortotropo, konicn okaało się prproadni procsu kalibracji modlu MES, cli nacni stałch matriałoch E, E, E, G, G, G, ν, ν, ν. W tm clu prproadono dodatko badani polgając na statcnj próbi rociągania płaskij próbki kompotoj składającj się jdnj arst tkanin. Próbka ostała tak prgotoana, ż jj grubość odpoiadała grubości pojdncj arst próbc DCB. W niku badania uskano charaktrstkę alżności σε. W dalsm tapi prgotoano modl dskrtn badanj próbki płaskij i prproadono procs kalibracji, polgając na roiąaniu adania optmaliacji [5], którm ktorm minnch dcjnch i unkcją clu są odpoidnio T 9 ť n n n ý Í Ž ķ Ż [,, K, ] E, E, E, G, G, G,,, ora Q [ P ] T Ś D ģ min, gdi D P P - P ora MES odkstałcni odcinka pomiarogo modlu MES EXP MES, EXP odkstałcni odcinka pomiarogo nacon ksprmntalni, P siła obciążająca próbkę. Kirunk jst godn osią tasimki łókin ęgloch. Zadani roiąano korstując moduł optmaliacji SOL 00 programu MD Nastran. W rultaci roiąania adania optmaliacji uskano artości stałch inżnirskich: E 7GPa, E 5,6GPa, E 5,6GPa, G 4,GPa, G,6GPa, G 4,GPa, ν 0,7, ν 0,3, ν 0,03. Dan t ostał następni korstan do dinioania modlu dskrtngo próbki DCB. Z uagi na romiar adania licbę lmntó skońconch dcdoano, ż procsi smulacji uględnian będi tlko obsar str niscnia rs.8a. Ponadto modl tn jst smtrcn ględm płascn środkoj próbki, proadono atm ię smtrii clu prspisnia oblicń. Na rs.8b prdstaiono dskrtn modl oblicnio komórki lmntarnj RUC korstan do modloania str niscnia. Poostałą cęść próbki amodloano korstując rads podiał na lmnt skońcon. i 6

7 Rs.8 Modl próbki DCB: a stra niscnia, b komórka lmntarna stri niscnia Ab prproadić smulację dlaminacji nalżało prjąć krtrium uskodnia. Jako krtrium uskodnia prjęto prkrocni odkstałcń dopuscalnch ęłach odpoiadającch żic poksdoj osnoi badanj próbki. Ab potirdić słusność prjętgo ałożnia prproadono stępn oblicnia, którch modl dskrtn obciążono prjmując artości maksmalnj sił P7,6N uskaną podcas badań rs.5b. Na rs.9 prdstaiono artości odkstałcń żic stri niscnia uskan podcas smulacji. Rs.9 Odkstałcnia maksmaln żic stri niscnia, % Oblicnia kaał, ż maksmaln odkstałcni nosi 5,8% co potirdiło słusność prjętgo ałożnia, boim g danch producnta uskodni żic nastąpi, gd odkstałcnia prkrocą artość 5 6%. Dalsm tapm bło prproadni smuloania dlaminacji oparciu o algortm pokaan na rs.0. W koljnch itracjach algortmu ięksano roarci δ rs.4 o Δδ aż do uskania artości δ ma, która odpoiadała stanoi niscnia próbki i ostała nacona ksprmntalni rs.5b. Pr cm, jśli odkstałcni ględn ęźl modlu MES lmntu modlującgo żicę ε FEM prkrocło artość krtcną ε ma 6%, pr którm następuję pękani żic, odpoidni lmnt bł usuan modlu MES koljnj itracji. Położni lmntó usuanch modlu koljnch itracjach pooliło na smuloani ściżki propagoania pęknięcia kompoci, ainicjoango pr sclinę próbc DCB, roijającgo się pod płm narastającgo roarcia sclin rs.5. Warto dodać, ż podcas badań mikroskopoch poirchni pęknięcia próbki aobsroano, ż pęknięci ni ostało spoodoan odranim się żic od łókin tkanin prkrocni sił adhji lc 7

8 Rs.0 Schmat bloko smuloania dlaminacji dkohją samj żic prranim ciągłości nętrnj. Prproadon smulacj numrcn potirdił to jaisko. Odkstałcnia maksmaln pojaiają się na poirchni pęknięcia próbki płascźni smtrii i ni prnosą się na ęł łącąc tkaninę żicą. Procs smulacji propagacji pęknięcia proadono do artości roarcia δma 0mm, a uskan niki porónano nikami ksprmntu, co ormi krsu prdstaiono na rs.. Jak prdstaia pożs krs uskano dobrą godność smulacji numrcnj nikami ksprmntu artość spółcnnika korlacji ajmnj Parsona nosi 0,996. Odchlnia charaktrstki mogą bć spoodoan stępoanim ad matriałoch postałch podcas tarania próbki np. pęchr poitra rs.. Trba podkrślić, iż ażn jst łaści prjęci krtrium uskodnia, tj. artości licboj odkstałcń krtcnch Rs. Porónani charaktrstk Pδ dla rcistj próbki i dla modlu dskrtngo ε ma, alż ono od ilu cnnikó takich jak proporcja żic i utardaca, prscni mocninia osnoą, tmpratur grania ora casu grania podcas laminoania, atm od tchnologii stosoanj pr konkrtngo producnta. Chcąc korstać aproponoaną mtodkę do ocn trmałości cęści rcistch konstrukcji konanch kompotó, nalż roiąać problm ktności numrcnj modlu MES. Analioana próbka DCB składała się lmntó i miała ęł. Cas pojdncj itracji algortmu g schmatu na rs.0 komputr procsorm Intl Cor i5 3450, 4GB pamięci RAM nosił około 40 minut. Dośiadcni autoró pr analii podobnch agadniń skaują, ż ktność numrcną modlu MES można nacni popraić rdukując romiar adania popr korstani t. suprlmntó, dostępnch programach anali MES. Zastosoani koncpcji suprlmntu moż dać mirn korści, gdż kompot składa się potarającch lmntó komórk lmntarnch. Wstarc atm dinioać suprlmnt dla jdnj komórki i korstać go podcas budo całgo modlu. W prac [5] kaano, ż korstani koncpcji suprlmntu analii ugięcia płaskij próbki o bliżonch miarach, konanj takigo samgo kompotu jak próbka badana, pooliło rdukoać romiar modlu pocątkoch stopni 8

9 sobod do 98 a pr to skrócić cas oblicń 43s do,9 s, cli blisko 50 ra. Podobnch któ można ockiać smuloaniu dlaminacji. 5. PODSUMOWANIE I WNIOSKI Prproadon badania nad opracoanim modlu MES do smuloania rooju dlaminacji kompotach arstoch macnianch tkaninami poalają na następując stirdnia: obcni stosoan komrcjnch sstmach MES mtod smuloania dlaminacji ni są starcająco użtcn, gdż magają od użtkonika najomości paramtró, któr są trudn a casami Rs. Poirchnia pęknięcia próbki nimożli do okrślnia drogą dośiad- DCB idocnmi adami postałmi calną, procsi tarania nalż dążć do tgo ab smulacjach numrcnch uględniać strukturę nętrną kompotu licbę arst, ich orintację ora splot tkanin mocninia, gdż istotn sposób płają on na uskan niki i ich intrprtację, aproponoana artkul mtodka tornia modlu MES kompotu arstogo macniango tkaniną łókin ęgloch, pooliła uskać modl pomocą którgo można smuloać prbig procsu dlaminacji kompotu gon ksprmntm, stał matriało modlu MES kompotu poinn uględniać tchnologię konania i arunki konkrtngo tórc konstrukcji kompotoch kalibracja modlu MES korstanim nikó ksprmntu. Autor pridują roijani opisango modlu MES kompotu clu stornia użtcngo, inżnirskigo narędia anali rcistch konstrukcji kompotoch. LITERATURA [] Barbro Evr J.: Introduction to composit matrial dsign, Talor & Francis 00. [] Carnocki P., Dobrański P.: Wkorstani lmntó kohjnch do smulacji rooju roarstiń laminatach polimroch, Prgląd Mchanicn 6/0 [3] Ochlski S.: Mtod dośiadcaln mchaniki kompotó konstrukcjnch, WNT, Warsaa 004. [4] Rakoski G., Kacprk Z.: Mtoda lmntó skońconch mchanic konstrukcji, Oicna Wdanica Politchniki Warsaskij, Warsaa 005. [5] Stadnicki J., Tokar Z.: Modl oblicnio kompotu arstogo kalibracja korstanim optmaliacji, XI Skoła Komputrogo Wspomagania Projktoania, Wtarania i Eksploatacji: matriał konrncjn, Jurata 006. [5] Stadnicki J., Tokar Z.: Structural analsis o slctd constructions mad o abric laminat composit, Acta Mchanica Slovaca, Kosc 007, R. [nr] 4-A 9