Termoelastoplastický materiálový model s poškozením pro simulace chování hybridního tkaninového kompozitního materiálu s termoplastickou matricí

Ing. Tereza VAŇKOVÁ

Doctoral thesis

Abstract:

Předkládaná práce se zabývá modelováním nelineárního chování vybraných kompozitních struktur. Hlavním materiálem, který je předmětem zájmu, je hybridní kompozit s termoplastickou matricí. V rámci práce byl tento materiál vyroben z tkaniny tvořené uhlíkovými a aramidovými vlákny a matrice z polyvinylbutyralu. Z vyrobeného materiálu byly připraveny vzorky pro experimenty sloužící k určení jeho mechanických a tepelných vlastností. Všechny zkoumané vlastnosti materiálu byly sledovány v závislosti na orientaci vláken vzhledem k ose zatížení a teplotě. Mechanické vlastnosti materiálu byly stanoveny z tahových a tlakových zkoušek (prostých a cyklických). Dále byly provedeny i experimenty s přechodem z tahového do tlakového zatížení s použitím navrženého přípravku pro stabilizaci vzorku. Tepelné vlastnosti materiálu byly určeny na základě dvou metod: termomechanické analýzy a diferenční skenovací kalorimetrie. Ústředním tématem práce je návrh materiálového modelu pro jednodimenzionální i prostorové úlohy, který zahrnuje termoelastoplastické chování materiálu spolu s postupným poškozením, zohledňuje vliv teploty a respektuje odlišné vlastnosti materiálu v tahu a v tlaku. Obdobný model není aktuálně součástí žádného autorce známého konečnoprvkového softwaru. Oba sestavené modely (jednodimenzionální a prostorový) vychází z termodynamických principů a jsou implementovány do konečnoprvkového softwaru Abaqus pomocí subroutiny UMAT pro implicitní řešič Abaqus/Standard (popř. VUMAT pro explicitní řešič Abaqus/Explicit). Jednodimenzionální model je otestován pro různé druhy materiálu a prostorový model je použit pro simulace chování vyrobeného hybridního kompozitu s termoplastickou matricí. K určení materiálových parametrů nezbytných pro simulace je navržen optimalizační proces realizovaný pomocí evolučního algoritmu v softwaru Isight. V rámci optimalizace jsou hledány hodnoty materiálových parametrů, pro které je stanovená objektivní funkce minimální. Tato objektivní funkce určuje rozdíl mezi výsledky z numerické simulace a zpracovanými daty z vybraných experimentů. Na závěr jsou simulovány všechny provedené tahové zkoušky vyrobeného hybridního kompozitu a výsledky z těchto simulací jsou porovnány s naměřenými hodnotami. Shoda mezi experimenty a simulacemi s výsledným navrženým modelem je dobrá a zejména pro zatížení ve směru vláken jsou rozdíly minimální.

Abstract:

The presented work deals with modelling of nonlinear behaviour of selected composite structures. The main material of interest is a hybrid composite with a thermoplastic matrix. The hybrid composite was manufactured using carbon-aramid fibre fabric and polyvinylbutyral thermoplastic matrix. Specimens made from the manufactured material were prepared for experiments to determine its mechanical and thermal properties. All investigated material properties were observed as functions of temperature and fibre orientation with respect to the load direction. The mechanical properties of the material were determined from tensile and compression tests (monotonic and cyclic). Additionally, experiments were carried out to test the transition from tensile to compressive loading using the designed support jig. The thermal properties of the material were determined using two methods: thermomechanical analysis and differential scanning calorimetry. The main topic of the thesis is the development of material models for one and three-dimensional problems that include the thermoelastoplastic material behaviour together with progressive damage, taking into account the effect of temperature and respecting the different properties in tension and compression. A similar model is not currently part of any finite element software known by autor. The two developed models (one and three-dimensional) are based on thermodynamic principles and are implemented in the finite element software Abaqus using the UMAT for implicit solver Abaqus/Standard (or VUMAT for explicit solver Abaqus/Explicit) subroutine. The one-dimensional model is tested for various types of material and the three-dimensional model is used to simulate the behaviour of the manufactured hybrid composite. An optimization process is proposed to determine the material parameters required for the simulation and it is implemented by the evolutionary algorithm in the Isight software. The goal of the optimization is to find the values of material parameters for which the objective function is minimal. The objective function represents the differences between the simulation results and processed data from the selected experiments. Finally, all the tensile tests performed on the manufactured hybrid composite are simulated and the results of these simulations are compared with the measured values. The simulations with the resulting developed material model are in good agreement with experiments.

Keywords

hybridní kompozit, termoelastoplasticita, poškození, cyklické zkoušky, tah-tlak, idemtifikace, optimalizace, simulace

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 21. 6. 2024

Accessible from:: 31. 12. 2999

Thesis defence

• Supervisor: Doc. Ing. Robert Zemčík, Ph.D.

University of West Bohemia

Faculty of Applied Sciences

Doctoral programme / field:
Applied Sciences and Computer Engineering / Applied Mechanics