Analýza jednosměrového vláknového kompozitu z hlediska mikromechaniky

Ing. Hana SRBOVÁ

Disertační práce

Micromechanical Analysis of Unidirectional Carbon Fiber Composite

Abstract:

Aim of this dissertation was to analyze influence of spatial distribution of fibers in the unidirectional carbon fiber composite on overall behavior of the material. The dependency of homogenized material properties of a composite lamina on its degree of irregularity are investigated, proved and described. Because the real composite material has irregular microstructure, its fiber distribution in different areas of the composite material made of multiple layers of prepreg was determined. Images of the composite cross-section were obtained by scanning electron microscopy and fibers identified by algorithms proposed for automatic fiber detection written in programming language Python. The results of the algorithms were compared to ground truth data obtained in another application using OpenCV designed for manual fiber identification. Degree of irregularity of the analyzed microstructure was evaluated by a proposed parameter, which expresses deviation of the analyzed 2D geometry from idealized regular hexagonal fiber distribution. The parameter is suitable for evaluating both, the non-periodic geometry of the real composite cross-section or geometries of periodic unit cells used for finite element analyses. The periodic unit cells were created in an algorithm proposed for generating geometries of unit cells with random fiber distribution. An automatic tool for performing all steps leading to results of finite element analysis was build in Python. Finite element analysis is performed in Abaqus/CAE and the results depicted using ploTRA, library of functions written in Python. Micromodels with proposed unit cells are built, periodical boundary conditions were prescribed and chosen combination of linear or nonlinear material models assigned to the composite substituents by scripts. The loadings were defined in accordance of the type of performed analysis and the results of finite element analysis were processed. Homogenized material parameters of 200 proposed micromodels with geometries of different degrees of irregularity were identified. A dependence between the parameter evaluating the cross-section irregularity and the range of the resulting homogenized parameters, i.e. degree of material anisotropy, was quantified.

Abstract:

Cílem této dizertace bylo analyzovat, jaký vliv má rozložení uhlíkových vláken v jednosměrovém kompozitu na celkové chování materiálu. Je zkoumána a popsána závislost homogenizovaných parametrů kompozitové laminy na stupni nepravidelsosti její struktury. Protože skutečný kompozitní materiál má nepravidelnou mikrostrukturu, je zjištěno rozložení vláken v různých částech řezu kompozitu složeného z více vrstev prepregu. Fotografie řezu kompozitu byly pořízeny pomocí skenovací elektronové mikroskopie a vlákna identifikována algoritmem v programovacím jazyce Python. Algoritmus byl navržen za účelem automatické detekce vláken. Výsledky byly srovnány s Ground Truth daty získanými v aplikaci, která využívá OpenCV a je určena pro manuální detekci vláken. Stupeň nepravidelnosti zkoumané mikrostruktury byl vyčíslen navrženým parametrem, který vyjadřuje odchylku analyzované 2D geometrie od pravidelného šestiúhelníkového rozložení vláken. Tímto parametrem lze ohodnotit jak neperiodickou mikrostrukturu skutečného řezu kompozitem, tak geometrie periodických jednotkových buněk použitých v konečnoprvkové analýze. Periodické buňky byly vytvořeny pomocí algoritmu, který byl navržen za účelem generování buněk s náhodným rozložením vláken. V rámci práce vznikl automatický nástroj, který vykoná veškeré kroky vedoucí k vyjádření výsledků konečnoprvkové analýzy, ty jsou řízeny pomocí skriptů. Analýzy probíhaly v Abaqus/CAE a výsledky byly vykresleny v ploTRA, což je knihovna funkcí napsaná v jazyce Python. Mikromodely s navrženými jednotkovými buňkami byly sestaveny a byly jim předepsány periodické okrajové podmínky. Dále byly složkám kompozitu přiřazeny zvolené kombinace lineárních a nelineárních materiálových modelů. Zatížení bylo definováno podle typu prováděné analýzy. Nakonec byly výsledky konečnoprvkové analýzy zpracovány. Byly identifikovány homogenizované materiálové parametry 200 navržených mikromodelů s různými stupni nepravidelnosti geometrie. Byla kvantifikována závislost mezi parametrem určujícím tento stupeň nerovnoměrnosti a intervalem, ve kterém se nachází výsledné homogenizované materiálové parametry, tedy mírou anizotropie daného materiálu.

Keywords

jednosměrový kompozit, karbonová vlákna, prostorové rozložení, zpracování obrazu, homogenizované parametry, mikromechanika

Jazyk práce: angličtina

Datum vytvoření / odevzdání či podání práce: 3. 4. 2017

Zveřejnit od: 31. 12. 2999

Obhajoba závěrečné práce

ZÁPADOČESKÁ UNIVERZITA V PLZNI

Fakulta aplikovaných věd

Doktorský studijní program / obor:
Aplikované vědy a informatika / Aplikovaná mechanika