Spolehlivost kompozitních konstrukcí

Ing. Alexander Čapka

Doctoral thesis

Dependability of Composites Constructions

Abstract:

Sendvičové materiály jsou konstrukčními prvky, které jsou známy poměrně dlouhou dobu. V letectví byly použity již v době 2. světové války v konstrukci britských letadel. V Československu byly první zmínky o sendvičových materiálech v odborných časopisech již kolem roku 1960. Sendvičové materiály mají velmi příznivé mechanické vlastnosti vztažené k jejich hmotnosti. Sendvičové materiály byly předmětem již mnoha výzkumů a jejich statické mechanické vlastnosti jsou již dobře známy. Málo výzkumných prací se věnovalo jednomu druhu ze sendvičových materiálů: polymernímu kompozitnímu sendvičovému panelu s voštinovým jádrem (což je již konstrukční prvek). Jen velmi málo výzkumů se věnovalo únavové životnosti těchto konstrukčních prvků. Zřejmě žádný výzkum neporovnal životnost jednoduchých konstrukčních prvků z polymerních kompozitních sendvičových panelů s voštinovým jádrem o stejné statické pevnosti (únosnosti), ale předpokládané rozdílné životnosti. Základním cílem této disertační práce je určení únavové životnosti jedno-duchých, konstrukčně a pevnostně podobných prvků z kompozitních sendvičových panelů s voštinovým jádrem. Výsledkem zkoumání jsou S-N (Wöhlerovy) křivky. Hlavním vědeckým přínosem práce je doposud nepoužitá metoda statistického zpracování naměřených dat tzv. Hornovým postupem. Praktickým přínosem je navržení metody zkoumání životnosti sendvičů, která je použitelná zjm. ve vývoji pozemních dopravních prostředků, kdy ekonomická otázka životnostních zkoušek hraje velkou roli. Vedlejším cílem je ověření vhodnosti použití metody aktivní infračervené termografie při zjišťování vad sendvičů. Pro určování životnosti se používá celá řada metod. Základními jsou experimentální metody, které jsou velmi časově náročné, tudíž také velmi drahé. V současnosti se vedle experimentálních metod používají i výpočetně-analytické metody a na ně navazující simulační metody (opět drahé, zjm. díky ceně SW). V této práci je použita experimentální metoda, která využívá jednoduché zkušební zařízení, které je mnohonásobně levnější, než běžně používané zkušební stroje. Na tomto jednoduchém stroji jsou odměřeny ma-lévýběry a tyto jsou statisticky zpracovány speciální metodou určenou pro analýzu malých výběrů. Výsledkem takto získaných dat pak může být navržení dalšího, zpřesňujícího postupu ve zkoumání životnosti. Tento následující výzkum (na drahém zařízení) může být zaměřen např. jen na část Wöhlerovy křivky, související s provozem daného pozemního dopravního prostředku. Aktivní infračervená termografie je jednou z mnoha metod nedestruktivního testování vhodnou pro detekci vad sendvičů. Tato práce dokazuje, že pomocí infračervené termografie lze získat stejné, nebo i lepší testovací výsledky a to s lepší efektivitou, než je tomu u doposud nejvíce používaných ultrazvukových metod.

Abstract:

Sandwich materials are construction elements which have been well-known for a relatively long period. They were already used in the construction of British aircraft during the period of World War II. In Czechoslovakia, First mention of sandwich materials in technical magazines was already around the year 1960. Sandwich materials are marked by their very favourable mechanical properties related to their weight. Sandwich materials have been the subject of much research and their mechanical properties are already well-known. Only a small part of research has been applied to a certain type of sandwich material - to the polymeric composite panel with a honeycomb core - which already is, in itself, a construction element. Very little research has been dedicated to the fatigue life of these construction ele-ments. It is evident that no comparison has been made of the life of polymeric composite sandwich panels with a honeycomb core of same static strength (load capacity), but of differing life expectancy. The basic aim of this thesis is determination of the fatigue life of basic, constructional and similar-in-strength comparable elements of composite sandwichtype panels with a honeycomb core. The research results are Wöhler's curves. The main scientific benefit of the work is the up-to-now unapplied method of statistical processing of measured data by the socalled Horn´s procedure. The practical advantage is proposal of the method of research of the life expectancy of sandwiches, which is applicable, in particu-lar, in the development of terrestrial means of transport, where the question of life expectancy plays a major role. In determining life expectancy a whole line of methods is utilised. Basic methods are experimental and very time-demanding, which means also very costly. Currently, besides the experimental methods, use is made of computer-analytical methods and of simulation methods linked to them (again very costly, especially due to the high-cost SW). In this work an experimental method is used, which utilizes basic test equipment, which is several times cheaper than currently used testing machines. On this simple machine small samples are taken off and measured and then statistically processed by a special method designated for the analyses of small samples. The result of such-obtained data can be utilised for the design of further refined procedures of research of life expectancy. This subsequent research (on expensive equipment) can be directed at e.g. only on a certain section of Wöhler's curve, related to operation of the given terrestrial means of transport. A secondary target: active infra-red thermography is one of many methods of nondestructive tests suitable for detection of sandwich defects. This work proves that with the aid of infra-red thermography it is possible to achieve the same, or even better test results, namely with improved effectivity than that achieved by the up-to-now mostly utilised ultrasound methods.

Keywords

Spolehlivost, životnost, predikce životnosti, sendvičová konstrukce, voštinová struktura, tříbodový ohyb, S-N křivka, malý výběr, nedestruktivní testování.

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 13. 6. 2018

Thesis defence

• Supervisor: doc. Ing. Soňa Rusnáková, Ph.D.

Tomas Bata University in Zlín

Faculty of Technology

Doctoral programme / field:
Process Engineering / Tools and Processes