Numerická simulace chování kompozitních konstrukcí při nízkorychlostním rázu

Ing. Tomáš MANDYS

Doctoral thesis

Numerical simulation of behavior of composite structures in case of low-velocity impact

Abstract:

Práce je zaměřena na problematiku simulace chování kompozitních materiálů při nízkorychlostním rázu. V práci je popsáno sestavení dvou vlastních materiálových modelů tkaninového kompozitu. Nelineární elastický materiálový model tkaninového kompozitu s poškozením uvažuje nelineární chování v materiálových směrech 1 a 2 a v napěťové rovině 12 v případě smyku. Hyperplastický materiálový model tkaninového kompozitu s poškozením je navržen v souladu s termodynamickými principy vycházejícími z prvního a druhého termodynamického zákona. Daný model uvažuje plastické tečení materiálu v případě smyku v napěťové rovině 12 a využívá aditivního rozkladu logaritmické deformace. Poškození materiálu je realizováno pomocí navržených degradačních funkcí závislých na velikostech příslušných elastických deformací. Oba autorem navržené modely byly implementovány do komerčního MKP softwaru Abaqus 6.14 za využití subroutin UMAT a VUMAT. Pro identifikace materiálových parametrů jednotlivých materiálových modelů bylo využito matematické optimalizace řízené programem OptiSLang. Elastického materiálového modelu tkaninového kompozitu bylo využito jako modelu potahu při sestavení nelineárního modelu sendvičové struktury. Pěnové jádro sendvičové struktury bylo modelováno za využití nelineárního izotropního modelu polymerních pěn o nízké hustotě z knihoven MKP softwaru. Sestavený model sendvičové struktury byl následně verifikován experimentem v podobě tříbodové ohybové zkoušky a příčného nízkorychlostního rázu na sendvičový nosník a sendvičovou desku. Hyperplastický materiálový model byl verifikován za pomocí nízkorychlostního rázu na tkaninovou kompozitní desku. Nízkorychlostní rázy byly realizovány za využití padostroje. Bylo provedeno porovnání výsledků numerických simulací a experimentů v podobě průhybů ve zvolených bodech na testovaném tělese a průběhů kontaktních sil mezi impaktorem a testovaným tělesem. Výsledky vzniklého poškození byly kvalitativně porovnány.

Abstract:

The work is focused on simulation of behavior of composite materials during in case of low-velocity impact loading. The work describes a development of two author's material models of woven composites. The non-linear elastic material model of woven composite with failure reflects the non-linear behavior along material directions 1, 2 and in plane 12 in case of shear. Hyperplastic material model of woven composite with failure was proposed according to thermodynamic principles following the first and the second law of thermodynamics. This model considers the plastic flow of the material in plane 12 in case of shear and uses the additive decomposition of the logarithmic strain. The failure is modelled in model using proposed degradation functions dependent on the relevant elastic strains. Both models proposed by author were implemented into commercial FEM software Abaqus 6.14 using UMAT and VUMAT subroutines. The mathematical optimization controlled by OptiSLang software package was used for identification of material parameters of individual models. The non-linear elastic material model of woven composite was used to model skin of the non-linear sandwich structure. The foam core of sandwich structure was modeled using the non-linear model of isotropic low-density polymeric foams from Abaqus software library. The model of sandwich structure was experimentally verified using three-point bending tests of sandwich beam and low-velocity impact tests on sandwich beam and sandwich square plate. Hyperplastic material model was verified using a low-velocity impact on the woven composite square plate. The low-velocity impacts were performed using a newly designed drop test machine. A comparison of results of experiments and numerical simulations is provided. Special attention is paid to time history of deflections at selected points on the tested body and to the contact force between impactor and tested body. The results of deflections are interpolated in case of numerical simulations. A qualitative analysis of the failure prediction is presented.

Keywords

tkaninový kompozit, sendvičová struktura, padostroj, nízkorychlostní ráz, hyperplastický materiálové model s poškozením, nelineární elastický materiálový model s poškozením

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 21. 9. 2016

Accessible from:: 31. 12. 2999

Thesis defence

University of West Bohemia

Faculty of Applied Sciences

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