Porušování kompozitních komponent při různých typech zatěžování

Ing. Jan KRYSTEK

Doctoral thesis

Damage of composite components under various types of loading

Abstract:

Hlavním cílem bylo vytvořit metodiku pro návrh kolíkových spojů kompozit-kov se zaměřením na jejich únosnost. V současnosti rychle narůstá počet výrobků, ve kterých se využívá kompozitních materiálů. Zpravidla nedochází k nahrazování celé struktury za kompozitní, ale kompozitem je nahrazena jen určitá část. S tím vyvstává otázka, jak napojovat kompozitní prvky do zbytku struktury. Problematika navrhování spojů z kompozitních materiálů je velmi rozsáhlá. Jednou z možností pro spoje kompozit-kov jsou právě kolíkové spoje. Ty patří do skupiny rozebíratelných spojů. Podle způsobu výroby jsou rozlišovány dva typy kolíkových spojů - ovíjené a neovíjené. Ovíjené kolíkové spoje byly v této práci uvažovány z jednosměrového kompozitu. Neovíjené kolíkové spoje byly zkoumány na laminátech. Kompozitní prvek ovíjeného kolíkového spoje (tzv. očko) je zatížen kombinací tahu ve směru podélném a tlakem ve směru příčném. Hodnoty příčného napětí mohou při kombinovaném namáhání několikanásobně převýšit hodnoty dosažené při jednoosém namáhání. Žádné z dostupných kritérií toto nepostihuje. Pro správné pochopení chování kompozitu při této specifické napjatosti bylo nejprve přistoupeno k analýzám jednodušších zatěžovacích stavů. Nejdříve byl uvažován přímý vzorek obdélníkového průřezu (očko s nekonečným poloměrem), který byl zatížen pouze lokálním tlakem. Tvar kolíku byl také zjednodušen. Následovalo rozšíření na dvouosé zatížení a to tak, že vzorek byl kromě lokálního tlaku ve směru příčném zatížen i tahem ve směru podélném. Na základě dosažených výsledků bylo navrženo vlastní kritérium pro posouzení únosnosti při této napjatosti. Zkušeností získaných z analýz jednodušších zatěžovacích stavů bylo následně využito v analýzách ovíjených kolíkových spojů. Zde byla validována pevnostní kritéria a provedena analýza vlivu geometrických parametrů spoje na jeho únosnost. Pro neovíjené kolíkové spoje byly provedeny numerické simulace prvního i konečného porušení odpovídající únosnosti spoje. V těchto numerických simulacích byl použit model postupného porušování, který byl validován pomocí tlakové zkoušky. Numerické simulace byly provedeny v konečnoprvkových systémech MSC.Marc a Abaqus. Byl vytvořen materiálový model obsahující nelineární vztah popisující chování kompozitu ve smykové oblasti. Materiálové parametry byly určeny identifikací z tahových a tlakových zkoušek. Získané znalosti z experimentů a numerických simulací kolíkových spojů byly shrnuty v metodice pro navrhování kolíkových spojů.

Abstract:

The main aim was to create methodology for design of pin joints composite-metal with regards to load capacity. Currently, the number of products that utilize composite materials is rapidly increasing. Usually, the whole structure is not replaced with composite materials, but only a certain part of it is replaced. However, the integration of composite components into metal structures brings many problems. Pin joint is one possibility of joining composites with metals. Such joint can be disassembled. According to the method of manufacture, two types of pin joints can be distinguished - wrapped and non-wrapped pin joints. In this work, wrapped pin joints were made from unidirectional carbon composite and non-wrapped pin joint were made from laminate. The composite part of the wrapped pin joint (loop) is exposed to a combination of tension in the longitudinal direction and localized compression in transverse direction. Values of compressive stress in the transverse direction can exceed several times the value achieved in uniaxial loading. The basic loading states were analyzed for correct understanding of fracture of the composite in case of the mentioned specific state of stress. First, straight specimen with rectangular cross-section (loop with an infinite radius) was considered. The specimen was exposed to localized compression in the transverse direction. An extension to biaxial loading followed, the specimens were exposed to the combination of tension in the fibre direction and localized compression in the transverse direction. No known criterion could correctly predict the failure, therefore, own failure criterion for prediction of load capacity was proposed. Experience from analysis of basic loading states was used in the analysis of wrapped pin joint. Failure criterion was validated and the influence of geometric parameters of pin joint on its load capacity was investigated. In case of non-wrapped pin joint, numerical simulations of the first and ultimate failure were carried out. Model of progressive damage was used in these simulations and this model was validated by means of compression test. Numerical simulations were performed using finite element method in MSC.Marc and Abaqus. Material model with nonlinear function with constant asymptote had to be used for the description of shear stress behaviour. Material parameters were identified using finite element simulations of tensile and compression tests. Experience from experiments and numerical simulations of pin joint was summarized in methodology for design of pin joints.

Keywords

dvouosé zatížení, kolíkový spoj, kompozit, kritéria porušení, lokální tlak, MKP, postupné porušování

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 3. 5. 2013

Accessible from:: 31. 12. 2999

Thesis defence

• Supervisor: Prof. Ing. Vladislav Laš, CSc.

University of West Bohemia

Faculty of Applied Sciences

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