Skip to Main Content

Projekty badawcze w sieci VIA CARPATIA

Filtry

Szczegóły projektu badawczego

Numer umowy
2018/02/X/ST1/00726
Wykonawcy badań/ podległość
Wydział Mechaniczny (WM)
Tytuł
Dyssypacja energii odkształcenia plastycznego w okolicach koncentratorów naprężeń występujących w materiałach kompozytowych
Streszczenie
Celem przeprowadzonego działania naukowego było wyprowadzenie matematycznych zależności pozwalających na szybkie obliczenie wielkości stref plastycznych w szczególności w materiałach połączonych cienkimi warstwami. Modele mają pozwolić na szybkie obliczenie wielkości uplastycznienia powstającego w okolicy nieciągłości spoiwa będącego koncentratorem naprężeń. Powiązanie wielkości uplastycznienia generowanego przed nieciągłością warstwy z wytrzymałością połączenia na drodze doświadczalno-numerycznej. W celu realizacji zadania naukowego wykonano szereg nieliniowych obliczeń numerycznych w wyniku których rejestrowano zmiany wielkości stref plastycznych w zależności od właściwości sprężysto plastycznych wszystkich składników kompozytu. Badano zagadnienia pęknięć w warstwach łączących identyczne lub różne materiały sprężyste lub sprężysto-plastyczne w płaskich stanach PSO, PSN oraz dla zagadnień kołowo-symetrycznych. Rejestrowano długość jak i kształt powstających stref plastycznych w zależności od wybranych parametrów materiałowych wszystkich składników kompozytu oraz geometrii próbek. Badano wpływ gęstości siatki MES oraz charakterystyki ɛ-σ na parametry powstających stref plastycznych. W większości obliczeń założono dwuliniową sprężysto-plastyczną charakterystykę badanych materiałów z niewielkim wzmocnieniem określonym stosunkiem sprężystego i plastycznego modułu Younga Epl/Espr=0,01. Wykorzystując otrzymane wyniki obliczeń numerycznych prowadzono próby matematycznego powiązania długości uplastycznienia (pasmowej strefy plastyczności) z parametrami mechaniki pękania oraz właściwościami materiałowymi skojarzenia: materiał łączony - spoiwo, dla arbitralnie wybranej hipotezy wytężeniowej H-M-H. We wszystkich obliczeniach matematycznych założono bardzo małą grubość warstwy łączącej w stosunku do długości nieciągłości spoiwa (szczeliny), identyczną wartość naprężenia normalnego w kierunku prostopadłym do warstwy w materiale warstwy i materiale łączonym oraz równość odkształceń materiałów łączonych i warstwy. Przyjęcie powyższych założeń pozwoliło na uzależnienie długości pasmowej strefy plastycznej w warstwie od właściwości materiałów łączonych (modułu Younga Esubstrat oraz współczynnika Poissona νsubstrat) i samej warstwy (Ewarstwy, νwarstwy, σpl). W ramach realizowanego działania zaprojektowano oprzyrządowanie do klejenia próbek DBC (Double Cantilever Beam) umożliwiające wykonanie pełnowartościowych materiałów do badań wytrzymałości połączeń klejonych cienkimi warstwami. Wykonano elementy próbek DCB z wybranych materiałów konstrukcyjnych (stal, mosiądz, miedź oraz aluminium). Łączono poszczególne identyczne elementy próbek za pomocą dwuskładnikowych żywic epoksydowych dostępnych na rynku o przebadanych i opublikowanych właściwościach mechanicznych (Locttite EA 3422, Loctite EA 9466, Araldite 2011). Zachowano stałą grubość warstwy łączącej stosując dystanse z drutu mosiężnego o średnicy 0,25mm. Próbki rozciągnięto z wykorzystaniem uniwersalnej maszyny wytrzymałościowej MTS Insight oraz specjalnie wykonanych uchwytów. Odnotowywano krytyczne wartości sił przy utracie spójności połączenia. Dla otrzymanych wartości określano na drodze numerycznej wartości krytycznych długości stref plastycznych. Obliczenia numeryczne, ze względu na ograniczone możliwości obliczeniowe (zbyt duże ilości elementów skończonych w cienkiej warstwie dla modelu 3D), wykonano na uproszczonych płaskich geometriach próbek z założonym płaskim stanem odkształcenia. Otrzymano szeroki zakres wyników numerycznych kształtu i długości stref plastycznych, dla zmieniających się właściwości mechanicznych kompozytów, geometrii szczelin oraz konfiguracji obciążenia. Otrzymano przybliżoną zależność matematyczną pozwalającą na obliczanie długości oraz kształtu strefy plastycznej dla dwuwymiarowych zagadnień szczelin (pustek) pojawiających się w cienkiej warstwie sprężysto-plastycznego spoiwa łączącej dwa identyczne materiały sprężyste. Potwierdzono dobrą zgodność wyników numerycznych długości stref plastycznych z wartościami otrzymywanymi z uzyskanej zależności dla wybranych kształtów pustek w spoiwie (szczeliny kołowo-symetrycznej wewnętrznej i zewnętrznej). Otrzymana formuła potwierdza silną zależność długości strefy pojawiającej się w okolicy frontu pustki od właściwości sprężystych materiałów łączonych, sprężysto-plastycznych warstwy, przyłożonego obciążenia normalnego, oraz podstawowych parametrów KI oraz T określających pole naprężeń w okolicy frontu dwuwymiarowej szczeliny w materiale jednorodnym (bez warstwy). Obliczenia przeprowadzano na podstawie znanych ścisłych rozwiązań parametrów KI oraz T dla szczelin kołowo-symetrycznych. W trakcie realizacji zadania potwierdzono, że przyjęty model matematyczny umożliwia także obliczanie długości strefy plastycznej dla zagadnienia jednowymiarowej szczeliny w sprężysto-plastycznej warstwie łączącej dwa różne materiały sprężyste. Porównano otrzymane wyniki modeli MES oraz modelu matematycznego dla zagadnienia pojedynczej szczeliny w warstwie w płaskim stanie odkształcenia. Otrzymano dobrą zgodność obu rozwiązań. W omawianym przypadku nie osiągnięto jawnej zależności matematycznej na obliczanie długości strefy ze względu na oscylacyjny charakter opisu pola naprężeń przed wierzchołkiem szczeliny międzyfazowej (położonej na granicy dwóch różnych materiałów sprężystych). Obliczenia matematyczne przeprowadzono w sposób numeryczny pomijając niewielką strefę oscylacji naprężeń w bliskiej okolicy wierzchołka szczeliny. Wyniki badań doświadczalnych na próbkach DCB wykazały niewielką zależność wartości sił krytycznych dla próbek wykonanych z wybranych materiałów łączonych. Zakładając sprężysty zakres pracy obu łączonych elementów próbki oraz sprężysto-plastycznych warstwy kleju modele numeryczne próbek DCB przy zadanych średnich wartościach sił krytycznych wykazywały także niewielkie zmiany długości stref plastycznych.
Program
MINIATURA
Uczelnia
Politechnika Białostocka
Slowa Kluczowe
energia odkształcenia plastycznego; karb; mechanika pękania; pęknięcia; strefa plastyczna

Informacje o projekcie

Stopka
Minister Nauki

Zadanie finansowane w ramach zlecenia
Ministra Nauki pod nazwą "Politechniczna Sieć VIA CARPATIA im. Prezydenta RP Lecha Kaczyńskiego" w latach 2022-2025

MNiSW
Wersja: 0.1b Właścicielem i administratorem danych zawartych w bazie danych są uczelnie: Politechnika Rzeszowska, Politechnika Lubelska oraz Politechnika Białostocka. Zaprojektowanie witryny: Paweł Kuraś, Krzysztof Demidowski, Veronika Vanivska
Built with using Oracle APEX