Charakterystyka, kwantyfikacja i prognozowanie oddziaływania defektów strukturalnych w kompozytach włóknistych i laminatach metalowo-włóknistych na procesy inicjacji i propagacji ich degradacji

Środki finansowe przyznane przez Narodowe Centrum Nauki na realizację działania naukowego
OPUS 30

Tytuł projektu: Charakterystyka, kwantyfikacja i prognozowanie oddziaływania defektów strukturalnych w kompozytach włóknistych i laminatach metalowo-włóknistych na procesy inicjacji i propagacji ich degradacji

Tytuł w j. angielskim: Characterization, quantification and prediction of the impact of structural defects in fiber composites and fiber-metal laminates on the processes of initiation and propagation of their degradation

Numer decyzji: UMO-2025/59/B/ST11/00490

Okres realizacji: 09.07.2026 – 08.07.2030  

Wartość przyznanych środków: 1 246 752,00 PLN

Wartość projektu: 1 246 752,00 PLN

Kierownik działania naukowego: dr hab. inż. Patryk Jakubczak, profesor uczelni

Streszczenie:

Cel naukowy projektu

Projekt dotyczy problemu oceny wpływu nieciągłości mikro- i mezostrukturalnych występujących w materiałach kompozytowych na ich stan mechaniczny, w tym na procesy inicjacji i propagacji uszkodzeń. Kompleksowa wiedza dotycząca wpływu rodzaju, wielkości i lokalizacji defektów na zmiany wytrzymałości kompozytów ma istotne znaczenie poznawcze. Pozwoli ona stworzyć naukowe podstawy do zrozumienia zależności i przyczyn obserwowanych efektów, a w konsekwencji przyczyni się do doskonalenia technologii wytwarzania oraz rozwoju bardziej realistycznych metod obliczeniowych stosowanych w inżynierii.

Celem projektu, mającym charakter wyjaśniający i opisowy jest jakościowa i ilościowa ocena wpływu rodzaju, wielkości i lokalizacji mikro- i mezostrukturalnych nieciągłości w kompozytach polimerowo-włóknistych na ich odpowiedź mechaniczną, wytrzymałość oraz mechanizmy inicjacji i propagacji uszkodzeń.

Celem predykcyjnym jest adaptacja lub opracowanie algorytmów uczenia maszynowego umożliwiających stworzenie systemu przewidywania wpływu defektów na zmiany właściwości wytrzymałościowych kompozytów.

Znaczenie projektu

Problem badawczy związany z identyfikacją i ilościowym opisem wpływu nieciągłości strukturalnych w polimerowo-włóknistych materiałach kompozytowych na zmiany ich zachowania mechanicznego i wytrzymałości w różnych warunkach obciążenia stanowi istotne zagadnienie naukowe. Podstawowym wyzwaniem jest obecny brak wystarczającej wiedzy dotyczącej charakteru i skali tego wpływu.

Dotychczas nie przedstawiono jednoznacznych i kompleksowych korelacji wskazujących, jaki rodzaj defektu, o jakiej wielkości i lokalizacji, powoduje określoną zmianę – spadek lub wzrost – odpowiedzi mechanicznej kompozytu. Odpowiedź ta obejmuje m.in. rozkład naprężeń i odkształceń, przyspieszenie lub opóźnienie inicjacji uszkodzenia oraz zmianę jego lokalizacji, mikromechanizmy pękania składników materiału, obszary koncentracji i relaksacji naprężeń, a także wartości modułów i wskaźników wytrzymałościowych.

Uzasadnia to konieczność podjęcia tego problemu badawczego zarówno ze względu na jego wartość poznawczą, jak również potrzebę wykorzystania uzyskanej wiedzy w coraz bardziej zaawansowanych, precyzyjnych i realistycznych metodach obliczeniowych. Wiedza ta może umożliwić odejście od stosowania wyidealizowanych modeli początkowych brył i powierzchni na rzecz reprezentacji bardziej odpowiadających rzeczywistym strukturom materiałowym, stosowanych m.in. w cyfrowych bliźniakach.

Drugim obszarem uzasadniającym podjęcie problemu badawczego są nauki inżynieryjno-techniczne związane z technologią wytwarzania materiałów kompozytowych. Precyzyjna wiedza na temat wpływu poszczególnych defektów na właściwości mechaniczne pozwoli właściwie ukierunkować działania mające na celu doskonalenie technologii, w szczególności poprzez rozwój rozwiązań ograniczających lub eliminujących najbardziej krytyczne nieciągłości.

Jednocześnie znajomość wpływu defektów na stan mechaniczny materiału umożliwi skuteczniejszą kontrolę procesów technologicznych, m.in. poprzez ich uzupełnianie o dodatkowe etapy lub rozwiązania technologiczne, takie jak dotwardzanie czy zrobotyzowane układanie warstw.

W obu przypadkach określenie nie tylko tego, jaki defekt powoduje zmianę właściwości i jaka jest skala tej zmiany, lecz również wyjaśnienie przyczyn obserwowanych zjawisk na podstawie dowodów naukowych, takich jak mapy odkształceń, wyniki badań wytrzymałościowych oraz analiza zniszczenia, istotnie zwiększy poziom wiedzy zarówno wśród badaczy, jak i praktyków zajmujących się badaniami podstawowymi i aplikacyjnymi materiałów kompozytowych. Przyczyni się to do doskonalenia metod oceny oraz przewidywania niezawodności materiałów kompozytowych.

Koncepcja i metodyka badań

Koncepcja badań obejmuje zaprojektowanie, realizację, badania, analizę oraz modelowanie systemu predykcji wpływu nieciągłości strukturalnych na zachowanie mechaniczne i właściwości wytrzymałościowe polimerowo-włóknistych materiałów kompozytowych.

Planowane prace, obejmujące etap planowania teoretycznego, opracowania technologii, badań eksperymentalnych, analiz oraz modelowania, pozwolą w pierwszej kolejności na opracowanie katalogu istotnych defektów strukturalnych występujących w materiałach kompozytowych. Następnie opracowane zostaną technologie umożliwiające kontrolowane i powtarzalne odwzorowanie tych defektów w strukturach kompozytowych.

Wytworzone zostaną próbki referencyjne, pozbawione celowo wprowadzanych defektów, oraz próbki zawierające kontrolowane nieciągłości strukturalne. Próbki zostaną poddane zróżnicowanym badaniom wytrzymałościowym, obejmującym zarówno badania eksperymentalne, jak i symulacje metodą elementów skończonych (MES/FEM). Następnie przeprowadzona zostanie analiza uszkodzeń oraz mechanizmów ich inicjacji i propagacji.

Ostatecznie zgromadzone dane zostaną wykorzystane do opisania wpływu defektów na właściwości materiałów kompozytowych z uwzględnieniem ich rodzaju, wielkości, lokalizacji oraz innych istotnych cech. Dane te zostaną również przekształcone w zbiory danych przeznaczone do uczenia maszynowego, obejmujące zbiory treningowe i testowe, w celu opracowania systemu predykcyjnego wykorzystującego narzędzia uczenia maszynowego i sztucznej inteligencji (Machine Learning / AI).