Badania numeryczne i doświadczalne ściskanych kompozytowych płyt z centralnym wycięciem

Środki finansowe przyznane przez Narodowe Centrum Nauki na realizację projektu badawczego

Preludium 13

Tytuł projektu: Badania numeryczne i doświadczalne ściskanych kompozytowych płyt z centralnym wycięciem

Tytuł w j. angielskim: Numerical and experimental analysis of compressed composite plates with a central cutout

Numer umowy: UMO-2017/25/N/ST8/01066

Okres realizacji: 25.01.2018 - 24.01.2022

Wartość projektu: 174.800,00 PLN

Wartość przyznanych środków: 174.800,00 PLN

Kierownik projektu: dr inż. Katarzyna Falkowicz

Słowa kluczowe: MES, kompozyty, nieliniowa stateczność, stateczność elementów płytowych, zniszczenie kompozytów

Streszczenie: Celem naukowym projektu realizowanego w dyscyplinie inżynieria mechaniczna jest analiza stateczności i stanów pokrytycznych ściskanych płytowych elementów sprężystych z wycięciem o zmiennych parametrach geometrycznych, wykonanych z kompozytów włóknistych, a także zbadanie wpływu układu warstw kompozytu na pokrytyczne charakterystyki elementu sprężystego oraz wartość obciążenia niszczącego. Przedmiotem rozważań będą płyty prostokątne z centralnym wycięciem o zmiennych parametrach geometrycznych wykonane z kompozytów włóknistych o zróżnicowanych układach warstw laminatu. Zakres badań będzie obejmował zagadnienia nieliniowej stateczności oraz zniszczenia płytowych struktur kompozytowych poddanych równomiernemu ściskaniu. Badania prowadzone będą z wykorzystaniem różnych metod badawczych, łączących ze sobą zagadnienia związane z badaniami doświadczalnymi prowadzonymi na rzeczywistych konstrukcjach kompozytowych oraz obliczeniami numerycznymi z wykorzystaniem metody elementów skończonych. W badaniach eksperymentalnych do oceny stanu struktury kompozytu oraz monitorowania zdarzeń zachodzących podczas procesu obciążania wykorzystana zostanie metoda emisji akustycznej. Obliczenia numeryczne umożliwią dokonanie szczegółowej oceny stopnia wytężenia poszczególnych obszarów struktury oraz określenia wpływu układu warstw kompozytu na pokrytyczną charakterystykę konstrukcji. Wyniki prowadzonych badań przyczynią się do opracowania i udoskonalenia metod analizy oraz projektowania cienkościennych struktur kompozytowych o charakterystykach nieliniowo-sprężystych.
Postawiono hipotezę badawczą, że płytowe elementy z centralnym wycięciem wykonane z kompozytów włóknistych mogą posiadać stateczne charakterystyki sprężyste w stanach pokrytycznych, przy czym istotny wpływ na kreowanie właściwości sprężystych płyty mają parametry geometryczne wycięcia oraz struktura układu warstw kompozytu. W ramach projektu wykonane zostaną prostokątne płyty o zróżnicowanych układach warstw laminatu, które zostaną osłabione otworami o nieregularnych kształtach. Wykonane modele fizyczne poddane zostaną równomiernemu ściskaniu z wymuszeniem giętno-skrętnej postaci wyboczenia zapewniającej stateczną pracę konstrukcji w stanach pokrytycznych. Wymuszenie pracy konstrukcji wg giętno-skrętnej postaci wyboczenia, zrealizowane będzie poprzez zastosowanie niesymetrycznych układów warstw kompozytu, posiadających określone sprzężenia mechaniczne. W trakcie badań prowadzona będzie rejestracja parametrów próby z wykorzystaniem metod tensometrii oporowej, laserowego pomiaru ugięć oraz metody emisji akustycznej. Umożliwi to uzyskanie charakterystyk konstrukcji w pełnym zakresie obciążenia, wraz z fazą zniszczenia kompozytu. Zbadany zostanie wpływ parametrów geometrycznych wycięć w strukturze płyty na stateczność oraz charakterystyki sprężyste konstrukcji w stanie pokrytycznym. Dodatkowo oceniony zostanie również wpływ konfiguracji warstw laminatu na stateczność i nieliniową sprężystość konstrukcji po utracie stateczności. Opracowane zostaną modele dyskretne umożliwiające analizę wyboczenia i nieliniowej stateczności konstrukcji z uwzględnieniem fazy zniszczenia. Nośność konstrukcji oceniona zostanie na podstawie tensorowego kryterium Tsai-Wu zaimplementowanego w programach MES. Adekwatność opracowanych modeli numerycznych zostanie zweryfikowana otrzymanymi wynikami badań doświadczalnych. Projekt ma charakter wieloaspektowy, obejmujący wiedzę z zakresu mechaniki konstrukcji kompozytowych, stateczności konstrukcji cienkościennych oraz mechaniki zniszczenia. Przebadany zostanie wpływ parametrów geometrycznych wycięcia oraz układu warstw kompozytu na stateczność, charakterystykę pokrytyczną oraz nośność płyt kompozytowych osłabionych wycięciami, uzupełniając przy tym stan wiedzy z zakresu kompozytowych konstrukcji cienkościennych w tym obszarze. Uzyskane wyniki dostarczą informacji dotyczących kształtowania właściwości mechanicznych struktur wykonanych z laminatów, a także pozwolą zoptymalizować strukturę laminatu w celu otrzymania poszukiwanych charakterystyk o właściwościach nieliniowo-sprężystych. Umiejętność odpowiedniego kształtowania parametrów konstrukcyjnych badanych płyt z wycięciem umożliwi opracowanie oczekiwanej charakterystyki elementu sprężystego. Prowadzone badania przyczynią się również do podniesienia kwalifikacji w obszarze badań doświadczalnych oraz symulacji numerycznych kierownika projektu, a także wzrostu osiągnięć naukowych poprzez publikacje wyników badań w czasopismach naukowych o zasięgu krajowym i międzynarodowym.