MECHANIKA KOMPOZITNÍCH MATERIÁLŮ

Prezentace na téma: "MECHANIKA KOMPOZITNÍCH MATERIÁLŮ"— Transkript prezentace:

1 MECHANIKA KOMPOZITNÍCH MATERIÁLŮ
PORUŠOVÁNÍ KOMPOZITŮ © 2006 Vladislav LAŠ

2 Porušování kompozitních materiálů
Úvod Lomové procesy vyvolané v jednosměrovém kompozitu Mikromechanická kritéria porušení Makromechanická kritéria porušení a lomová pevnost Metoda postupného porušování laminátu Závěr

3 Lomové procesy vyvolané v jednosměrovém kompozitu
Lomové procesy vyvolané v kompozitech Lomové mechanismy Iniciace lomu → nukleace mikrotrhlin – „microcracking“ Šíření lomu – výsledek vzniku nových lomových ploch na makroskopické úrovni – „macrocracking“ Počátek lomu je zřejmý dříve ze změny makroskopického chování materiálu,než je viditelný.

4 Lomové procesy vyvolané v jednosměrovém kompozitu
Lomové procesy vyvolané v lamině Lom laminy je výsledkem akumulací různých elementárních mechanizmů lomu lom vlákna příčný lom matrice podélný lom matrice lom na rozhraní vlákno – matrice Lom vlákna

5 Lomové procesy vyvolané v jednosměrovém kompozitu
Lom vlákna – vyvolá koncentraci napětí v okolí lomu. Přerozdělení těchto napětí a tedy výsledný lomový proces závisí na: lomovém napětí vlákna kapacitě matrice absorbovat uvolněnou energii vlastnostech rozhraní vlákno - matrice

6 Lomové procesy vyvolané v jednosměrovém kompozitu
Různé procesy lomu matrice vyvolané lomem vláken příčný lom matrice smykový lom matrice odpojení vlákno - matrice podélný lom matrice

7 Lomové procesy vyvolané v jednosměrovém kompozitu
Lom matrice sm=Fmt tm=Fms příčný lom matrice podélný lom matrice tm=Fd odpojení vlákno – matrice – „debonding“

8 Mikromechanická kritéria porušení
Lamina vystavená podélnému tahu Napětí v jednosměrovém kompozitu ….. jsou průměrná napětí ve vlákně a matrici ….. jsou objemové poměry vláken a matrice

9 Mikromechanická kritéria porušení
Dva případy: a) Podélná tahová pevnost kompozitu

10 Mikromechanická kritéria porušení
Druhý případ: b) Tahová pevnost kompozitu je dána

11 Mikromechanická kritéria porušení
Vliv objemového podílu vláken na pevnost laminy FLt Fft = 2500 MPa Fft = 1500 MPa Vf

12 Mikromechanická kritéria porušení
Šíření trhliny v lamině s vysokou hodnotou Fd

13 Mikromechanická kritéria porušení
Šíření trhliny v lamině s nízkou hodnotou Fd

14 Mikromechanická kritéria porušení
Lom laminy vlivem příčného tahu Vysoká koncentrace napětí v matrici. Součinitel koncentrace napětí. Součinitel koncentrace deformace. Zbytkové napětí + zbytková deformace musí být uvažovány. Potom podmínka pevnosti

15 Makromechanická kritéria porušení
Makromechanická kritéria tahu Uvedení do problematiky a) Pro houževnaté materiály b) Pro křehké materiály Homogenizace materiálu Základní pevnostní parametry … podélná tahová pevnost … podélná tlaková pevnost … příčná tahová pevnost … příčná tlaková pevnost … smyková pevnost

16 Makromechanická kritéria porušení
Rozdělení kritérií pevnosti Neinteraktivní  Kritérium maximálního napětí  Kritérium maximální deformace B) Interaktivní  Hillovo kritérium pevnosti  Tsai-Hillovo kritérium pevnosti  Hoffmanovo kritérium pevnosti  Tsui-Wu kritérium pevnosti  Puckovo kritérium pevnosti  LaRC

17 Makromechanická kritéria porušení
Neinteraktivní kritéria Kritérium maximálního napětí

18 Makromechanická kritéria porušení
Mimoosové kritérium Podmínky pevnosti

19 Makromechanická kritéria porušení
Mimoosové kritérium pro a podmínky pevnosti jsou vyjádřeny

20 Makromechanická kritéria porušení

21 Makromechanická kritéria porušení
Kritérium maximální deformace Podmínky Hookeův zákon Mezní hodnoty složek poměrné deformace

22 Makromechanická kritéria porušení
S využitím Hookeova zákona pro

23 Makromechanická kritéria porušení
Interaktivní kritéria porušení Hillovo kritérium Hoffmanovo kritérium Tsai-Hillovo kritérium Tsai-Wu kritérium

24 Makromechanická kritéria porušení
Tsai-Wu

25 Makromechanická kritéria porušení
 Puckovo kritérium pevnosti Současně musí být aplikována dvě nezávislá kritéria porušení a) Kritérium pro porušení vláken b) Kritérium pro porušení mezi vlákny Ad a) Kritérium pro porušení vláken pro

26 Makromechanická kritéria porušení
Podmínka pro porušení vlákna při kombinovaném zatížení vláken pro kde je mezní tahová, tlaková poměrná deformace v podélném směru - je poměrná deformace laminy v podélném směru od zatížení působícího v témže směru - je Poissonovo číslo vlákna

27 Makromechanická kritéria porušení
- je modul pružnosti vlákna v tahu - je napětí laminy v příčném směru - je koeficient zahrnující účinek zvýšení napětí vznikající vlivem rozdílných modulů pružnosti vlákna a matrice (ve směru T), který vede k nerovnoměrnému rozložení napětí . Z mikromechanického hlediska je napětí ve vlákně nepatrně vyšší než v matrici. Na základě experimentů pro

28 Makromechanická kritéria porušení
Ad b) Kritérium pro porušení materiálu mezi vlákny Vektor napětí v souřadnicovém systému

29 Makromechanická kritéria porušení
Napětí působící v akční rovině Puck zavedl značení Podmínka pevnosti pro

30 Makromechanická kritéria porušení
Napětí v rovině A za předpokladu rovinné napjatosti Použitím Mohr-Coulombovy podmínky pevnosti – plocha porušení materiálu

31 Makromechanická kritéria porušení
Lom mezi vlákny – 3 druhy mechanismů (Mód A, B, C) Speciální případ rovinné napjatosti Mód A Mód B Mód C

32 Makromechanická kritéria porušení

33 Makromechanická kritéria porušení

34 Makromechanická kritéria porušení
Příklad 4 Uvažujme laminu s následujícími mechanickými vlastnostmi: Zakreslete mezné křivky v souřadnicovém napěťovém systému pro následující pevnostní kritéria:  Kritérium maximálního napětí  Kritérium maximální deformace  Hoffmanovo kritérium  Tsai-Hillovo kritérium  Puckovo kritérium

35 Makromechanická kritéria porušení
[MPa] [MPa] [MPa] [MPa] [MPa]

36 Makromechanická kritéria porušení
Maximální napětí Maximální deformace Tsai-Wu Puck

37 nosník dle Euler-Bernoulli
Delaminace fólie definice nosník dle Euler-Bernoulli ASTM ASTM s korekcí

38 Delaminace GI = JI Vypočtená hodnota GI Závislost síla – posuv

39 Metoda postupného porušování
c – degradační faktor porušení vláken C = porušení matrice úplné porušení

40 Metoda postupného porušování
kvazistatická úloha čas & zatížení + – n–1 n n+1 f < 1 porušení vrstvy – elementu? t = ? recycle degradace C  Cm, Cf, Cmf porušení dalšího elementu?

41 Metoda postupného porušování
tranzientní úloha čas & zatížení n–1 n + n+1 f < 1 porušení vrstvy – elementu? – degradace C  Cm, Cf, Cmf