MECHANIKA KOMPOZITNÍCH MATERIÁLŮ PORUŠOVÁNÍ KOMPOZITŮ © 2006 Vladislav LAŠ

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

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.

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

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

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

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

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

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

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

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

Mikromechanická kritéria porušení Šíření trhliny v lamině s vysokou hodnotou Fd

Mikromechanická kritéria porušení Šíření trhliny v lamině s nízkou hodnotou Fd

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

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

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

Makromechanická kritéria porušení Neinteraktivní kritéria Kritérium maximálního napětí

Makromechanická kritéria porušení Mimoosové kritérium Podmínky pevnosti

Makromechanická kritéria porušení Mimoosové kritérium pro a podmínky pevnosti jsou vyjádřeny

Makromechanická kritéria porušení

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

Makromechanická kritéria porušení S využitím Hookeova zákona pro

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

Makromechanická kritéria porušení Tsai-Wu

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

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

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

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

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

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

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

Makromechanická kritéria porušení

Makromechanická kritéria porušení

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

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

Makromechanická kritéria porušení Maximální napětí Maximální deformace Tsai-Wu Puck

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

Delaminace GI = JI Vypočtená hodnota GI Závislost síla – posuv

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

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?

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