Výpočtové modelování mechanických zkoušek kompozitů pryž - ocelové vlákno
Loading...
Date
Authors
ORCID
Advisor
Referee
Mark
A
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Vysoké učení technické v Brně. Fakulta strojního inženýrství
Abstract
Motivací pro realizaci této diplomové práce bylo navrhnout výpočtový model vláknového kompozitu s elastomerovou matricí a dále se pokusit o homogenizaci vlastností tohoto kompozitu. Práce se zabývá výpočtovým modelováním deformačně napěťových stavů vznikajících při mechanických zkouškách kompozitů. Kompozity, které jsou použity při mechanických zkouškách, jsou složeny z hyperelastické pryžové matrice a z ocelových výztužných vláken. Výpočtové modelování je uskutečněno na dvou úrovních modelu. Jednak s fyzickým modelováním vláken a matrice a jednak s využitím homogenizace vlastností, tj. konstitutivních modelů popisujících vlastnosti kompozitu jako celku. To znamená, že vlastnosti vláken jsou matematickou formulací konstitutivního modelu zahrnuty v měrné energii napjatosti (hustota deformační energie). Dále se práce zabývá výpočtovým modelováním mechanických zkoušek hyperelastických izotropních materiálů, které slouží k identifikaci jejich materiálových parametrů a k ověření správného výběru konstitutivního modelu materiálu, jenž ho popisuje. Pro konkrétní hyperelastický materiál jsou provedeny simulace pro zkoušku jednoosým tahem, dvouosým tahem, jednoosým tlakem, dvouosým tlakem, smykem, jednoosým tahem se zabráněnou příčnou deformací. Mechanické parametry byly určeny z experimentálních dat, které sloužily jako data vstupní. Ověření modelu materiálu bylo provedeno porovnáním dat získaných z experimentů a výsledků simulace daných mechanických zkoušek pomocí MKP v systému Ansys. Takto ověřený konstitutivní model materiálu byl použit pro popis matrice v deformačně napěťových modelech mechanických zkoušek kompozitního materiálu a výsledky byly porovnávány s experimentálními daty. Cíle, kterých má být dosaženo, jsou následující: • Seznámit se s konstitutivními modely hyperelastických izotropních a anizotropních materiálů a identifikací jejich parametrů na základě mechanických zkoušek. • Vytvořit výpočtové modely zkušebních těles z kompozitu "pryž - ocelové vlákno" pro různá uspořádání vláken a využít je při simulaci vybraných zkoušek. • Otestovat možnosti modelování kompozitu s využitím homogenizace jeho vlastností a porovnat výsledky obou přístupů. Výsledky, kterých bylo dosaženo: • Byly vytvořeny výpočtové modely s namodelovanými vlákny, jejichž deformačně napěťové charakteristiky se kvalitativně shodují s experimentem a kvantitativní rozdíl je 20% až 40% (viz.(4.3)). • Dále byla úspěšně provedena homogenizace vlastností výpočtového modelu s namodelovanými vlákny (viz.(4.4)).
This diploma thesis focuses on realization of a computational model of fibre composite with elastomer matrix and on homogenization of properties of this composite. The work deals with computational modelling of strain-stress states which arise in mechanical tests of composites. The composites investigated by mechanical tests comprise of hyperelastic rubber matrix and steel reinforcing fibres. Computational modelling is carried out at two levels of the model. First, with three-dimensional modelling of fibres and matrix as two different materials and, second, using a homogenized model of composite; this constitutive model describes the composite as a homogeneous anisotropic material. It means that properties of fibres are encompassed into strain energy density by the mathematical formulation of the constitutive model. Further, the work deals with computational modelling of mechanical tests of hyperelastic isotropic materials used for identification of their material parameters and for verification of the selected constitutive model of material. For particular hyperelastic material, simulations of tests were carried out, namely of uniaxial tension, biaxial tension, uniaxial compression, biaxial compression, pure shear and uniaxial tension with constrained transversal strain (planar tension). Parameters of the constitutive model were determined of experimental input data. Verification of the constitutive model was carried out by comparison of the data acquired by experiments with the results of simulations of mechanical tests in FE program system Ansys. Then the authentic constitutive model of material was used for description of matrix behaviour in models of mechanical tests of composite material and results were compared with experimental data. Principal objectives which I want to attain are following: • to acquaint with the constitutive models of hyperelastic isotropic and anisotropic materials and identification of their perameters on base of mechanical tests. • to create computational models of testing specimens of composite “ rubber – steel fibre“ for different fibre arrangements and to use the created computational models in simulations of chosen tests. • to test the possibilities of computational modelling of composites with application of homogenized properties and to compare the results of both approaches. Results which were attained: • the computational models were created with the fibres modelled; the strain – stress characteristics are qualitatively corresponding to experiments, and quantitative difference is 20% - 40% (see (4.3)). • the computational models based on homogenization of properties were tested and gave results corresponding to the models with modelled fibres (see (4.4)) with a good accuracy.
This diploma thesis focuses on realization of a computational model of fibre composite with elastomer matrix and on homogenization of properties of this composite. The work deals with computational modelling of strain-stress states which arise in mechanical tests of composites. The composites investigated by mechanical tests comprise of hyperelastic rubber matrix and steel reinforcing fibres. Computational modelling is carried out at two levels of the model. First, with three-dimensional modelling of fibres and matrix as two different materials and, second, using a homogenized model of composite; this constitutive model describes the composite as a homogeneous anisotropic material. It means that properties of fibres are encompassed into strain energy density by the mathematical formulation of the constitutive model. Further, the work deals with computational modelling of mechanical tests of hyperelastic isotropic materials used for identification of their material parameters and for verification of the selected constitutive model of material. For particular hyperelastic material, simulations of tests were carried out, namely of uniaxial tension, biaxial tension, uniaxial compression, biaxial compression, pure shear and uniaxial tension with constrained transversal strain (planar tension). Parameters of the constitutive model were determined of experimental input data. Verification of the constitutive model was carried out by comparison of the data acquired by experiments with the results of simulations of mechanical tests in FE program system Ansys. Then the authentic constitutive model of material was used for description of matrix behaviour in models of mechanical tests of composite material and results were compared with experimental data. Principal objectives which I want to attain are following: • to acquaint with the constitutive models of hyperelastic isotropic and anisotropic materials and identification of their perameters on base of mechanical tests. • to create computational models of testing specimens of composite “ rubber – steel fibre“ for different fibre arrangements and to use the created computational models in simulations of chosen tests. • to test the possibilities of computational modelling of composites with application of homogenized properties and to compare the results of both approaches. Results which were attained: • the computational models were created with the fibres modelled; the strain – stress characteristics are qualitatively corresponding to experiments, and quantitative difference is 20% - 40% (see (4.3)). • the computational models based on homogenization of properties were tested and gave results corresponding to the models with modelled fibres (see (4.4)) with a good accuracy.
Description
Citation
JARÝ, M. Výpočtové modelování mechanických zkoušek kompozitů pryž - ocelové vlákno [online]. Brno: Vysoké učení technické v Brně. Fakulta strojního inženýrství. 2008.
Document type
Document version
Date of access to the full text
Language of document
cs
Study field
Aplikovaná mechanika
Comittee
prof. Ing. Josef Rosenberg, DrSc. (předseda)
Ing. Milan Roučka, CSc. (místopředseda)
prof. Ing. Přemysl Janíček, DrSc. (člen)
doc. Ing. Miloš Vlk, CSc. (člen)
prof. Ing. Eduard Malenovský, DrSc. (člen)
prof. RNDr. Ing. Jan Vrbka, DrSc., dr. h. c. (člen)
prof. Ing. Jindřich Petruška, CSc. (člen)
Date of acceptance
2008-06-16
Defence
Result of defence
práce byla úspěšně obhájena
Document licence
Standardní licenční smlouva - přístup k plnému textu bez omezení