Effects of Defects on Composite Structures Load Carrying Capacity: Delaminations at a Bi-Material Interface
Loading...
Date
Authors
ORCID
Advisor
Referee
Mark
P
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Vysoké učení technické v Brně. Fakulta strojního inženýrství
Abstract
Kompozitní materiály se projevují komplexním způsobem porušování, které může být dále ovlivněno přítomností různých poruch plynoucích z výrobních processů nebo se vyskytujících v průběhu života součásti. Důkladné porozmění procesů porušování a jejich okolností je nezbytné pro navrhování kompozitních konstrukcí, jenž budou bezpečnější, trvanlivější a ekonomičtější. V první části disertační práce jsou popsány způsoby porušování kompozitů a uvedeny současné matematické metody pro analýzu a výpočet únosnosti. Dále jsou zde vyjmenovány hlavní druhy vad a stručně diskutován jejich vliv na vlastnosti kompozitních materiálů. Zvláštní důraz je kladen na delaminace, společně se základními principy lomové mechaniky a jejich uplatnění při výpočtech a zkoušení kompozitů. Druhá část je zaměřena na delaminace na rozhranní dvou různých materialů. Lomová houževnatost byla experimantálně měřena ve třech typech zatížení za účelem stanovení poruchového kritéria založeného na podílu módu I a módu II. Během tohoto experimentu byla vyvinuta nová metoda měření délky trhliny pomocí digitáního zpracování obrazu a rovněž byla navržena nová definice počátku šíření trhliny. Analytické vztahy pro výpočet míry uvolnění deformační energie z naměřených dat byly rozšířeny o vliv rozdílných elastické parametrů materiálů na rozhranní. Podrobnější prozkoumání analytických vztahů a výpočet metodou konečných prvků odhalil, že podíl módu I a módu II je závislý na vzdálenosti od čela trhliny a poruchové kritérium založené na podílu smíšenosti tak nemůže být použito.
Composite materials exhibit a complex failure behaviour, which may be further affected by various defects that arise either during the manufacturing process or during the service life of the component. A detailed understanding of the failure behaviour, and the factors affecting it, is essential for designing composite structures that are safer, more durable and economical. First part of this thesis gives an overview of typical failure mechanisms in composite materials and describes mathematical theories, currently being used in analysing and predicting the failure. Different types of defects are reviewed and their effects on composite materials performance briefly discussed. Delaminations are described in more detail together with basic fracture mechanics principles and their application in the analysis and experimental testing of composite materials. The second part focuses on delamination at an interface of two different materials. An experimental measurement of fracture toughness was performed under three types of loading conditions in order to determine a delamination failure criterion based on a ratio of mode I and mode II. As a part of the experiment, a novel method of measuring the crack length based on digital image processing was developed and also a new type of delamination initiation point definition proposed. Analytical equations for calculating the energy release rate from experimentally measured data were reviewed and extended to account for different elastic moduli of the two materials at the interface. Analytical and finite element investigation revealed that the mode I and mode II contributions are dependent on the distance from the crack tip and therefore a failure criterion based on the mixed mode ratio cannot be used.
Composite materials exhibit a complex failure behaviour, which may be further affected by various defects that arise either during the manufacturing process or during the service life of the component. A detailed understanding of the failure behaviour, and the factors affecting it, is essential for designing composite structures that are safer, more durable and economical. First part of this thesis gives an overview of typical failure mechanisms in composite materials and describes mathematical theories, currently being used in analysing and predicting the failure. Different types of defects are reviewed and their effects on composite materials performance briefly discussed. Delaminations are described in more detail together with basic fracture mechanics principles and their application in the analysis and experimental testing of composite materials. The second part focuses on delamination at an interface of two different materials. An experimental measurement of fracture toughness was performed under three types of loading conditions in order to determine a delamination failure criterion based on a ratio of mode I and mode II. As a part of the experiment, a novel method of measuring the crack length based on digital image processing was developed and also a new type of delamination initiation point definition proposed. Analytical equations for calculating the energy release rate from experimentally measured data were reviewed and extended to account for different elastic moduli of the two materials at the interface. Analytical and finite element investigation revealed that the mode I and mode II contributions are dependent on the distance from the crack tip and therefore a failure criterion based on the mixed mode ratio cannot be used.
Description
Keywords
Delaminace, Rozhranní, Lom, Porucha, Kompozit, Smíšený mód, Zkoušení delaminací, Rzchlost uvolnění enrgie, Digitální zpracování obrazu, Délka trhliny, Delamination, Interface, Fracture, Strength, Failure, Composite, Mixed mode, Delamination testing, Energy release rate, Digital image processing, Crack length
Citation
MATĚJÁK, V. Effects of Defects on Composite Structures Load Carrying Capacity: Delaminations at a Bi-Material Interface [online]. Brno: Vysoké učení technické v Brně. Fakulta strojního inženýrství. 2016.
Document type
Document version
Date of access to the full text
Language of document
en
Study field
Konstrukční a procesní inženýrství
Comittee
prof. Ing. František Pochylý, CSc. (předseda)
prof. RNDr. Michal Kotoul, DrSc. (člen)
prof. Ing. Milan Růžička, CSc. (člen)
prof. Ing. Antonín Píštěk, CSc. (člen)
doc. Ing. Josef Klement, CSc. (člen)
doc. RNDr. Zdeněk Karpíšek, CSc. (člen)
prof. Ing. Miroslav Rousek, CSc. (člen)
doc. Ing. Jiří Hlinka, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Ivo Jebáček, Ph.D. (člen)
Date of acceptance
2016-06-28
Defence
DDP je zaměřena na analýzu vlivu vad na únosnost kompozitních konstrukcí. Výsledky DDP mají aplikační charakter a představují významný příspěvek ke stanovení podmínek pro iniciaci a růst deliminace na vybraných kompozitech. Dizertant prokázal schopnost vědecky pracovat a výsledky realizovat v průmyslové praxi.
Result of defence
práce byla úspěšně obhájena
Document licence
Standardní licenční smlouva - přístup k plnému textu bez omezení