Únava vlákny vyztužených kompozitů s polymerní matricí

Únava vlákny vyztužených kompozitů s polymerní matricí Ing. Michal Král Výzkumný a zkušební letecký ústav, a.s. Útvar kompozitní technologie kral@vzlu.cz Seminář ČSM Praha, 20.11.2014

Obsah 1. Základní pojmy únava materiálu, kmitavá zatížení 2. Podstata únavového poškození u kompozitních materiálů módy poškození, projevy únavového poškození 3. Problematika související s realizací únavových zkoušek 4. Faktory ovlivňující únavové chování kompozitních materiálů 5. Metodika a modely predikce životnosti

1. Základní pojmy Mezním stavem únavy materiálu rozumíme stav, kdy dojde vlivem časově proměnných zatížení k poruše funkční způsobilosti součásti. Vrtule VZLÚ V332-3B http://www.vzlu.cz/cz/aktivity/vrtulea-ventilatory/letecke-vrtule http://www.theguardian.com/technology/20 08/sep/04/energy.engineering

1. Základní pojmy Kmitavá provozní zatížení σ h - horní napětí cyklu σ d - dolní napětí cyklu σ a - amplituda napětí σ m - střední napětí Δσ - rozkmit napětí T - perioda kmitu - frekvence zatěžování - součinitel asymetrie cyklu Obr. 3 Zátěžný cyklus s harmonickým průběhem

1. Základní pojmy Klasifikace zátěžných cyklů Obr. 4 Klasifikace zátěžných cyklů dle velikosti σ a, σ m a součinitele asymetrie cyklu R. Převzato z [1].

2. Únavové poškození u kompozitních materiálů Módy porušování - Trhliny v matrici - Poruchy mezifázového rozhraní - Delaminace - Porušení vláken Pokles tuhosti a pevnosti kompozitní konstrukce při cyklickém zatěžování Obr. 5 Rozvoj módů poškození během života kompozitního zkušebního tělesa [(0/90/±45) s ], [2]

2. Únavové poškození u kompozitních materiálů Pokles tuhosti - tah Obr. 6 Pokles tuhosti zkušebního tělesa sklo/epoxid kompozitu - [(0/90) 8 ] při cyklickém tahovém zatížení, R=0.1, f=10 Hz

2. Únavové poškození u kompozitních materiálů Pokles tuhosti - smyk Obr. 7 Pokles tuhosti zkušebního tělesa UD kompozitu uhlík/epoxid při silově řízeném smykovém cyklickém zatížení, R=0.1, f= 2Hz, [3]

2. Únavové poškození u kompozitních materiálů Pokles pevnosti Obr. 8 Zbytková pevnost UD kompozitu sklo/epoxid, R=0.1, zatížení orientováno ve směru vláken. Zbytková pevnost byla vyhodnocována na 20%, 50% a 80% životnosti na dané hladině. [4]

2. Únavové poškození u kompozitních materiálů Pokles pevnosti Obr. 9 Zbytková pevnost UD kompozitu sklo/epoxid, R=-1, zatížení orientováno ve směru vláken. Zbytková pevnost byla vyhodnocována na 20%, 50% a 80% životnosti na dané hladině. [4]

2. Únavové poškození u kompozitních materiálů Pokles pevnosti Obr. 10 Zbytková pevnost UD kompozitu sklo/epoxid, R=0.1, zatížení orientováno kolmo na vlákna. Zbytková pevnost byla vyhodnocována na 20%, 50% a 80% životnosti na dané hladině. [4]

2. Únavové poškození u kompozitních materiálů Pokles pevnosti Obr. 11 Zbytková pevnost UD laminátu sklo/epoxid, R=0.1, zatížení ve smyku v rovině laminátu. Zbytková pevnost byla vyhodnocována na 20%, 50% a 80% životnosti na dané hladině. [4]

3. Problematika související s realizací únavových zkoušek Normalizované metodiky - EN ISO 13003, Fibre Reinforced Plastic Composites Determination of Fatigue Properties Under Cyclic Loading Conditions - ASTM D3479, Standard test methodfor tension-tensionfatigue of polymer matrix composite materials - ASTM D6115, Standard test method for mode I fatigue delamination growth onset of unidirectional fibre reinforced polymer matrix composites - ISO 14269 - Petroleum and natural gas industries Glass Reinforced Plastic Piping

3. Problematika související s realizací únavových zkoušek Zkušební tělesa - geometrie Obr. 12 Zkušební těleso dle ASTM D3039 Obr. 13 Zkušební těleso tvaru dog bone [5]

3. Problematika související s realizací únavových zkoušek Zkušební tělesa - stabilita zkušebních těles při tlakovém zatížení Obr. 14 Zkušební těleso UD kompozitu sklo/epoxid porušené v důsledku ztráty stability, R=10, [4] ASTM D3410 :

3. Problematika související s realizací únavových zkoušek Zkušební tělesa - porušení na konci příložky Obr. 15 Hodnoty součinitele tvaru pro různé způsoby upnutí vzorku a různé materiály příložek stanovené pomocí MKP [6]

3. Problematika související s realizací únavových zkoušek Frekvence zatěžování 1) Při cyklickém zatěžování dochází k ohřevu zkušebního tělesa (autogenous, selfgenerated heating). Vlákny vyztužené plasty mají nižší teplotní vodivost a vyšší vnitřní tlumení. Maximální přípustný nárůst teploty je dán závislostí mechanických vlastností na teplotě. Např. EN ISO 13003 připouští nárůst max. o 10 C. 2) Mechanické vlastnosti mohou být závislé na rychlosti zatěžování Způsob řízení cyklického zatěžování měkké (silové) vs. tvrdé (deformační) zatížení ASTM D3479 pojednává o obou způsobech

4. Faktory ovlivňující únavové chování kompozitních materiálů Vliv střední složky napětí Vliv okolní prostředí teplota, vlhkost, impakty Vliv formy výztuže tkaniny vs. jednosměrné výztuže, popř. krátkovláknové kompozity Vliv koncentrátorů napětí Vliv způsobu řízení cyklického zatěžování měkké vs. tvrdé

4. Faktory ovlivňující únavové chování kompozitních materiálů Vliv střední složky napětí Obr. 16 Filosofie CLD diagramu [7]

4. Faktory ovlivňující únavové chování kompozitních materiálů Vliv střední složky napětí Obr. 17 Po částech lineární CLD diagram pro 10 3 10 7 cyklu [7]

4. Faktory ovlivňující únavové chování kompozitních materiálů Vliv teploty Obr. 18 S-N křivky kompozitu sklo/epoxid vyztuženého tkaninou při různých teplotách. Statická pevnost materiálu 122 MPa 470 MPa. [8]

4. Faktory ovlivňující únavové chování kompozitních materiálů Vliv vlhkosti, impaktu Vlhkost: -120 dní při 90% vlhkosti a 45 C Impakt: -kroupa 20mm a rychlost 105m/s 27J Obr. 19 Porovnání poklesu tuhosti zkušebních těles kompozitu sklo/epoxid, [9]

4. Faktory ovlivňující únavové chování kompozitních materiálů Vliv vlhkosti, impaktu Vlhkost: -120 dní při 90% vlhkosti a 45 C Impakt: -kroupa 20mm a rychlost 105m/s 27J Obr. 20 ε-n data kompozitu sklo/epoxid, R = -1, [9]

4. Faktory ovlivňující únavové chování kompozitních materiálů Vliv formy výztuže Obr. 21 Porovnání S-N křivek tkaninového kompozitu uhlík/epoxid se saténovou vazbou a ekvivalentního jednosměrného kompozitu, R = -1, [10]

4. Faktory ovlivňující únavové chování kompozitních materiálů Vliv formy výztuže Obr. 22 Porovnání S-N křivek tkaninového kompozitu uhlík/epoxid se saténovou vazbou a ekvivalentního jednosměrného kompozitu, R = -1, [10]

4. Faktory ovlivňující únavové chování kompozitních materiálů Vliv koncentrátorů napětí Obr. 23 Zkušební tělesa pro ověření vlivu koncentace napětí, Sims - Gladman, [11]

4. Faktory ovlivňující únavové chování kompozitních materiálů Vliv koncentrátorů napětí Obr. 24 S-N křivky zkušebních těles tkaninového kompozitu sklo/epoxid, Sims - Gladman, [11]

4. Faktory ovlivňující únavové chování kompozitních materiálů Vliv koncentrátorů napětí Obr. 25 Data normalizovaná vzhledem ke statické pevnosti příslušných zkušebních těles, Sims - Gladman, [11]

5. Metodika a modely predikce životnosti Paepegem Degrieck [12] 1) Modely únavového života 2) Fenomenologické modely vycházející ze zbytkové tuhosti a pevnosti 3) Modely postupného poškozování - modely predikující růst módu poškození - modely korelující mezi růstem módu poškození a zbyt. mechanickými vlastnosti Montesano[13] 1) Empirické/Poloempirické modely 2) Modely zbytkového života/tuhosti/pevnosti 3) Modely postupného poškozování - modely predikující růst módu poškození - modely korelující mezi růstem módu poškození a zbyt. mechanickými vlastnosti - explicitní modelování daného módu poškození (MKP, RVE) Xu[14], Sendeckyj[15]..

5. Metodika a modely predikce životnosti Modely únavového života - vycházejí z S-N křivek, CLD diagramů -Hashin Rotem [14] : Obr. 26 Různé formulace CLD diagramů pro 10 3 10 7 cyklu. Levý obr. - Philippidis- Vassilopoulos [16], pravý obr. Boerstra [17], mat. systém - sklo/epoxid, [17]

5. Metodika a modely predikce životnosti Fenomenologické modely zbytková tuhost - Liu Lessard [18] : - Mao Mahadevan[19] : Obr. 27 Pokles tuhosti zkušebního tělesa laminátu sklo/epoxid [(0/90) 8 ] při cyklickém tahovém zatížení, R=0.1, f=10hz

5. Metodika a modely predikce životnosti Fenomenologické modely zbytková pevnost - Halpina kol. [20] : Obr. 28 Schématické zobrazení poklesu pevnosti [3]

5. Metodika a modely predikce životnosti Modely postupného poškozování modely predikující růst poškození - Bergman Prinz [21] : Modely postupného poškozování modely korelující mezi růstem poškození a zbytkovými mechanickými vlastnostmi - Ogin a kol. [22] :

Reference [1] Růžička, Milan, Miroslav Hanke a Milan Rost.: Dynamická pevnost a životnost. Praha: Nakladatelství ČVUT, 1987, 212 s. [2] Talreja R. Fatigue of composite materials. Lancaster, PA: Technomic Publishing Company, Inc; 1987. p. 20. [3] HARRIS, Bryan. Fatigue in composites: science and technology of the fatigue response of fibre-reinforced plastics. Boca Raton: CRC Press, 2003, xxi, 742 p. ISBN 18-557-3608-X. [4] Pasipolaridis E. A.: Residual strength and life prediction in composite materials after fatigue, PhD Thesis, University of Patras, 2009. [5] Overview of test geometry, material lay-up and test set-up. Optimat Blade project report OB_TG5_R003_TUDT rev. 000, doc. no. 10009, 2002. 8 p. [6] I. De Baere, W. Van Paepegem, and J. Degrieck, On the design of end tabs for quasi-static and fatigue testing of bre-reinforced composites, Polymer Composites, vol. 30, no. 4, pp. 381-390, 2009

[7] Philippidis TP, Vassilopoulos AP. Complex stress state effect on fatigue life of GFRP laminates. Part I, experimental. Int J Fatigue 2002;24(8):813 23. [8] G.D. Sims, D.G. Gladman, A framework for specifying fatigue strength of a glass / fabric reinforced pastic, NPL report DMA(A) 59, 1982 [9] Mayer R.M.: Design of composite structures against fatigue Application to wind turbine blades, Antony Rowe Ltd,Chippenham, Wiltshire, 1996, ISBN 0 85298 957 1 [10] Curtis, P a B Moore. A comparison of the fatigue performance of woven and non-woven CFRP laminates in reversed axial loading. International Journal of Fatigue. 1987, vol. 9, issue 2, s. 67-78. [11] G.D. Sims, D.G. Gladman, Effect of test conditions on the fatigue strength of a glass / fabric laminate: Part B, specimen condition, Plast. and Rubber: Mat. and Appl., 1980 [12] J. DegrieckJ. and W. V. Paepegem, Fatigue damage modeling of fibre- reinforced composite materials: Review," Applied Mechanics Reviews, vol. 54, pp. 279-300, 2001.

[13] Montesano,J., Behdinan,K., Fawaz,Z.,P oon, Ch.: Considerationsf or Progressive Damage in Fiber-ReinforcedC omposite MaterialsS ubjectt o Fatigue. D.J.K.Mewhort et ol. (Eds.): HPCS 2009, LNCS 5976, p. 748-764. [14] J. Xu, S. Lomov, I. Verpoest, S. Daggumati, W. V. Paepegem, and J. Degrieck, Progressive fatigue damage modelling of textile composite on meso-scale with FEMethod", Proceedings of the SAMPE EUROPE 31st International Technical Conference, Paris, France, April 2010. [15] G. Sendeckyj, Life prediction for resin-matrix composite materials, in Fatigue of composite materials (K. Reifsnider, ed.), vol. Composite material series 4, pp. 431-483, Elsevier, 1990.G..) [16] Philippidis TP, Vassilopoulos AP. Life prediction methodology for GFRP laminates under spectrum loading. Compos: Part A 2004;35(6):657 66. [17] Boerstra GK. The multislope model: a new description for the fatigue strength of glass reinforced plastic. Int J Fatigue 2007;29(8):1571 6. [18] B. Liu and L. B. Lessard, Fatique and damage-tolerance analysis of composite aminates: Stiffness loss, damage-modelling, and life prediction," Composites Science and Technology, vol. 51, no. 1, pp. 43-51,1994.

[19] MAO, H a S MAHADEVAN. Fatigue damage modelling of composite materials. Composite Structures. 2002, vol. 58, issue 4, s. 405-410. DOI: 10.1016/S0263-8223(02)00126-5. [20] J. C. Halpin, K. L. Jerina, and T. A. Johnson, Characterization of composites for the purpose of reliability evaluation," in Analysis of the test methods for high modulus bers and composites (ASTM STP 521), pp. 5-64, American Society for Testing and Materials, 1973. [21] J. H. W. Bergmann and R. Prinz, Fatigue life estimation of graphite/epoxy laminates under consideration of delamination growth, International Journal for Numerical Methods in Engineering, vol. 27, no. 2, pp. 323{341, 1989. [22] J. S. Ogin, P. Smith, and P. Beaumont, Matrix cracking and stiffness reduction during the fatigue of a (0/90)s gfrp laminate," Composites Science and Technology, vol. 22, no. 1, pp. 23-31, 1985.

Děkuji za pozornost!