Szálerősített kompozitok tönkremeneteli folyamatainak végeselemes modellezése = Finite Element Modelling of Failure Processes in Fiber Reinforced Composites

摘要

A kutatás a szálerősített polimer mátrixú kompozitokban végbemenő törési és károsodási folyamatokat vizsgálta, különös tekintettel a végeselemes modellek alkalmazására. Az elméleti, a numerikus és a kísérleti módszerek a rétegszétválás, a repedés-terjedés jelenségeit, a repedés megindulását okozó kritikus erőt, a törési szívósság számítását valamint a száláthidalás szerepének tisztázását célozták. A repedésterjedés I-es és kevert I/II módját vizsgáltuk. A repedésterjedés leírására új analitikus modelleket fejlesztettünk ki az elméleti vizsgálatok során. Ezek az Euler- és a Timoshenko-féle rúdelméletre épülnek, továbbá a Winkler-, valamint a Pasternak-féle ágyazási modelleket alkalmazzák. Az analitikus modellek jóságának igazolására különféle alakú próbatestekkel végeztünk kísérleteket. Ezekben mátrix anyagként poliésztert és epoxi gyantát használtunk, míg az erősítő anyag üvegszál és karbonszál volt. A kevert I/II módú repedésterjedés vizsgálatára egy újszerű próbatest típust, az úgynevezett over-leg bending (OLB) próbatestet fejlesztettünk ki. Az egyirányú szálakkal erősített polimer kompozitokban a repedések terjedése közben megjelenő száláthidalások hatásának modellezésére szintén kidolgoztunk egy újfajta módszert. | This research was directed to the investigation of failure and damage processes in fibre reinforced polymer composites with special attentions for using finite element models. The theoretical, numerical and experimental methods were focused on the phenomena of de-lamination, of crack propagation, of critical force to crack opening, of determining the fracture toughness, of the role of fibre bridging in the crack opening process. Fracture mode I and mixed mode I/II were studied during crack opening. The theoretical investigations resulted new analytical models to represent the crack propagation. These models are based on Euler and Timoshenko beam theories and apply Winkler and Pasternak foundation models. To verify the analytical models, various form of specimens were applied in the experimental works. Polyester and epoxy resins were applied as matrix material, while glass fibres and carbon fibres were the reinforcing materials. A novel type of specimens, so called over-leg bending (OLB) specimen was developed to study the mixed-mode I/II crack opening behaviour. A novel method was also developed to study the fibre bridging phenomenon during crack propagation in UD fibre reinforced polymer composites.