Inżynieria mechaniczna

Dyscyplina naukowa: Inżynieria mechaniczna

Temat: Badania eksperymentalno-numeryczne stateczności i nośności ściskanych profili kompozytowych

Topic: Experimental-numerical investigations of the stability and load carrying capacity of compressed composite profiles

Promotor: Prof. dr hab. inż. Hubert Dębski

Email: h.debski@pollub.pl

Opis

Celem naukowym rozprawy doktorskiej będzie analiza nieliniowej stateczności oraz nośności cienkościennych profili kompozytowych o złożonych kształtach przekroju poprzecznego poddanych obciążeniu ściskającemu, prowadzącemu do lokalnej utraty stateczności oraz opis zachowania tych konstrukcji w stanie pokrytycznym i fazie zniszczenia. Badania prowadzone będą z wykorzystaniem interdyscyplinarnych metod badawczych, łączących zagadnienia związane z badaniami eksperymentalnymi oraz obliczeniami numerycznymi. Badania eksperymentalne będą realizowane na rzeczywistych strukturach kompozytowych wytworzonych techniką autoklawową w symetrycznych układach warstw laminatu względem środkowej płaszczyzny układu. Badania będą prowadzone z wykorzystaniem uniwersalnej maszyny wytrzymałościowej w pełnym zakresie obciążenia konstrukcji, aż do jej całkowitego zniszczenia. W trakcie badań będą rejestrowane parametry próby (przebieg siły ściskającej, skrócenie słupa, ugięcia z wykorzystaniem metody optycznego pomiaru przemieszczeń – system ARAMIS) umożliwiające wyznaczenie pokrytycznych ścieżek równowagi konstrukcji rzeczywistej. Do monitorowania bieżącego stanu struktury materiału kompozytowego w trakcie procesu obciążania wykorzystana zostanie metoda emisji akustycznej. Równolegle będą prowadzone badania numeryczne z wykorzystaniem metody elementów skończonych, umożliwiające opracowanie adekwatnych modeli dyskretnych konstrukcji. Analizy numeryczne umożliwią rozwiązanie zagadnienia nieliniowej stateczności ściskanych słupów kompozytowych z uwzględnieniem opisu mechanizmów zniszczenia materiału kompozytowego. Planowane jest zastosowanie złożonych modeli zniszczenia materiału kompozytowego do opisu procesu inicjacji i ewolucji uszkodzenia struktury laminatu (progresywna analiza zniszczenia czy model strefy kohezyjnej – CZM). Badany będzie również wpływ kształtu przekroju poprzecznego słupa oraz układu warstw kompozytu na utratę stateczności, pokrytyczną ścieżkę równowagi oraz utratę nośności konstrukcji. Wyniki badań numerycznych będą weryfikowane badaniami doświadczalnymi, co umożliwi bieżącą walidację opracowanych modeli numerycznych.

Słowa kluczowe: stateczność, nośność, konstrukcje cienkościenne, kompozyty

Description:

The scientific objective of the dissertation will be non-linear analysis of stability and load carrying capacity of thin-walled composite profiles with complex cross-sectional shapes subjected to compressive load causing local buckling and to describe the post-buckling and failure behaviour of these structures. The study will involve the use of interdisciplinary research methods, combining experimental tests and finite element method (FEM) numerical calculations. Experimental investigations will be performed on actual composite structures manufactured using autoclave technique in symmetrical arrangements of laminate layers with respect to the central plane of the composite layup. Experimental tests will be carried out using a universal testing machine (UTM) over the full load range of the structure, up to its total failure. The experimental test parameters (compressive force, column shortening, deflections using the optical displacement measurement method - ARAMIS system) will be recorded during the testing in order to determine the equilibrium paths of the actual structure. An acoustic emission method (AEM) will be used to monitoring the current status of the composite material structure during the loading process. Simultaneously, numerical studies using the FEM will be performed to develop adequate discrete models of the structures. The numerical simulations will enable the solution of the problem of non-linear stability of compressed composite columns, taking into account the description of the failure mechanisms of the composite material. It is planned to use complex composite failure models to describe the process of initiation and evolution of damage to the laminate structure (progressive failure analysis or cohesive zone model - CZM). The influence of the cross-sectional shape of the column and the arrangement of the composite layers on the loss of stability, the postcritical equilibrium path and the loss of load carrying capacity will also be investigated. The results of the numerical studies will be verified by experimental tests, which will allow ongoing validation of the developed numerical models.

Keywords: stability, load-carrying capacity, thin-walled structures, composites