 |
Analytical and numerical models for delaminated composite and sandwich structures
|
Help 
Print 
|
Here you can view and search the projects funded by NKFI since 2004
Back »
|
| |
Details of project |
|
|
| Identifier |
128090 |
| Type |
K |
| Principal investigator |
Szekrényes, András |
| Title in Hungarian |
Delaminált rétegelt kompozit és szendvicsszerkezetek analitikus és numerikus mechanikai modelljei |
| Title in English |
Analytical and numerical models for delaminated composite and sandwich structures |
| Keywords in Hungarian |
kompozit, delamináció, végeselem-módszer, differenciál kvadratúra, J-integrál, diszlokáció, időkésés |
| Keywords in English |
composite, delamination, finite element method, differential quadrature, J-integral, dislocation, time delay |
| Discipline |
| Technical Mechanics (Council of Physical Sciences) | 65 % | | Mathematics (Council of Physical Sciences) | 30 % | | Ortelius classification: Applied mathematics | | Material Science and Technology (physics) (Council of Physical Sciences) | 5 % | | Ortelius classification: Engineering |
|
| Panel |
Natural Sciences Committee Chairs |
| Department or equivalent |
Műszaki Mechanikai Tanszék (Budapest University of Technology and Economics) |
| Participants |
Máté, Péter
Pölöskei, Tamás Hunor
|
| Starting date |
2018-09-01 |
| Closing date |
2023-02-28 |
| Funding (in million HUF) |
9.976 |
| FTE (full time equivalent) |
7.17 |
| state |
closed project |
Summary in Hungarian A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
A kutatás minden pontja kapcsolódik az un. egzakt kinematikai feltételrendszerhez, amely rétegelt delaminált szerkezetek esetén az elmozdulásmezőre vonatkozó feltételeket adja meg. A kutatás elsődleges célja egy olyan modell kidolgozása delaminált lemezeknél, amely a dinamikai peremfeltételt a vastagság menti deformáció figyelembevételével teljesíti. Célunk még, hogy az időkésés jelenségét rugalmas rétegelt szerkezetekben modellezzük végeselem-módszer segítségével. Fontos célunk ezen kívül, hogy az ANSYS szoftver esetében pótoljuk azt a hiányosságot, hogy a program nem képes a J-integrál számítására és szétválasztására ortotrop anyagi viselkedés esetén. Ezt egy saját kóddal tervezzük megoldani. Célunk továbbá egy olyan I/II-es módusszétválasztó modell kifejlesztése, amelyben nincsenek megmagyarázhatatlan feltételezések, kizárólag egzakt lépések. A módszer eredményeit a többi létezővel tervezzük összehasonlítani. Fontos célnak tartjuk az un. differenciál kvadratúra módszer bevezetését a delaminált szerkezetek analízisébe, mert lemez feladatok esetén gyorsabb és hatékonyabb, mint a végeselem-módszer. További célunk az un. diszlokáció-elmélet és a lemezelmélet kombinálása annak érdekében, hogy delaminált kompozitokra egy III-as módus esetén alkalmazható kiértékelő modellt alkossunk. Végezetül, egy síklemez típusú végeselemet tervezünk kifejleszteni, amivel tetszőleges alakú delaminációk modellezhetők rétegelt szerkezetekben. A modellek és a számítások eredményeit rangos folyóiratokban tervezzük publikálni, illetve az eddigi és a projekt során adódó eredményeket egy rangos kiadónál megjelentetendő könyvben tervezzük összefoglalni.
Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
Elgondulásunk szerint delaminált lemezek és héjak esetén a vastagság menti deformáció figyelembevételével lehetséges egy dinamikailag és kinematiailag is konzisztens és pontos modell kifejlesztése. Továbbá, feltételezzük, hogy az időkésés fontos szerepet játszik a rugalmas rétegelt szerkezetek dinamikus stabilitása szempontjából. A jelenség leírható a merev testekre kifejlesztett módszerekkel valamint végeselem-módszerrel. Feltételezésünk szerint lehetséges egy olyan analitikus módszer kifejlesztése, amely kizárólag egzakt mechanikai megfontolásokon alapszik a I/II-es rétegközi törésre vonatkozó módusok szétválasztásakor. A J-integrált a magasabbrendű elméletekkel kombinálva lehetséges lenne egy teljes mértékben egzakt szétválasztó modell kifejlesztése. A J-integrál ANSYS szoftver eredményei alapján egy saját kóddal (MACRO) kiszámolható abban az esetben is, amikor 3D-s SOLID modellekből felépített rétegelt delaminált szerkezet anyagi viselkedése ortotrop. Az így kifejleszthető módszer valószínűleg pontosabb eredményt ad, mint a virtuális repedészáródás módszere (VCCT). Az un. differenciál kvadratúra módszer feltételezésünk szerint téglalap alakú delaminált lemezeknél gyorsabb és hatékonyabb megoldás a végeselem-módszerhez képest, illetve az analitikus megoldáshoz képest is. Feltételezzük, hogy kifejlesztett delaminált lemezmodelleket kombinálni lehet a diszlokáció elmélettel és így egy lokális hatást is figyelembe vevő kiértékelő módszert lehet kifejleszteni III-as módusra. Elgondolásunk szerint az egzakt kinematikai feltételrendszeren alapuló síklemez típusú végeselemmel jelentősen csökkenthető a számítási idő delaminált szerkezetek esetén a 3D-s modellekhez képest.
Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
Legjobb tudomásunk szerint a projekt minden egyes célja megoldatlan és nemzetközi szinten is folynak hasonló kutatások. A jelenlegi kutatás során levezetésre kerülnének a vastagság menti deformációt is figyelembe vevő rétegelt lemez és héjmodellek egyensúlyi egyenletei a delaminált lemezekre és héjakra a virtuális munka elve alapján, mind kompozit, mind pedig szendvics-szerkezetekre nézve. Megismernénk a vastagság menti deformációból adódó új, fizikailag nem értelmezhető lemez és héjelméleti igénybevételeket. Ezáltal lehetővé válna a delaminált szerkezetek pontosabb törésmechanikai analízise. Az időkésés jelenségének átültetése a rétegelt rugalmas szerkezetekre egy új területet nyitna meg, amelyhez gyakorlati alkalmazásokat is lehet keresni (pl. repülőgépszárnyak, űrhajók). Az ANSYS szoftverhez megírni tervezett J-integrált számító MACRO lehetővé tenné, hogy a virtuális repedészáródás technikáját helyettesítsük a delaminált rétegelt szerkezetben történő törésmechanikai számítások során. Továbbá ilyen módon kiderülne, hogy az analitikus modellekben meghatározott J-integrál milyen összefüggésben áll a numerikusan számolt J-integrállal, illetve van-e és milyen jellegű az eredmények integrálási úttól való függése. Az I/II-es törési módusú általános rétegelt rúdfeladat megoldása választ adna arra a kérdésre, hogy lehetséges-e egy olyan módszer kifejlesztése erre a problémára amiben nincsenek nem kellően alátámasztott feltételezések és trükkök. A differenciál kvadratúra módszer alkalmazása új lehetőségeket nyitna meg a delaminált kompozit és szendvics lemezek mechanikai modellezésében. Egyrészt bármilyen peremfeltétel mellett megoldhatók lennének a legegyszerűbb, teljes szélességen áthaladó egyenes delaminációt tartalmazó lemezfeladatok. Másrészt a módszer az oktatásban is bevezethető lenne. A diszlokáció elmélet és a delaminált lemezekre kifejlesztett elméletek kombinálása során matematikailag is kihívást jelentő feladatok merülnének fel, amelyek megoldása a törésmechanikai gyakorlatban is alkalmazható módszert eredményezne. A síklemez típusú végeselem segítségével hatékonyabban lennének modellezhetők a tetszőleges alakú és méretű delaminációt tartalmazó rétegelt szerkezetek a 3D-s végeselem modellekhez képest.
A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
A kutatás legfontosabb célja egy olyan anyaghibákat tartalmazó, rétegelt lemezekre és héjakra érvényes modell létrehozása, amely minden mechanikai feltételnek megfelel. Rétegelt rugalmas szerkezeteknél előfordulhatnak olyan, időben gyorsan ismétlődő terhelések, amelyek megváltoztatják a szerkezet merevségét. Ha a terhelések a szerkezet egy adott paraméteréhez vannak rendelve, de azokhoz képest időben késve jelennek meg a mechanikai egyenletekben, akkor időkésés jelenik meg. A kutatás célja az időkésés modellezése rétegelt rugalmas szerkezeteknél. További célunk egy olyan program megírása, amely a meglévő szoftverek anyaghibák modellezésére és mérőszámmal való jellemzésére vonatkozó hiányosságait pótolják. Ezen kívül, a már meglévő modellektől pontosabban modellezni tervezzük egy repedést tartalmazó rugalmas rétegelt rúdban azt az állapotot, amikor a rúd felső és alsó karjait eltérő nagyságú terhelésekkel feszítjük szét. A kutatás során szeretnénk a végeselem-módszeren kívül egy másik numerikus módszert (az un. differenciál kvadratúrát) alkalmazni az anyaghibát tartalmazó rétegelt szerkezetek modellezéséhez. Továbbá azt tervezzük, hogy az említett szerkezeteknél egy lokális és globális modell kombinálásával kifejlesszünk egy a repedések keresztirányú terheléskor megjelenő hatásokat is figyelembe vevő modell. Végül, egy olyan numerikus végeselem típust tervezünk kifejleszteni, amellyel tetszőleges alakú és méretű repedéseket lehet modellezni rétegelt szerkezetekben. A modellek és a számítások eredményeit rangos folyóiratokban tervezzük publikálni, illetve az eddigi és a projekt során adódó eredményeket egy rangos kiadónál megjelentetendő könyvben tervezzük összefoglalni.
| Summary Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
Each point of the research is associated to the so-called system of exact kinematic conditions, which defines the conditions against the displacement field of delaminated layered structures. The primary aim of the research is the development of a model for delaminated plates that satisfies the dynamic boundary conditions by considering the through-thickness deformation. Our further aim is to model the time delay phenomenon in elastic layered structures by the finite element method. It is also an important aim to complement the deficiency of the ANSYS code, which is not able to compute and separate the J-integral under orthotropic material behavior. We plan to solve this issue by an own code. Our next aim is to develop a mode separation model under mixed-mode I/II fracture, that does not involve any unexplicable assumptions, and does imply exact steps only. We plan to compare the results of this model those by existing methods. We consider the introduction of differential quadrature method to the analysis of delaminated structures as an important aim, because for simple plate problems it is faster and more effective than the finite element method. Further, we intend to combine the dislocation theory with plate models in order to develop a data reduction model for delaminated composites under mode-III fracture. Finally, we plan to develop a flat plate finite element, which is able to model delaminations with optional shape in layered structures. We intend to publish the results of models and computations in highly-ranked journals, moreover we plan to publish the previous and the current project results in a book brought out by a publisher of high standard.
What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
In accordance with our concept it is possible to develop a dynamically and kinematically consistent and accurate model for delaminated plates and shells by considering the through-thickness deformation. Moreover, we assume that the time delay plays important role in the dynamic stability of laminated elastic structures. The phenomenon can be captured by the methods developed for rigid bodies and by finite element discretization. According to our assumption it is possible to develop an analytical method exclusively based on exact mechanical considerations for the mode separation under mixe-mode I/II interlaminar fracture. By combing the J-integral with the higher-order theories it would be possible to develop an exact mode partitioning model. By using the results of ANSYS the J-integral can be computed by a user-written code (MACRO) even in that case when the material behavior of a 3D delaminated structure built-up by SOLID type elements is orthotropic. The model to be developed is likely to be more accurate than the virtual crack-closure technique (VCCT). Our assumption is that the differential quadrature method is faster and more accurate than the finite element method for delaminated rectangular plates. We assume that the plate models developed for delaminated structures can be combined with the dislocation theory in order to provide a data reduction scheme taking the local effects into account fro mode-III fracture. We think, that by creating a flat plate finite element based on the system of exact kinematic conditions it is possible to reduce significantly the computation time of delaminated structures compared to 3D models.
What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
To the best of our knowledge each point of the project is unsolved and there are similar reseraches internationally in progress. In the course of the current research the equilibrium equations of the plate and shell theories considering the through-thickness deformation would be derived based on the principle of virtual work for delaminated plates and shells including composite and sandwich structures, respectively. The novel – and physically not interpretable - plate and shell stress resultants related to the through-thickness deformation would be elaborated. As a results it would be possible to model more accurately the delaminated strictures from the fracture mechanical point of view. The implication of time delay phenomenon into elastic structures would open a novel field involving the search for practical applications (e.g.: airplanes and spacecrafts). The ANSYS MACRO would make it possible to replace the virtual crack-closure technique in the fracture mechanical analysis of delaminated layered structures. Moreover, it would be elaborated how the numerically computed J-integral is related to the analytically calculated one and how much is its dependence on the integration path. The solution of the general mixed-mode I/II layered beam problem would give an asnwer to the question if it is possible to develop a method that does not incorporate inconsistent assumptions and tricks. The application of differential quadrature method would initiate some novel possibilities in the mechanical modelling of delaminated composite and sandwich plates. On the one hand, the simplest problems involving through-width delamination with staright front can be solved under any boundary conditions . On the other hand, the method could be introduced to the eductaion as well. During the combination of the dislocation and plate models extanded for delaminations may result in mathematically challenging problem, for which the solutions could provide a method applicable in the practical fracture mechnics as well. With the aid of the flat plate finite element it would be possible to model more effectively the layered structures containing delaminations with optional shape and size compared to the 3D finite element models.
Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
The most important aim of the research is to create a model for layered plates and shells containing material defects, that satisfies all of the required mechanical conditions. In layered elastic structures it is possible that the repeating fast loads take place and these change the stiffness of the structure. If the loads are associated to a certain parameter of the structure, but the loads appear with a certain delay, then time delay takes place. The aim of the research is to model the time delay in layered elastic structures. Our further aim is to create a program that complements the deficiencies of the existing software (ANSYS) for the modeling and characterization of material defects with a characteristic number. Moreover, we plan to model the state of splitting a cracked beam by loading its arms by opposite forces more accurately compared to existing methods. During the research we plan to introduce another numerical method (differential quadrature) apart from the finite element analysis for the modeling of layered structures with material defects. Furthermore in the former structures we plan to develop a method for the consideration of tearing mode loading of cracks by combining a local and a global model. Finally, we aim to develop a numerical finite element type that is suitable to capture cracks with optional shape and size in layered structures. We intend to publish the results of models and computations in highly-ranked journals, moreover we plan to publish the previous and the current project results in a book brought out by a publisher of high standard.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
