Technical Mechanics (Council of Physical Sciences)
80 %
Material Science and Technology (engineering and metallurgy) (Council of Physical Sciences)
20 %
Panel
Engineering, Metallurgy, Architecture and Transport Sciences
Department or equivalent
Műszaki Mechanikai Tanszék (Budapest University of Technology and Economics)
Participants
Uj, József Vörös, Gábor
Starting date
2007-07-01
Closing date
2011-10-31
Funding (in million HUF)
6.100
FTE (full time equivalent)
3.32
state
closed project
Summary in Hungarian
Az utóbbi években a kompozit anyagok ipari alkalmazása (autóipar, hídgyártás, nyomástartó edények, stb.) egyre inkább felgyorsult. Mindez elsősorban kiváló mechanikai tulajdonságaiknak (nagy szilárdság, magas rugalmassági modulusz, kis súly, stb.) köszönhető. A kompozit anyag egyik hátránya azonban a kis rétegközi szilárdság. Különös figyelmet kell fordítani ezért a repedéssel és bevágásokkal ellátott alkatrészek tervezésére, méretezésére. Üzem közben a kisebb repedések terjedése, egyesülése hatással van a szerkezet szilárdsági (pl.: merevség), törésmechanikai (pl. rétegközi szilárdság) és dinamikai (pl.: sajátfrekvencia) tulajdonságaira. Dinamikus igénybevétel mellett egy adott szerkezet rezgési tulajdonságai egészen megváltozhatnak akkor, ha abban repedés keletkezik. Üzem közben a repedések jelenléte a hagyományos hibakereső vizsgálatokkal kimutathatók, ilyen módon lehet következtetni a szerkezet állapotára (pl. a repedés hosszára). Fontos azonban megismerni azt is, hogy a repedések jelenléte, hogyan és milyen mértékben befolyásolja a szerkezet szilárdsági, törésmechanikai és dinamikai tulajdonságait. A Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Műszaki Mechanikai Tanszékén egy OTKA pályázat során már folytak kutatások kompozit anyagok tönkremenetelével kapcsolatban. A jelen pályázat ennek folytatását célozza meg.
Summary
In the last years the industrial application of composite materials (cars, bridges, pressure vessels, etc.) more and more increased. This is due to their excellent mechanical properties (high strength, high modulus of elasticity, low weight, etc). One of the disadvantegs of the composite material is the weak interlaminra strength. Thus the design of cracked and notched composite structures requires special attention. During the application the growth and coalescence of the small cracks have a great effect on the strength, fracture mechanical and dinamical properties of the composites. Under dinamical loading the vibration of a given structure can show a quite different behavior if a crack takes place in the material. During the laoding the presence of the cracks can be detected by using traditional methods, and so the condition of the structure may be estimated (e.g.: the crack length). It is very important to know how the presence of the cracks affect the strength, fracture mechanical and dinamical properties of the structure. In the Department of Applied Mechanics (Budapest University of Technology and Economics composite damage mechanical researches have been performed within the frame of an OTKA ptoject. Aim of the present application is to continue this work.
Final report
Results in Hungarian
A kutatás során a repedések, bemetszések kompozit anyagok mechanikai tulajdonságaira gyakorolt hatását vizsgáltuk. Törésmechanikai szempontból kifejlesztésre került egy olyan teszt, amely lehetővé teszi a vegyes I/III-as, II/III-as és I/II/III-as módusú rétegközi törés vizsgálatát. A kísérleti eredmények feldolgozásához analitikus modellek készültek, amelyek pontosságát végeselem modellek segítségével ellenőriztük. Megvizsgáltuk a III-as módusú repedésfeszítő erő függését a geometriai paraméterektől. A repedési folyamat stabilitásának vizsgálatára kidolgozásra került egy kísérleti alapú kritérium, amelyet számos próbatest típuson alkalmaztunk, illetve hasznosságát bemutattuk. Megépült a vegyes módusú hajlító próbatest befogója (mixed-mode bending), amelyet eredményesen alkalmaztunk kompozit próbatestekre. Elvégzésre került a repedéssel ellátott kompozit rudak rezgésmérése, amely során mérés alapján meghatároztuk a sajátfrekvenciákat és lengésképeket. Analitikus modellekkel kimutattuk, hogy zárt repedés esetén a rúd delaminált szakaszán periodikus erővel nyomott/húzott rudak rezgéseiről van szó. A Kirchhoff-féle lemezelmélet felhasználásával meghatároztuk a delaminált lemezekben ébredő rétegközi nyírófeszültségeket leíró differenciálegyenlet-rendszert és megoldottuk azt egy egyszerűen alátámasztott, rugalmas lemezre. Megmutattuk, hogy lemezek esetében a rezgés során szintén periodikus erővel húzott/nyomott lemezekről van szó.
Results in English
In this research project the effect of cracks and delaminations on the mechanical properties of composite materials have been investigated. A novel fracture mechanical system has been developed which makes it possible to measure the mixed-mode I/III, II/III and I/II/III interlaminar fracture toughness of composites. To reduce the experimental data analytical models have been developed, their accuracy has been verified by finite element models. The influence of geometrical parameters on the mode-III energy release rate has been analyzed. A novel experiment-based criterion has been developed for the crack propagation in composite specimens, the criterion has been applied to several configurations, its applicability has been demonstrated. The rig of the mixed-mode bending specimen has been constructed, which has been successfully applied to composite coupons. We have performed the vibration analysis of delaminated composite beams, i.e. we have determined the eigenfrequencies and mode shapes of the beams. It has been shown by using analytical models that in the case of closed delamination in the cracked part, the beams are loaded by periodic tensile and compressive forces. Using the Kirchhoff plate theory the governing differential equations of the interlaminat shear stresses have been derived and solved for a simply-supported elastic plate. It has been highlighted that the vibration of delaminated plates the cracked part involves periodic tensile and compressive forces.
Szekrényes András: Előfeszített kompozit rudak alkalmazása törésmechanikában., Magyar Mechanikai Konferencia, 2007, augusztus 27-29, Miskolc, 2007
Szekrényes András: Application of prestressed composite beams in fracture mechanics, Periodica Polytechnica, Mechanical Engineering, 51/2 (2007), pp. 89-97., 2007
Szekrényes András: Application of the modified split-cantilever beam for mode-III toughness measurement, 4rth International Conference on FRP Composites in Civil Engineering, 22-24 July, 2008, Zurich, Switzerland, 2008
Szekrényes András: Kísérleti alapú kritérium repedésterjedés stabilitásvizsgálatához kompozit anyagokban, Gépészet 2008 konferencia, BME, (2008), május 29-30, Budapest., 2008
Szekrényes András: Fracture analysis in the modified split-cantilever beam using the classical theories of strength of materials, 15th International Conference on the Strength of Materials, 16-21 August, 2009, Dresden, Germany, 2009
Szekrényes András: Comparsion of the mixed-mode bending and the prestressed end-notched flexure systems, Mechanical Engineering 2010 Conference, Budapest 25-26 May, 2010, 2010
Szekrényes András: The influence of crack length and delamination width on the mode-III energy release rate of laminated composites, Journal of Composite Materials 45(3) (2011), pp. 279-294, 2010
Szekrényes András: Analytical and numerical cohesive zone models in the fracture simulation of fiber reinforced materials, 14th European Conference on Composite Materials (ECCM14), Budapest, Hungary, 7-10 June, 2010, 2010
Szekrényes András: Kompozitok rétegközi törésének néhány speciális esete, MTA Szál- és Kompozittechnológiai Bizottság ülése. 2011. február 1. BME, Polimertechnika Tanszék, Budapest, 2011
Szekrényes András: Interlaminar fracture analysis in the GI-GII-GIII space using prestressed composite beams, Journal of Reinforced Plastics and Composites 30(19), közlésre elfogadva, 2011
Szekrényes András: Delaminált rúd sajátrezgései kétparaméteres interfészmodell alkalmazásával, XI. Magyar Mechanikai Konferencia, 2011, augusztus 29-31, Miskolc-Egyetemváros, Miskolc, 2011
