Cracks path growth in turbine blades with TBC under thermo – mechanical cyclic loadings

Blades of combustion turbines are extremely loaded turbojet elements, which transmit operative energy onto a rotor. Experiences of many years indicate, that cracks initiation and propagation in the blades during the operation time can cause destruction not only of the engine, but sometimes an airplane. In high temperature one of the most often occuring interactions in the turbine engine are time variable force fields, caused by non-stationary flowing of an exhaust gas and aerodynamical interaction of the engine elements. The extremal thermo-mechanical loadings initiate gradual degradation process of the blades as a result of fatigue and material creep. More often Thermal Barrier Coatings (TBCs) are applied on the turbine blade surface to provide protection not only against the high temperature but also against aggressive environment. The paper presents the advantages of applying of the TBC layers for increase of the cracks resistance to gradual degradation of the turbine blades. The level of save values of thermo-mechanical loading was estimated. Analysis of critical values of loading leading to crack initiation, further growth and the final blade fragmentation was performed. The most efforted places of the turbine blades were selected and crack paths due to thermo-mechanical cyclic loading were determined

The use of T-FLEX program for solving problems of strength of materials, based on the example of the bending beam

Program T-FLEX służy zarówno do modelowania elementów jak i konstrukcji, a dzięki funkcjonalnym właściwościom wykorzystywany jest w projektowaniu produktów w wielu branżach przemysłu, np.: samochodowej, elektrycznej, mechanicznej, meblowej, budowlanej. Celem pracy było zaprezentowanie możliwości wykorzystania programu T-FLEX w celach dydaktycznych podczas prowadzenia ćwiczeń z przedmiotu Wytrzymałość Materiałów rozwiązując klasyczny przykład belki zginanej metodą analityczną i przy użyciu symulacji komputerowych. Porównanie wartości naprężeń z obu obliczeń, które były prawie w 100% zbieżne ze sobą wykazało, że T-FLEX jest użytecznym narzędziem przy wizualizacji pracy elementów konstrukcyjnych.T-FLEX program is used for modelling elements and constructions. Thanks to its functional characteristics, the program is used for designing products in numerous branches of industry including, e.g.: automotive, electrical, mechanical, furniture and construction industries. The aim of the study was to present the possibilities of using T-FLEX program for didactic purposes during exercises in Strength of Materials by analyzing a classic example of the bending beam using the analytical method and the computer simulations. The comparison of the stress values from both calculations, which are almost in 100% convergent, demonstrates that T-FLEX program is a useful tool for visualizing the behaviour of constructional elements

Use of the T-FLEX program to solve material strength problems

Celem pracy było zaprezentowanie możliwości wykorzystania programu T-FLE X w celach dydaktycznych podczas prowadzenia ćwiczeń z przedmiotu Wytrzymałość Materiałów, rozwiązując zarówno proste jak i złożone przykłady obliczeniowe, m.in.: elementów mimośrodowo rozciąganych bądź skręcanych, metodami analitycznymi i przy użyciu symulacji komputerowych. Porównanie wartości naprężeń z obu obliczeń, które były prawie w 100% zbieżne ze sobą wykazało, że T-FLE X jest użytecznym narzędziem przy wizualizacji pracy konstrukcyjnych elementów budowlanych.This work aims to present the possible applications of the T-FLE X program in teaching about strength of materials, by solving both simple and complex computational examples, including elements subject to eccentric tension or torsion, by analytical methods and using computer simulations. Comparison of the stress values obtained by the two calculations, which were in almost 100% agreement, shows that T-FLE X is a useful tool in the visualization of the functioning of structural elements in buildings

Application of Thermo-Bimaterial Effect in Designing of Snap-Fit Joints

Snap-fit connections have been used for many years in various fields of technology and everyday objects. They often have complex shapes, which is allowed by the processing technology of the polymers from which they are made, but they are not designed to carry loads. Changing the material to a metal or fiber composite allows these types of joints to be used as replacements for rivets or screws, but there are problems with the closing technique – an increase in closing force due to the large Young’s modulus ofthese materials relative to polymers without reinforcement. One of the methods to solve this problem may be the use of a thermo-bimetallic effect consisting in heating both or one of the connection parts to the appropriate temperature. This kind of treatment results in deflection of the beam of the clip (Fig. 1), followed by assembly with zero force or less in relation to the case without heating.The paper presents the results of numerical simulations for the connection in which the beam of the clip consisted of two materials: (1) a fiber composite designed to carry loads, (2) thin metal layer tied with the composite and designed to create a thermo-bimetallic effect. In the case of this solution, the main parameter is the difference in coefficients of linear thermal expansion of both materials. The paper presents results for two cases of connection work: closing and opening. The calculations were carried out in the Abaqus/Standard solver using thermal-displacement steps

Badania numeryczne docisku w łącznikach oraz ich rozmieszczenia na wytrzymałość połączeń zakładkowych, dwunakładkowych i hybrydowych poddanych jednoosiowemu rozciąganiu

Prestressed joints are widely used in construction using connectors in the form of screws, whose task is to strong clamping of joined parts, thereby the internal forces in joint are transferred by surface friction contact of the elements. In the automotive and aerospace industries hybrid joints are more widely applied. Mechanical connectors are added to the adhesive joint in form of rivets, screws or clinch increasing its strength properties. The aim of this study was to determine how the prestressed connectors influence the mechanical response of hybrid, single and double lap joints. The influence of different distribution of the connectors was also investigated. Numerical study was conducted in ABAQUS program. Mechanical connectors were modeled by using fasteners, that allowed for a considerable simplification of the numerical model. In their application, there is no need for an additional submodels for connectors in the form of the rivet or the bolt. Prestressing is activated by direct application of the force to the connector. In the numerical examples the authors assumed that the diameter of the mechanical connectors was equal to 6mm and shear strength was equal 1kN. Adhesive layers were modeled by using cohesive elements for which maximum shear stresses and fracture energy were specified. The layer thickness was assumed to be equal 0.1mm and it was initially removed from the areas where mechanical connectors were placed. Two types of joints were analysed in the study: the single lap joint with lap dimensions 40x40mm as well as the double lap joint with lap dimensions 40x20mm, from which it results that theoretical strength of both connections should be the same. The prestressing of connectors was introduced by the force 1.5kN. For all pure - mechanical joints and for single lap joints positive effects were obtained. For double lap joints additional prestressing did not significantly affect for their strength. The influence of distribution of mechanical connectors was additionally analyzed by consideration of three configurations, where the rows of rivets were located at distances of 5, 10 and 15mm from the lap edge. The maximum increase of the load capacity by 24% was achieved for single lap joint as well as 35.7% for double lap joint. The obtained numerical results indicate the positive effects of additional pressure and allows for practical suggestions how to correct and optimize spacing distance of mechanical connectors in hybrid joints to get better mechanical response.Połączenia sprężone są szeroko stosowane w budownictwie przy wykorzystaniu łączników w postaci śrub, których zadaniem jest silne docisnięcie do siebie łączonych elementów, wskutek czego siły w złączu są przenoszone dzięki tarciu stykających się powierzchni tych elementów. W przemyśle samochodowym i lotniczym coraz powszechniej stosuje się połączenia hybrydowe. Do złącza klejowego wprowadzane są łączniki w postaci nitów, śrub lub przetłoczeń podnosząc jego cechy wytrzymałościowe. Celem przeprowadzonych badań było określenie jak wpływa sprężenie łączników w połączeniach hybrydowych w złączach zakładkowych oraz dwunakładkowych także przy różnym rozmieszczeniu łączników. Badania numeryczne były przeprowadzone w programie Abaqus. Połączenia mechaniczne były modelowane przy użyciu tzw. fastenerów, które pozwalają na znaczne uproszczenie budowy modelu. Przy ich zastosowaniu nie ma potrzeby wykonywania dodatkowego modelu w postaci łącznika - nitu lub śruby. Sprężenie jest natomiast wywoływane poprzez bezpośrednie podanie wartości siły wystepującej w łączniku. Dla łączników mechanicznych została podana siła powodująca ściecie o wartości 1kN a ich średnica wynosiła 6mm. Warstewka kleju była modelowana przy użyciu elementów kohezyjnych dla których zostały określone maksymalne naprężenia styczne oraz energia zniszczenia. Grubość warstewki wynosiła 0,1mm i wstępnie została ona usunięta z obszarów w których występowały łączniki mechaniczne. Badaniom poddano dwa typy połączeń: zakładkowe o wymiarach zakładki 40x40mm oraz dwunakładowe o wymiarach zakładek 40x20mm z czego wynika fakt, że teoretycznie wytrzymałość na ścinanie obu połączeń powinna być jednakowa. Analizowano połączenia sprężone siłą 1,5kN uzyskując pozytywne efekty dla wszystkich połączeń czysto - mechanicznych oraz dla połączeń zakładkowych. Dla połączeń dwunakładkowych sprężanie nie wpływa znacząco na ich wytrzymałość. Dodatkowo w pracy analizowano wpływ rozmieszczenia łączników mechanicznych rozważając trzy konfiguracje, gdzie rzędy nitów znajdowały się w odległościach 5, 10 i 15mm od granicy zakładki. Uzyskano tym samym maksymalny wzrost nośności o 24% dla połączeń zakładkowych oraz o 35,7% dla dwunakładkowych. Wykonane prace świadczą o pozytywnych skutkach sprężania połączeń a także dają wskazówki do prawidłowego - bardziej optymalnego wytrzymałościowo rozmieszczania łączników mechanicznych w połączeniach hybrydowych

Description of Non-Stationary Heat Transfer in Two-Phase Polycrystalline Metal-Ceramic Composites

The aim of the paper is to describe heat transfer in the polycrystalline ceramic composite reinforced by metallic interfaces, i.e. metal matrix composites containing ceramic grains. Example of this kind of metal matrix composites is a two-phase material composed of brittle grains of WC joined by the plastic binder Co. Micromechanical modelling of the metal matrix composites response due to heat transfer was analysed numerically with the application of the finite element analysis. This process is very complicated due to the fact that the metal matrix composites material includes: elastic grains and inter-granular metallic layers that create its really complex internal structure. The heat transfer through 2 different phases is highly nonhomogeneous and leads to visible heat flux concentrations in the metallic phase

Modelling and Experimental Testing of Hybrid Joints Made of: Aluminium Adherends, Adhesive Layers and Rivets for Aerospace Applications

The contemporary demands in different branches of engineering require application of new multi-component materials and structural systems. Appropriately chosen joining technology can offer significant enhancement of structural system performance in terms of effectiveness, reliability, safety and other design criteria. The modern applications of complex joints are of great technological interest as they permit to combine and to enhance the individual effects of each kind of joint. This is of great importance for modern applications in different branches of engineering: aerospace, mechanical and civil. Therefore in this paper we will focus on the analysis of mechanical response of adhesive joint of aluminium strips reinforced by rivets. The aim of the paper is to investigate experimentally the mechanical behaviour of adhesive joint of aluminium strips reinforced by rivets for industrial applications in aerospace. The considered joint was subjected to uniaxial loading. The tests in this paper were performed for: • classical adhesive joint in order to investigate material parameters for numerical modelling of the hybrid joint • hybrid joining of the structural elements in order to investigate the reinforcement effect. The experiments with application of digital image ARAMIS system allowed for on-line monitoring of the deformation process of the considered joining elements. The particular distributions of displacement fields at the joint surface were estimated for any stage of loading process. Numerical modelling was performed for experimentally investigated specimens. The materials parameters, necessary for calculation, were estimated from experiments. FEA modelling was done with the help of ABAQUS code

Wpływ parametrów geometrycznych w połączeniach typu gniazdo - trzpień na wartość siły otwierającej

The paper presents an analysis of the influence of a number of technological aspects of both the socket and the pin on the value of the force required for joint disconnection. A number of numerical simulations were made in Abaqus program to examine effects of such parameters as: presence of an interference fit, use of spherical latches, application of different rigidity of the pin by making cuts with variable width and length, use of different angles of inclination of the working part of the connection. Models of different simple joints presented in this work, can also operate in large structures forming panels of aircraft structures. For this purpose one of the analyzed geometry of the connection was applied to create a 3-D panel model of the structural element in CAD - SolidWorks program. All analysed models with different geometries were subjected to simulation of opening process. The corresponding critical forces were estimated for the beginning of the failure process. The detailed discussion of all model parameters was included to specify their influence on the whole disconnection of joints. It should be noted that aerospace structures work under complex loading states and further numerical studies are required to extend the presented results.W pracy przedstawiono analizę wpływu kilku zagadnień technologii wykonania zarówno gniazda jak i trzpienia na wartość siły potrzebnej do rozłączenia połączenia. Przeprowadzono szereg symulacji numerycznych w programie Abaqus, badając wpływ takich parametrów jak: występowanie wcisku, użycie sferycznych zatrzasków, zastosowanie różnych sztywności w trzpieniu poprzez wykonanie rozcięć o zmiennej szerokości i długości, zastosowanie różnych kątów pochylenia części roboczej gniazda. Prezentowane w pracy modele pojedynczych połączeń mogą także funkcjonować w większych strukturach tworzących panele konstrukcji lotniczych. W tym celu, dla jednego z analizowanych rozwiązań geometrii wykonano model CAD panelu w programie SolidWorks, który następnie poddano symulacji otwierania. Należy jednak zwrócić uwagę, że konstrukcje lotnicze pracują w złożonych stanach naprężeń i tym samym konieczne są dalsze badania numeryczne prezentowanych rozwiązań

Application of Conjugate Simulation for Determination of Temperature and Stress Distributions During Curing Process of Pre-Impregnated Composite Fibers

The composites made of continuous fibers in the form of unidirectional and fabric prepregs are widely used in many fields of engineering for the production of lightweight and durable parts or whole structures. To achieve this, we not only need to possess knowledge of the composite mechanics, but also have to master the technology. In most cases, particularly for parts with advanced geometric shapes, autoclaving technique is used. The success of the carried out process occurs when the prepreg reaches the proper temperature throughout its volume in the specified time, where there are no overheated or unheated zones as well as when the prepreg is correctly pressed against the mold. In order to ensure adequate stiffness, the mold has much greater thickness than formed composite and the stiffening ribs. The result is that the time required for prepreg heating is greatly extended. To prevent this, the appropriate electric heaters embedded in the silicone grips are used

Ukośne zginanie poszycia samolotu z u sztywnieniami typu “L” i “C”, mocowanymi za pomocą złącza hybrydowego

A section of fuselage skin with dimension 30 x 200 mm was subjected to numerical study and loaded by skew bending (Fig. 3). The thickness of the skin was 0,6 mm, the length of a leg of an angle “L” profile stringer was 12 mm with 1mm thickness. The angle of inclination α of the load plane to the skin plane varies in the range from 10° to 90° with 10° increment. The elastic - plastic material model of D16T aluminum alloy was used in simulations of the fuselage skin as well as for “L” and “C” profile stringers. In the material model description damage of aluminum alloy was taken into account. An adhesive layer with thickness of 0,1mm was modeled using cohesive elements with the failure mode depending on the shear strength and the tensile strength. The paper presents a comparative analysis of the considered structural elements with application of the unsymmetrical “L” profile or the symmetrical “C” profile with the same cross section area. All numerical studies were performed in Abaqus program. Finally, one can conclude that the stiffness of the structural element with application of the symmetrical “C” profile stringer is stronger, whereas the mechanical response of both versions of the hybrid joint significantly depends on the angle of load inclination α.Badaniom numerycznym poddano wycinek poszycia o wymiarach 30x200mm, który następnie poddano obciążeniu poprzez ukośne zginanie, Rys. 3. Grubość blachy poszycia wynosiła 0,6 mm, długość ramienia kątownika równoramiennego 12 mm i grubość ramienia 1mm. Kąt nachylenia α płaszczyzny obciążenia w stosunku do płaszczyzny poszycia zmieniał się w granicach od 10° do 90° z przyrostem co 10°. W symulacjach zastosowano model sprężysto – plastyczny materiału dla poszycia i kształtownika jakim był stop aluminium D16T. W opisie modelu materiału uwzględniono także uszkodzenie stopu aluminium. Warstewka kleju o grubości 0,1 mm była modelowana z wykorzystaniem elementów kohezyjnych, dla których także uwzględniono uszkodzenie przyjmując dane producenta, takiej jak wytrzymałość na ścinanie oraz na rozciąganie. W pracy przedstawiono analizę wpływu zmiany obecnie stosowanego niesymetrycznego kształtownika (kątownik), kształtownikiem symetrycznym (ceownik) o takim samym polu przekroju poprzecznego. Wszystkie badania numeryczne przeprowadzono w programie Abaqus