A Performance Versus Cost Analysis of Prepreg Carbon Fibre Epoxy Energy Absorption Structures

Carbon fibre epoxy composites are sought after for their excellent specific energy absorption (SEA) but are costly. A range of prepreg carbon fibre epoxy layups were subjected to a 10 m/s impact with 4 kJ of energy. Fibre volume fraction and voidage were determined for each sample and the fracture analysed in detail. SEA ranged from 35.27 J/g to 60.25 J/g with the highest performance from 8 plies of 200gsm 2x2 twill all laid at 0 degrees. Vacuum assisted oven cure resulted in higher voidage than autoclave cure (2.52% versus 0.17%) but did not affect SEA. According to a ratio of performance to cost the highest rated samples were an 8 ply oven cure and a 3 ply autoclave cure specimen and there was little difference between them. This work has highlighted that there is enormous potential for cost reduction of prepreg carbon fibre epoxy energy absorption structures through the use of heavier areal weight fabrics and fewer plies as well as through the use of oven cured prepreg

Influence of polymer composite structure on impact energy absorption

W pracy opisano doświadczalne badania zdolności pochłaniania energii przez kompozyty polimerowe o różnych strukturach, wzmocnionych włóknami węglowymi i szklanym. Przeanalizowano wpływ na wartość pochłaniania energii takich czynników, jak: rodzaj włókien wzmacniających, rodzaj struktury, geometria i kształty próbek, orientacja włókien w warstwie i sekwencja układania warstw. Zbadano też wpływ grubości warstw w kompozycie o różnej strukturze na zdolność pochłaniania energii.This paper presents the experimental research of the energy absorption capability of the polymer composites reinforced with carbon and glass fibres, with different structure types. The following factors were investigated: reinforcing fibre types, structure, specimen geometry and shape, fibre orientation in the plies and ply sequence. The influence of the ply thickness in the specimens with different structures on the amount of absorbed impact energy was examined

Influence of a shape of energy-absorbing element on energy absorption capacity

W pracy opisano badania dotyczące określenia zdolności pochłaniania energii podczas uderzenia, przez elementy energochłonne wybranych kształtów. Badano wpływ kształtu elementów energochłonnych takich jak: cienkie płaskie o przekroju prostokątnym, rurki o przekroju pierścieniowym, ścięte stożki o różnych kątach wierzchołkowych, powłoki faliste i w kształcie sfer na wielkość energii absorbowanej (EA). Natomiast, na podstawie prac opublikowanych w literaturze przedstawiono wpływ kształtu słupków o przekroju ceowym i kątowym, rurek o przekroju kwadratowym, eliptycznym oraz rurek z pofalowaną ścianką na EA. Przedmiotem badań były próbki wykonane z kompozytów epoksydowych (żywica E-53) wzmocnionych włóknami szklanymi w postaci: tkaniny rowingowej marki STR-012-350-110, pasmami rowingu marki ES-10-400-0-60 i matą szklaną oraz włóknami węglowymi w postaci: tkaniny rowingowej marki TENAX HTA 5131. Badania doświadczalne prowadzono na standardowej maszynie wytrzymałościowej INSTRON 8802, przy prędkości obciążenia (prędkości trawersy maszyny) równej 40 mm/min. Wyniki badań przedstawiono w tabelach jako zależność siły niszczącej od odkształcenia (skrócenia próbki). Podano podstawowe właściwości próbek takie jak: wymiary geometryczne, masową zawartość włókien, masę, maksymalną i średnią siłę niszczącą, zaabsorbowaną energię oraz względną energię absorbowaną WEA, tj. energię odniesioną do masy. Zależności WEA od kształtu elementu, dla elementów wykonanych z tych samych kompozytów o jednakowej strukturze zestawiono na wykresach. Liczne fotografie próbek o różnych kształtach przed, w trakcie i po procesie niszczenia ilustrują różne mechanizmy niszczenia.Research on determining an energy absorption capacity of energy-absorbing elements of selected shapes during the impact is described in this paper. The influence of a shape of energyabsorbing elements of such shapes as thin plates of rectangular cross-section, cylindrical tubes, conical tubes with different apex angles, wavy plates, and semi-spheres on a value of the absorbed energy was examined. Additionally, on the basis of on the information available in literature, influence of other elements such as U-channel and angle bars, square and elliptical tubes, and wavy-walled tubes was described. The specimens made from epoxy composites (E-53 resin) were tested. A structure of the composites was reinforced with glass fibers in the form of STR-012-350-110 rowing fabric, ES-10-400-0-60 rowing wisps and glass mat, as well as carbon fibers in the form of TENAX HTA 5131 rowing fabric. Experimental tests were conducted on universal testing machine INSTRON 8802 at a constant crosshead displacement rate of 40 mm per minute. The test results were presented as compressive force vs. displacement (specimen shortening). The basic properties of the specimens, including their geometrical dimensions, mass fiber contents, weights, maximum and average values of compression force, absorbed energy, and relative absorbing energy related to specimen weight, were provided in tables. The relations between relative absorbing energy and composite structures for the specimens made from composites of the same structure were compared in the form of graphs. Numerous photographs, taken during the compression test, as well as before and after it, indicate different failure mechanisms for each of the specimens

Heat effects in dynamic crush of polymer composites

Przedstawiono wyniki doświadczalnych badań wpływu prędkości uderzenia na przyrost temperatury na powierzchni próbki. Podczas badań energochłonnych elementów kompozytowych następuje wzrost temperatury próbki, który jest zależny od prędkości uderzenia. Wzrost temperatury jest spowodowany tarciem cząsteczek niszczonej próbki i tarciem próbki o podporę maszyny wytrzymałościowej. W pracy [1] przeprowadzono badania dotyczące rozpraszania energii poprzez tarcie, podczas progresywnego niszczenia kompozytowych rurek, pomiędzy płytami o różnej chropowatości, natomiast nie dokonywano pomiaru temperatury próbek. W pracy podjęto próbę określenia wpływu prędkości obciążenia na temperaturę powierzchni niszczonej próbki. Przeprowadzono badania termowizyjne elementów energochłonnych, które wykonano z kompozytów polimerowych o różnym rodzaju wzmocnienia i o różnej strukturze. Badaniom dynamicznym z pomiarem temperatury poddano próbki wykonane z kompozytów epoksydowych wzmocnionych matą szklaną, które mają wysokie właściwości lepkosprężyste, a także kompozyty wzmocnione włóknami szklanymi i węglowymi o strukturze [(0/90)T]n, w których dominują właściwości sprężyste. Przy dużych prędkościach obciążenia, wzrost temperatury na powierzchni próbek był znacznie większy od temperatury mięknięcia żywicy epoksydowej.The paper presents the experimental results of loading rate influence on the temperature rise on the surface of polymer composites. The investigations showed that during the progressive crush of composite elements, the temperature of the specimen rises significantly, dependently on the loading rate. This effect is mainly caused by friction of composite molecules and friction between bended composite layers and the strength machine. In work [1], the investigations concerned the energy dissipation in progressive crush of composite tubes by a friction effect between composite material and steel plates with different surface roughness. In this case, the temperature was not measured. This work deals with the investigation of temperature growth on the surface of the composite energy absorbing elements in the shape of a tube. The dynamic tests were performed on polymer composites with different reinforcement orientation (different viscoelastic properties). Specimens made of epoxy resin reinforced with glass mat are characterized by strong viscoelastic properties. Composites reinforced with glass and carbon fabrics [(0/90)T]n have mainly elastic properties. The temperature field was measured by the infrared high speed camera. In high speed impact tests, the temperature was significantly higher than the melting temperature of the epoxy resin

Influence of filling of composite tubes with elastomers on absorbed energy and crush mechanism

W pracy przedstawiono wyniki badań doświadczalnych elastomerów o twardościach: 40, 60, 70 i 90 w stopniach określonych metodą Shore'a w skali A. Z badań energochłonnych rurek kompozytowych wypełnionych elastomerami określono wpływ stopnia wypełnienia rurek i twardości elastomeru na wartość pochłanianej energii uderzenia. Przedstawiono też mechanizm niszczenia próbek oraz określono właściwości mechaniczne elastomerów o różnej twardości z prób rozciągania, ściskania i obciążenia okresowo zmiennego.The paper presents the results of experimental investigations of the influence of filling of the tubes with elastomers on their impact energy absorption capability. Elastomers of 40; 60; 70 and 90 hardnesses in the degrees determined by Shore's method in A scale were investigated. Composite tubes were made of epoxy resin matrix (E-53) reinforced with carbon fabric TENA X HTA (C/E) or glass fabric STR-012-350-110 (S/E) and filled with elastomers of a different filling degree level and hardness. The dimensions of the tubes subjected to the examinations were: diameter ø40 mm and length 50 mm. The degree of filling of the specimens with elastomers is determined by percentage filling of the inner volume of the tube with elastomer of different perforation size (the number and the diameter of the holes made in elastomers). The energy absorbing tests were performed on the testing machine Instron 8802. The specimens placed between two flat plates were compressed at the constant load rate equal to 40 mm/min. The maximal shortening of the specimens was equal to 30 mm. On the basis of these data, the graphs of crush force in terms of the specimen shortening were outlined (load – displacement). The influence of the degree of filling of the composite tubes and the elastomer hardness on the energy absorbing capacity was evaluated from the energy absorbing tests. The paper covers the discussion of the crush mechanism of the specimens. The mechanical properties of elastomers used in the tests were evaluated from axial tension and compression load as well as from changing load tests [3]. The results of the influence of filling of the composite tubes with elastomers with different filling degree and various hardness on EA value are presented in table 2. The results are average values from three tests performed for each kind of the specimen. The table contains the specimens' specification: type of composite, wall thickness, filling degree, elastomers hardness, maximum load, specimens; shortening and absorbed energy (EA). The illustrations (Figs. 3-7) present the exemplary graphs of load versus displacement dependences for various kinds of specimen specifications. The graphs 8 to 10 show dependences of filling degree, hardness, wall thickness and reinforcement type (C/E, S/E) on the energy absorbed by the given specimens (EA). The specimens filled with elastomers show different crush mechanism than the specimens without filling. Tubes without the filling material crush progressively by layer bending mode while the specimens filled with elastomers crush by crack along the side surface of the tube, which is caused by the pressure of the compressed elastomer inside (see Fig. 4). Filling of the C/E and G/E composite tubes with elastomers of different hardness causes the increase in crush force (at an average of 22% for C/E), what can be concluded from the investigation results presented in tables 2 and 3 as well as in Figs. 5-7. Along with the increase in a tubes' filling degree, the tube crush displacements highly decrease, what influences directly the EA value decrease (see Figs. 5 and 6). The C/E composite tubes filled with elastomers show greater EA than the analogical tubes made of S/E composite because C/E composite compression strength is significantly greater. This effect was shown in the tests of C/E and S/E of equal wall thickness (see Fig. 10). However, the EA value was slightly influenced by the hardnesses of elastomers (40°, 60°, 70°, and 90° ShA) which filled the tubes. The influence of the tube wall thickness of polymer composites on EA is increasing for all the examined cases of a tubes filling degree and elastomer hardness. It results from the tubes crushing by the layer bending, as the bending strength depends on the thickness in square. The points presented in Figure 8 indicate the experimental results and the solid lines arose in the result of describing the points with polynomials obtained by the minimum squares method. The approximations of the dependence degree of the filling on the absorbed energy value show that EA increases to the filling degree of about 22%, however, EA significantly decreases when it is over 22%. This effect occurs due to the circumferential stresses caused by the pressure inside the tube, which are induced by the compression of incompressible elastomers

Comparison of energy absorbing capability of sandwich structures with a core filled with foamed material and thin-walled waved structures

W pracy opisano badania eksperymentalne konstrukcji energochłonnych. Dokonano porównania wyników zdolności pochłaniania energii uderzenia struktur typu sandwicz z wypełnieniem z tworzywa spienionego oraz cienkościennych konstrukcji energochłonnych z rdzeniem z powłoki falistej. Wykonano próbki z użyciem kompozytu epoksydowego wzmocnionego matą szklaną, tkaniną szklaną i tkaniną węglową. Struktury faliste ze wzmocnieniem włóknami węglowymi wykazały najwyższą wartość względnej energii absorpcji.The work presents experimental studies of energy absorbing structures. The presented investigation covers absorbing impact energy capability results of sandwich structures with a core made of composite plates filled with foamed material (PVC) and composite thin-walled waved constructions. The specimens were made of glass mat, glass fabric, and carbon fabric reinforced with epoxy resin. The waved thin-walled energy absorbing structures reinforced with carbon fabric proved to be the best

Experimental assessment of energy absorption capability of carbon-epoxy and glass-epoxy composites

W pracy opisano doświadczalne badania zdolności pochłaniania energii przez kompozyty węglowo-epoksydowe i szklano-epoksydowe, których wyniki badań porównano. Na wartość pochłaniania energii przeanalizowano wpływ takich czynników, jak: rodzaj włókien wzmacniających, rodzaj struktury, geometria i kształty próbek, orientacja włókien w warstwie i sekwencja układania warstw.In the paper, experimental investigations of the energy absorption capability of carbonepoxy and glass-epoxy composites were described. Influence of the following factors on the energy absorption capability was analysed: fibre reinforcement type, kind of structure, geometry and shape of specimens, orientation of fibres in a layer, and stacking sequence of layers

Comparison of energy absorption capacity of vinylester and epoxy composites

W pracy opisano doświadczalne badania zdolności pochałaniania energii przez elementy energochłonne w kształcie rurek, wykonane z kompozytów o osnowie epoksydowej (E-53) i winyloestrowej (VE-2MM) wzmocnionych włóknami węglowymi i szklanymi. Podano wyniki badań właściwości mechanicznych żywic winyloestrowej i epoksydowej oraz kompozytów ortotropowych o osnowie VE i E wzmocnionych tkaninami węglowymi i szklanymi, z których wykonano próbki. Podano także wyniki badań wpływu rodzaju włókien oraz osnowy na zdolność pochłaniania energii. Badania doświadczalne prowadzono na standatdowej maszynie wytrzymałościowej ISTRON 8802, przy prędkości obciążenia (prędkości trawersy maszyny) równej 40 mm/min. Wyniki badań przedstawiono w postaci zależności siły niszczącej od odkształcenia (skrócenia próbki) oraz tabel, w których zawarto właściwości mechaniczne kompozytów. Zależności względnej energii absorbowanej WEA od struktury kompozytu dla elementów z kompozytów o takim samym wzmocnieniu i jednakowej strukturze dla żywic VE i E zestawiono na wykresach. Przedsyawione fotografie próbek ilustrują mechanizmy niszczenia badanych elementów energochłonnych. Na podstawie wyników badań próbek w kształcie rurek wykonanych z kompozytów szkło/epoksyd i węgiel/epoksyd oraz szkło/winyloester i węgiel/winyloester można stwierdzić, że największą WEA mają próbki wykonane z kompozytu winyloestrowego wzmocnionego włóknami węglowymi, których warstwy zewnętrzne i wewnętrzne są wykonane z rowingowych tkanin przejmujących naprężenia obwodowe, natomiast warstwy wewnętrzne - z włóknami ułożonymi równolegle do osi próbki, zwiększającymi wytrzymałość na zginanie. Wysoką zdolność pochłaniania energii wykazał kompozyt wzmocniony matą szklaną. Próbki wykonane z kompozytów o osnowie winyloestrowej wykazały WEA wyższą od próbek z żywicą epoksydową, średnio o 13% dla próbek wzmocnionych włóknami szklanymi i o 21% dla próbek wzmocnionych włóknami węglowymi.Experimental investigations of energy absorption capacity of carbon and glass fiber-reinforced epoxy (E-53) and vinylester (VE-2MM) composite tubes were presented in this paper. Mechanical properties of vinylester and epoxy resins as well as vinylester and epoxy orthotropic composites reinforced with carbon and glass fabric were researched. In addition the influence of the sort of fibre and matrix on the energy absorption capacity was investigated. Experimental tests were conducted on universal testing machine INSTRON 8802 at a constant crosshead displacement rate of 40 milimeters per minute. The results of the experimental tests for specimens were depicted in the relation of compressive force-displacement whereas the mechanical absorbing energy and composite structures for specimens made from composites with the same reinforcement and equal structure for both vinylester and epoxy resin were compared in the form of graphs. Failure mechanism of tested specimens were shown in photographs. Based on the obtained results for the carbon/epoxy and glass/epoxy as well as for carbon/vinylester composite tubes, it was concluded that specimens made from carbon fiber-reinforced vinylester composite have the highest relative absorbing energy. It was caused by resistance of inner and outer layers of rowing fabric to circumferential stress and by increased bending strength of inner layer of fibers parallel to the specimen axis. The glass mat reinforced composite was also characterized by the high energy absorption capaxity. The specimens made from vinylester composites have better relative absorbing energy than those made from epoxy, approximately 13% and 21% greater for glass and carbon reinforced specimens, respectively

Experimental support for numerical simulations of energy absorbing structures

This paper presents experimental investigations of mechanical properties of materials used in the absorbing energy structures. Numerous experimental investigations are essential to develop a reliable numerical model of composite structures absorbing the impact energy. This model should correctly describe the dissipation of kinetic impact energy in the progressive crush process. Mechanical properties of composite materials like elastic modulus, strength, failure strains with influence of anisotropic properties are obtained experimentally. Different strength hypotheses are used for fibrous composites. The investigations on the complex stress state allow determining which of these theories describes the composite best. It was proved that both the matrix type and the structure of the composite have a very large influence on the SEA (Specific Energy Absorption), in particular on their crack propagation resistance. The dependence between the energy absorbed by a single energy absorbing element and a fragment of the structure absorbing the impact energy was discussed. Friction forces play the important role in the progressive crush of composites and they should be taken into account in developing a valid numerical model. Some authors state that the friction forces absorb 40% of the impact energy. The influence of failure strain rates on the absorbing energy capability, which is not clearly defined in the literature about composite structures, was also discussed