Dielectric properties modeling of composite materials

Komponovanje materijala sa aspekta dielektričnih karakteristika je postalo veoma važno u cilju zadovoljenja celokupnih zahteva konstrukcija, naročito kod problema koji se tiču prostiranja radio talasa kroz različite sredine. Kompozitni materijali na bazi polimernih matrica predstavljaju odlične kandidate za ovakve primene. U ovom radu predstavljen je model dielektričnih osobina kompozitnog materijala, na osnovu kojeg je moguće predvideti vrednosti dielektrične konstante i dielektričnih gubitaka kompozitnog materijala polazeći od dielektričnih karakteristika faza koje sačinjavaju kompozitni sistem. U eksperimentalnom delu rada, izmerene su dielektrične karakteristike kompozitnog materijala na bazi epoksidne matrice sa staklenim vlaknima, različitog volumetrijskog odnosa i rezultati upoređeni sa rezultatima predloženog modela. Sva ispitivanja izvedena su u frekventnom opsegu od 100 kHz do 1 MHz.Tailoring dielectric properties of engineering materials has become very important since many radio wave propagation problems and remote sensing applications depend on correct values of these material properties. Prediction of material dielectric constant and loss tangent is of paramount importance. Polymer matrix composite materials are excellent candidates for these applications. In this paper analytical method for material dielectric constant and loss tangent prediction is presented. The model is experimentally verified for E-glass fibers embedded in epoxy matrix. Test results for 100 kHz to 1 MHz frequency range are presented

Heat transfer and thermo-mechanical behavior of the domestic heater atmospheric burner

Rad izlaže realizovanu 3D CFD simulaciju faze paljenja gasnog gorionika sa ciljem određivanja maksimalne temperaturske razlike koja u njemu izaziva maksimalne termičke napone. Proces je nestacionaran. Simulacije je realizovana za minimalnu snagu jer je taj slučaj kritičan.This paper presents performed 3D CFD simulation of burner start-up and finding the maximal temperature difference through mantle thickness which induces maximal thermal stress. The process is unsteady, beginning from the mantle room temperature and ending with its steady state condition. The behavior of burner is simulated for minimal thermal power, i.e., for critical conditions from the mantle temperature standpoint

Dynamic analysis of modified composite helicopter blade

U ovom radu izvršena je modalna analiza modifikovane lopatice helikoptera 'Gazela'. Modifikovana lopatica je kompletno kompozitna sa saćastom ispunom. Prikazan je metod određivanja modova oscilovanja i sopstvenih frekvencija. Modifikovana lopatica sastoji se od saćaste ispune, ramenjače od 3D usmerenog kompozita i tankih karbonskih ploča kao oplate. Da bi se odredila matrica krutosti ispune korišćen je metod ekvivalentnih masa. U cilju nalaženja optimalnog metoda za određivanje sopstvenih frekvencija ispitano je nekoliko poznatih metoda. Metod Lancosa pokazao je najtačnije rezultate kroz umereno procesorsko vreme kada je u pitanju određivanje sopstvenih frekvencija i modova oscilovanja kod struktura od kompozitnih materijala sa saćastim ispunama. Ovom metodom izračunata su prva četiri moda oscilovanja modifikovane kompozitne lopatice, i prikazani su rezultati modova oscilovanja i deformacione energije lopatice.In the present study, modal analysis has been performed on modified Gazelle helicopter blade. The construction of the blade is fully composite with the honeycomb core. The approach to determining structure mode shapes and natural frequencies is presented. Modified blade consists of core material, 3D unidirectional composite spar and thin carbon composite facesheets as blade skin. To determine the stiffness of the honeycomb core, the equivalent mass approach was used. Several methods of eigenvalue extraction have been investigated in order to find optimal method which can be used in dynamic analysis of composite structures containing honeycomb cores. Among all extraction methods investigated, it was found that combined Lanczos method is most effective in terms of accuracy and CPU time for eigenvalue extraction in composite structures with honeycomb core having large number of degrees of freedom. Strain energies for first four mode shapes of modified helicopter blade have been calculated using numerical approach and results are presented

Dynamic analysis of modified composite helicopter blade

U ovom radu izvršena je modalna analiza modifikovane lopatice helikoptera 'Gazela'. Modifikovana lopatica je kompletno kompozitna sa saćastom ispunom. Prikazan je metod određivanja modova oscilovanja i sopstvenih frekvencija. Modifikovana lopatica sastoji se od saćaste ispune, ramenjače od 3D usmerenog kompozita i tankih karbonskih ploča kao oplate. Da bi se odredila matrica krutosti ispune korišćen je metod ekvivalentnih masa. U cilju nalaženja optimalnog metoda za određivanje sopstvenih frekvencija ispitano je nekoliko poznatih metoda. Metod Lancosa pokazao je najtačnije rezultate kroz umereno procesorsko vreme kada je u pitanju određivanje sopstvenih frekvencija i modova oscilovanja kod struktura od kompozitnih materijala sa saćastim ispunama. Ovom metodom izračunata su prva četiri moda oscilovanja modifikovane kompozitne lopatice, i prikazani su rezultati modova oscilovanja i deformacione energije lopatice.In the present study, modal analysis has been performed on modified Gazelle helicopter blade. The construction of the blade is fully composite with the honeycomb core. The approach to determining structure mode shapes and natural frequencies is presented. Modified blade consists of core material, 3D unidirectional composite spar and thin carbon composite facesheets as blade skin. To determine the stiffness of the honeycomb core, the equivalent mass approach was used. Several methods of eigenvalue extraction have been investigated in order to find optimal method which can be used in dynamic analysis of composite structures containing honeycomb cores. Among all extraction methods investigated, it was found that combined Lanczos method is most effective in terms of accuracy and CPU time for eigenvalue extraction in composite structures with honeycomb core having large number of degrees of freedom. Strain energies for first four mode shapes of modified helicopter blade have been calculated using numerical approach and results are presented

Numerical modeling of Nomex honeycomb core composite plates at meso scale level

Kompozitne ploče sa saćastom ispunom se sve više koriste pri izradi primarnih vazduhoplovnih struktura. Ovi materijali koriste se pri konstrukciji oplata trupova letelica, centralnih i spoljnih torzionih kutija krila, oplata pogonskih grupa, vrata stajnih trapova, komandnih površina kao što su spojleri i eleroni. Da bi se odredila polja napona i deformacija opterećene strukture neophodno je poznavanje svih elastičnih koeficijenata. U ovom radu, metod za određivanje svih potrebnih elastičnih koeficijenata ispune i ploča je predstavljen. Koristeći se eksperimentalno dobijenim rezultatima za papir NOMEH (tip 410 ) kao i fenolnu matricu materijalni model je predstavljen, izrađen je model konačnih elemenata kompozitne ploče sa saćastom ispunom i numerički je simuliran test savijanja u tri tačke. Dobijeni rezultati upoređeni su sa rezultatima dobijenim eksperimentom. Primećeno je dobro slaganje između predloženog modela materijala i eksperimentalno dobijenih vrednosti.Honeycomb core composite plates are becoming more important in the construction of primary aerospace structures. Nowadays, these types of materials are used for construction of fuselage skins, central and outer wing boxes, engine tail cones, landing gear doors, command surfaces like spoilers and ailerons etc. To determine the stress strain field in loaded honeycomb plates elastic coefficients are required. In the present work, a method for determining all required elastic coefficients for the core and plates is presented. Using experimentally obtained values for Nomex paper (type 410) and phenolic resin material model is presented and FEA model of composite plate with honeycomb core is created and three point bend test is simulated. Numerically obtained stress and strain values are compared to the experiment. Good agreement between proposed material model and experimentally obtained values is observed

Air duct modification towards outlet pressure drop and vibration level reduction

U ovom radu prikazana je metodologija proračuna strujanja vazduha u vazdušnim kanalima koji su modifikovani dodavanjem specijalnih usmerivača vazduha segmentnog oblika poprečnog preseka aeroprofila. Modifikacija vazdušnog kanala izvršena u cilju smanjenja pada pritiska na izlazu samog kanala kao i u cilju smanjenja vibracija koje se javljaju tokom strujanja radnog fluida kroz kanal. Predstavljena metodologija proračuna strujanja zasnovana je na savremenim numeričkim metodama proračuna strujanja (CFD) odnosno metodi konačnih elemenata (FEA) za proračun vibracija i čvrstoće konstrukcije.In this work complete methodology for calculation and analysis of fluid flow in air ducts is presented. In order to minimize outlet pressure drop and to reduce the duct vibrations the plates with airfoil cross sections are added to duct critical zones. It was observed that airfoil stream plates efficiently contribute to outlet pressure drop, duct vibration and noise reduction. Modern methods such as CFD and FEA can be efficiently deployed in numerical treatise of flow and vibration analysis in air ducts

Numerical modeling of Nomex honeycomb core composite plates at meso scale level

Kompozitne ploče sa saćastom ispunom se sve više koriste pri izradi primarnih vazduhoplovnih struktura. Ovi materijali koriste se pri konstrukciji oplata trupova letelica, centralnih i spoljnih torzionih kutija krila, oplata pogonskih grupa, vrata stajnih trapova, komandnih površina kao što su spojleri i eleroni. Da bi se odredila polja napona i deformacija opterećene strukture neophodno je poznavanje svih elastičnih koeficijenata. U ovom radu, metod za određivanje svih potrebnih elastičnih koeficijenata ispune i ploča je predstavljen. Koristeći se eksperimentalno dobijenim rezultatima za papir NOMEH (tip 410 ) kao i fenolnu matricu materijalni model je predstavljen, izrađen je model konačnih elemenata kompozitne ploče sa saćastom ispunom i numerički je simuliran test savijanja u tri tačke. Dobijeni rezultati upoređeni su sa rezultatima dobijenim eksperimentom. Primećeno je dobro slaganje između predloženog modela materijala i eksperimentalno dobijenih vrednosti.Honeycomb core composite plates are becoming more important in the construction of primary aerospace structures. Nowadays, these types of materials are used for construction of fuselage skins, central and outer wing boxes, engine tail cones, landing gear doors, command surfaces like spoilers and ailerons etc. To determine the stress strain field in loaded honeycomb plates elastic coefficients are required. In the present work, a method for determining all required elastic coefficients for the core and plates is presented. Using experimentally obtained values for Nomex paper (type 410) and phenolic resin material model is presented and FEA model of composite plate with honeycomb core is created and three point bend test is simulated. Numerically obtained stress and strain values are compared to the experiment. Good agreement between proposed material model and experimentally obtained values is observed

Calculation of the effective shear modulus of composite sandwich panels

U radu je predstavljena metoda proračuna efektivnog modula smicanja kompozitnih panela sa sendvič ispunom. Ovaj koeficijent elastičnosti predstavlja vrlo važnu karakteristiku materijala, posebno kod konstrukcija koje su izložene čistoj torziji ili kombinaciji savijanja i torzije. Strukture koje su ispitivane u ovom istraživanju su ravne ploče načinjene od gornjeg i donjeg kompozitnog lica i ispunom (jezgrom) od šestougaonog kompozitnog sendvič materijala. Polazeći od klasične teorije laminata određen je efektivni modul smicanja gornje i donje ploče za svaki sloj u stoku (laminatu). Ovi slojevi platana se svode u jedan kompozitni sloj sa različitim orijentacijama vlakana i debljine. Da bi se verifikovao ovaj prilaz korišćen je Metod konačnih elemenata da bi se odredila pomeranja, deformacije i naponi u kompozitnim pločama i sendvič ispuni. Dva tipa numeričkih modela su upoređivani: početni model, gde su svi spojevi ploče modelirani sa svojim karakteristikama i drugi model kod kojeg su spojeni u jednu celinu sa svojim ekvivalentnim karakteristikama.Calculation Method for the effective shear modulus of composite plates with sandwich cores is presented. This elastic coefficient represents one very important material property especially in constructions subjected to pure torsion and combined bending - torsion. The structures investigated in this research are flat plates made of top and bottom composite facesheets and hexagonal composite material sandwich core. Starting from classical Lamination theory the effective shear modulus of top and bottom plates was determined for each ply in the stack up sequence. These plies were 'lumped into a single composite layer for different fiber orientations and plies thicknesses. To verify this approach Finite element method was used to determine the displacement, stress and strain field on Composite plates with Sandwich Cores. Two types of models were compared: The initial model where all the material components, plates and the core were modeled with their intrinsic properties and 'lumped' model with calculated effective elastic coefficients

On the effective shear modulus of composite honeycomb sandwich panels

U radu je određen efektivni modul klizanja kompozitnog panela sa saćastom ispunom. Ovaj elastični koeficijent predstavlja veoma važnu karakteristiku kompozitnih panela, naročito kod kompozitnih konstrukcija koje su izložene uvijanju kao i kombinovanom uvijanju sa savijanjem. Analizirane strukture u ovom radu sastoje se od gornje i donje kompozitne ploče (različitih tipova karbonskih vlakana, T300, AS4 u epoksidnoj matrici) kao i saćaste ispune (HexWeb EC engineered core). Polazeći od klasične teorije lamine, efektivni modul elastičnosti klizanja je određen za svaki sloj u kompozitnoj ploči. Ovi slojevi su spojeni u jedinstveni kompozitni sloj za različita usmerenja vlakana kao i debljine lamina. Elastični koeficijenti saćaste ispune HexWeb središnjeg sloja kompozitnog panela su izračunati koristeći teoriju Master Evans u cilju dobijanja ekvivalentnih vrednosti. Za proveru predloženog pristupa korišćen je metod konačnih elemenata, u cilju dobijanja polja pomeranja, deformacija i napona u kompozitnim pločama i saćastoj ispuni. Dva tipa numeričkih modela su upoređena: početni model, pri čemu su svi slojevi ploče modelirani sa svojim karakteristikama i drugi model kod kojeg su spojeni u jednu celinu sa svojim ekvivalentnim karakteristikama. Zaključeno je da se ekvivalentni metod određivanja modula klizanja kompozitnih panela sa saćastim ispunama može efikasno primeniti u slučajevima kada su gornja i donja kompozitna ploča simetričnog slaganja ili uopšte kvaziizotropna.In the presented paper the effective shear modulus of composite plates with honeycomb core is determined. This elastic coefficient represents one very important property, especially in constructions subjected to torsion and combined bending - torsion. The structures investigated in this research consisted of top and bottom plates (of different types of carbon fibers, T300, AS4 in epoxy matrix) and honeycomb core (HexWeb engineered core). Starting from classical lamination theory, the effective shear modulus of top and bottom plates was determined for each ply in the stack up sequence. These plies were 'lumped' into a single composite layer for different fiber orientations and plies thicknesses. Elastic coefficients for the HexWeb engineered core were obtained using Master and Evans relations for the equivalent properties of honeycomb cores. To verify this approach, finite element method was used to determine the displacement, stress and strain field on composite plates with honeycomb core. Two types of models were compared: the initial model where all the material components, plates and the core were modeled with their intrinsic properties and 'lumped' model with calculated effective elastic coefficients. It was found that the method of effective shear modulus calculation can successfully be used in situations where top and bottom plates are symmetric or quasi isotropic in general

3D random fiber composites as a repair material for damaged honeycomb cores

Povećana upotreba kompozitnih materijala donela potrebu za razvojem pouzdanih i efikasnih tehnika popravki. Kao i sve druge noseće metalne strukture i kompozitne strukture sklone su oštećenjima. Razvijene tehnike popravki metalnih konstrukcije nisu direktno primenljive na kompozite i problem popravki kompozitnih struktura mora biti detaljno proučen. U ovom radu analizirana je primena kompozitnih materijala sa slučajnim rasporedom vlakana, kao materijalom za popravku oštećenih saćastih jezgara visoke gustine sendvič konstrukcija. Pomoću Panove teorije izveden je izraz potrebnog zapreminskog udela vlakana materijala popravke i određeno je kompletno naponsko deformaciono stanje popravljene kompozitne stukture metodom konačnih elemenata. Zaključeno je da kompozitni materijali sa slučajnim rasporedom vlakana predstavljaju veoma dobre kandidate za popravku oštećenih kompozitnih struktura sa saćastim jezgrima.The increased use of composites has rendered the need for development of reliable and efficient repair techniques. Like all other metallic structures composite structures are prone to variety of damage. Repair techniques developed for metallic structures are not directly applicable to composites and problem of composite repair has to be investigated in great detail. In the present paper application of 3D random fiber polymer composites, as a repair material for damaged high density honeycomb cores in sandwich structures is investigated. Based on Pan 's theory the expression for matching fiber volume fraction of the repair material is derived and complete stress-strain field, of the repaired sandwich structure is determined using finite element approach. It is concluded that the 3D random fiber composites represent very good candidates as repair materials for damaged honeycomb structured composites