The proposal of methodology for the prediction of stiffness reduction of composite structures under fatigue loading

Abstract

Předkládaná disertační práce „Návrh metodiky pro predikci poklesu tuhosti únavově zatěžovaných kompozitních konstrukcí“ se zabývá problematikou výpočtů kompozitních konstrukcí vystavených únavovému zatěžování. Kompozitní materiály se v současné době používají i na konstrukce s vysokými požadavky na únosnost a životnost téměř ve všech odvětvích průmyslu. I přes dlouhodobý výzkum v této oblasti stále neexistuje ucelená metodika, která by umožňovala posoudit degradaci mechanických vlastností konstrukce. Cílem práce je navrhnout metodiku, která umožní posoudit pokles tuhosti i u konstrukcí, se složitou geometrií a komplexním stavem napjatosti. Metodika je navržena s ohledem na přiměřené požadavky na materiálová data vstupující do výpočtů. V technické praxi jsou tyto požadavky často limitující z finančních i časových důvodů. Za tímto účelem je navržen model poklesu tuhosti „VZLU FDC Model“, dále je implementován do MKP softwaru a verifikován pomocí modelových úloh. Součástí práce je také návrh a testování metodiky, která podává návod pro měření zbytkové tuhosti při tahových zkouškách. Tato data jsou nezbytná pro identifikaci navrženého modelu. Během experimentálních prací byl objeven mechanismus, který způsobuje nezanedbatelný růst tuhosti matrice, což výrazně ovlivňuje výslednou odezvu kompozitu. V rámci práce byly proto provedeny také experimenty s nevyztuženou matricí za účelem popisu tohoto mechanismu. Ze získaných poznatků jsou vyvozeny závěry a doporučení jak pro technickou praxi, tak pro navazující výzkum.Presented dissertation “The proposal of methodology for the prediction of stiffness reduction of composite structures under fatigue loading“ deals with the calculations of composite structures subjected to fatigue loading. Composite materials are used also for structures with high requirements on load bearing capacity and durability in all industrial sectors. Despite a long term research of fatigue of composite materials a satisfactory methodology which can describe this phenomenon including outer signs of damage has not been found yet. The main objective is to propose the methodology which allows determination of the stiffness reduction of structures with complex geometry and load conditions. The methodology is proposed with respect to achievable requirements to material data needed as an input to calculations. In engineering practice, these requirements are very often limiting from financial and time reasons. To achieve all mentioned objectives the stiffness reduction model “VZLU FDC Model” is proposed, implemented to commercial FE code and verified using model examples. The methodology for measurement of residual stiffness of composite layers using tensile tests is also proposed and tested in this dissertation. During experiments, the mechanism causing the increase of matrix stiffness was described and it was proved, that this mechanism affects the response of the whole composite. New knowledge is summarized and the consequences for industrial and research are defined