Badania wytrzymałości resztkowej i mechanizmów zniszczenia laminatów metalowo-włóknistych poddanych uderzeniu o niskiej prędkości

Abstract

Kompozyty polimerowo-włókniste (ang. fibre reinforced polymers - FRP) od kilkudziesięciu lat są powszechnie stosowane do wytwarzania elementów konstrukcyjnych dedykowanych do przenoszenia obciążeń. Pomimo wysokiej wytrzymałości właściwej oraz odporności zmęczeniowej, FRP są jednak wrażliwe na działanie uderzeń o niskiej prędkości (ang. low-velocity impact – LVI). W wyniku działania LVI może dojść do obniżenia wytrzymałości na ściskanie FRP nawet o 60%. Z tego powodu rozważane jest zastępowanie FRP laminatami metalowo-włóknistymi (ang. fibre metal laminates – FML), które ze względu na obecność warstw metalowych są zdolne do przyjęcia większej energii uderzenia zanim zostaną zainicjowane uszkodzenia, będące źródłem obniżenia właściwości mechanicznych. Istnieje wiele prac opisujących wytrzymałość resztkową FML poddanych ściskaniu po uderzeniu (ang. compression after impact – CAI), ale różnorodność procedur wytwarzania i testowania nie pozwala na jednoznaczne określenie wpływu materiału na wytrzymałość resztkową oraz proces propagacji uszkodzenia zainicjowanego przez uderzenie. Strukturyzacja tej wiedzy jest szczególnie ważna, ponieważ FML są wytwarzane jako struktury smukłe, co sprawia, że są podatne na utratę stateczności. Istniejące metody badania wytrzymałości CAI nie uwzględniają pracy z cienkościennymi strukturami, a ugięcia powstałe podczas wyboczenia wprowadzają dodatkowe stany naprężeń, uniemożliwiając jednoznaczne określenie wpływu uderzenia na wytrzymałość resztkową. Ponadto, istniejące metody badań nieniszczących nie pozwalają na monitorowanie zmian w dystrybucji uszkodzeń wewnątrz FML w czasie rzeczywistym, co utrudnia określenie roli poszczególnych form zniszczenia w procesie propagacji uszkodzenia podczas badań CAI. Jako narzędzie zastępcze mogą być wykorzystane symulacje numeryczne, niemniej jednak model dedykowany do predykcji zniszczenia wymaga eksperymentalnej walidacji. Celem naukowym dysertacji jest określenie wpływu struktury laminatu metalowowłóknistego na zmianę wytrzymałości resztkowej na ściskanie po uderzeniu o niskiej prędkości. Opracowana zależność „materiał – obciążenie dynamiczne – zniszczenie – wytrzymałość resztkowa” połączona z charakterystyką procesu propagacji uszkodzeń w laminatach metalowo-włóknistych poddanych ściskaniu po uderzeniu mają stanowić nowe narzędzie do przewidywania właściwości tych materiałów w analizowanych warunkach eksploatacji. Podstawą dysertacji jest zbiór sześciu publikacji z renomowanych czasopism, których tematyka obejmuje dyscyplinę „inżynieria mechaniczna”. W pracach składających się na cykl opisano m.in. opracowanie metodyki badawczej dla badań eksperymentalnych CAI oraz doboru metod budowy modelu numerycznego, który opisywałby zmiany w uszkodzeniu wywołanym przez uderzenie, propagującym pod wpływem siły ściskającej. W eksperymentach sprawdzono kilka konstrukcji oprzyrządowania stosowanego w badaniach CAI, aby wybrać te, które najlepiej ograniczają efekty związane z utratą stateczności i pozwalają określić wpływ uderzenia na wytrzymałość FML. W przypadku technik numerycznych skoncentrowano się na doborze równań konstytutywnych dla warstw metalowych, ze względu na ich wysoki udział w absorpcji energii uderzenia. Drogą analizy porównawczej wybrano model, który najwierniej odwzorowuje parametry opisujące odporność materiału na LVI, zachowując dobrą wydajność obliczeniową. Badania eksperymentalne były skupione na kompozycie węglowo-epoksydowym (CFRP), laminatach FML na bazie stopu aluminium oraz laminatach FML na bazie czystego technicznie tytanu. W przypadku CFRP większą uwagę poświęcono charakterystyce zniszczenia, aby stworzyć punkt odniesienia dla porównania procesu propagacji uszkodzenia obserwowanego podczas badań FML. Eksperymenty z FML miały na celu określenie zależności wytrzymałości resztkowej od energii uderzenia oraz struktury laminatu, odpowiedzi mechanicznej laminatu po utracie stateczności oraz przybliżonego wyznaczenia czasu intensyfikacji rozwoju uszkodzenia. Na podstawie obserwacji z badań eksperymentalnych, zaadaptowano pod procedurę CAI wcześniej przygotowany model numeryczny do predykcji odpowiedzi mechanicznej FML oraz dokonano jego walidacji. Wysoka zgodność prognoz z wynikami eksperymentów była podstawą do dalszego stosowania modelu w tworzeniu charakterystyki procesu propagacji uszkodzenia wywołanego przez uderzenie. Badania wykazały, że obecność warstw metalowych w FML zwiększa wartość energii uderzenia potrzebnej do znaczącej redukcji wytrzymałości na ściskanie, pozwalając elementom wytrzymać silniejsze uderzenia, niż gdyby je wykonano z kompozytów FRP. Obecność metalu również zapewniła zachowanie tego samego zwrotu strzałki ugięcia dla każdej warstwy laminatu, co osłabiło potencjał do propagacji delaminacji wewnątrz struktury przez wyeliminowanie I-go sposobu pękania. Na podstawie charakterystyk propagacji zniszczenia zainicjowanego przez LVI stwierdzono, że występuje znacząca różnica w odpowiedzi mechanicznej, zależna od zastosowanego włókna w warstwach kompozytowych. Uznano również, że największy wpływ na wytrzymałość CAI w laminatach metalowo włóknistych ma wytrzymałość połączenia na powierzchni rozdziału metal-kompozyt, właściwości mechaniczne warstw metalowych oraz właściwości osnowy warstw kompozytowych.