Výpočtové modely vlastností hybridních kompozitních struktur

Abstract

Předkládaná disertační práce „Výpočtové modely vlastností hybridních kompozitních struktur“ se zabývá problematikou určení mechanických vlastností hybridních kompozitních profilů. Profily z kompozitních materiálů se v současné době používají napříč celým spektrem průmyslové automatizace a pronikají i do výrobních strojů. Vývoj v oblasti kompozitních materiálů se dlouhodobě soustřeďuje na vlastnosti tenkostěnných konstrukcí skořepinového typu. Cílem této práce je navrhnout metodiku k určení mechanických vlastností uzavřených kompozitních profilů z více typů základních materiálů. V technické praxi se takové profily převážně vyrábějí metodou navíjení, která s sebou nese i další výhodu v možnosti použití ultra-vysoko modulových vláken s modulem pružnosti v tahu dosahujícího až 900GPa. Základním požadavkem na metodiku je snadná použitelnost v optimalizační smyčce a minimální nároky na vstupní materiálová data při dostatečné přesnosti predikce statické tuhosti dílu. Za tímto účelem byl navržen model predikce ohybové a korigované smykové tuhosti profilu, který byl verifikován s MKP výpočty a experimentálními úlohami. Práce se také v jedné z kapitol věnuje návrhu technické realizace optimalizační smyčky profilu „na míru“ jako přímé integraci vyvinutých výpočtových modelů mechanických vlastností do praxe. Práce je rozdělena do 9 kapitol. Kapitola 1 je úvod do problematiky a motivace k sepsání disertační práce. Kapitola 2 se věnuje současnému stavu poznání a diskuzi, zda současný stav poznání v dané oblasti je dostatečný. V kapitole 3 jsou vytyčeny cíle disertační práce. Kapitola 4 je zaměřena na aplikaci Timošenkovy metody pro kompozitní nosníky a způsobům výpočtu potřebných vlastností profilů. Kapitola 5 se věnuje sestavení základní databáze fundamentální profilů a vzájemnému srovnání jednotlivých profilů, včetně analýzy vlivu smyku na výslednou predikovanou deformaci. Kapitola 6 je zaměřena na odvození a implementaci autorem prvně publikovaných metod přímého výpočtu korigované smykové tuhosti profilu. V kapitole 7 je uvedeno ověření materiálových vstupů do modelů mechanických vlastností vrstvy pro vlákno XN-80 na základě základních materiálových zkoušek. Kapitola 8 se věnuje experimentální verifikaci metody přímého výpočtu korigované smykové tuhosti vybraného profilu na základě tříbodové zkoušky v ohybu a příčném smyku, kdy zkouška musela být dvakrát modifikována z důvodů znehodnocení výsledků lokálními deformacemi profilu. Kapitola 9 je závěr a zhodnocení vytyčených cílů, přínos disertační práce pro vědu a výzkum a možné způsoby navazujícího výzkumu.

This dissertation thesis "Computational models of properties of hybrid composite structures" deals with the problem of determination of mechanical properties of hybrid composite profiles. Profiles made of composite materials are currently used across the entire spectrum of industrial automation and penetrate into production machines. Developments in the field of composite materials have long focused on the properties of thin-walled shell-type structures. The aim of this work is to propose a methodology to determine the mechanical properties of closed composite profiles from several types of base materials. In technical practice, such profiles are mainly produced by the winding method, which also has the additional advantage of being able to use ultra-high modulus fibres with a tensile modulus of up to 900GPa. The basic requirement of the methodology is easy usability in the optimization loop and minimal demands on input material data with sufficient accuracy of prediction of static stiffness of the part. For this purpose, a model of prediction of bending and corrected shear stiffness of the profile was designed, which was verified with FEM calculations and experiments. The work also in one of the chapters deals with the design of technical implementation of the optimization loop of the "on request" profile as a direct implementation of the developed computational models of mechanical properties into practice. The thesis is divided into 9 chapters. Chapter 1 is an introduction to the topic and motivation to write a thesis. Chapter 2 deals with the current state of knowledge and discusses whether the current state of knowledge in the area is sufficient. Aims of thesis are given in Chapter 3. Chapter 4 focuses on the application of the Timoshenko method for composite beams and the methods of calculating the necessary profile properties. Chapter 5 is devoted to building a basic database of fundamental profiles and mutual comparison of profiles, including the analysis of the effect of shear on the predicted deformation. Chapter 6 is focused on derivation and implementation of the first published methods by author of direct calculation of corrected shear stiffness of the profile. In Chapter 7, the verification of the material inputs to the models of mechanical properties of the XN-80 layer based on basic material tests. Chapter 8 deals with the experimental verification of the method of direct calculation of the corrected shear stiffness of the selected profile based on the three-point bending and transverse shear test, where the test had to be modified twice due to degradation of the results due to local deformation of the profile. Chapter 9 is the conclusion and evaluation of the aims, the contribution of the dissertation to science and research and possible topic of follow-up research.