Využití nelineárních materiálových modelů pro predikci změny chvoání kompozitních struktur

Abstract

Předkládaná práce se zabývá modelováním nelineárního chování vybraných kompozitních struktur. Hlavním materiálem, který je předmětem zájmu, je hybridní kompozit s termoplastickou matricí. V rámci práce byl tento materiál vyroben z tkaniny tvořené uhlíkovými a aramidovými vlákny a matrice z polyvinylbutyralu. Z vyrobeného materiálu byly připraveny vzorky pro experimenty sloužící k určení jeho mechanických a tepelných vlastností. Všechny zkoumané vlastnosti materiálu byly sledovány v závislosti na orientaci vláken vzhledem k ose zatížení a teplotě. Mechanické vlastnosti materiálu byly stanoveny z tahových a tlakových zkoušek (prostých a cyklických). Dále byly provedeny i experimenty s přechodem z tahového do tlakového zatížení s použitím navrženého přípravku pro stabilizaci vzorku. Tepelné vlastnosti materiálu byly určeny na základě dvou metod: termomechanické analýzy a diferenční skenovací kalorimetrie. Ústředním tématem práce je návrh materiálového modelu pro jednodimenzionální i prostorové úlohy, který zahrnuje termoelastoplastické chování materiálu spolu s postupným poškozením, zohledňuje vliv teploty a respektuje odlišné vlastnosti materiálu v tahu a v tlaku. Obdobný model není aktuálně součástí žádného autorce známého konečnoprvkového softwaru. Oba sestavené modely (jednodimenzionální a prostorový) vychází z termodynamických principů a jsou implementovány do konečnoprvkového softwaru Abaqus pomocí subroutiny UMAT pro implicitní řešič Abaqus/Standard (popř. VUMAT pro explicitní řešič Abaqus/Explicit). Jednodimenzionální model je otestován pro různé druhy materiálu a prostorový model je použit pro simulace chování vyrobeného hybridního kompozitu s termoplastickou matricí. K určení materiálových parametrů nezbytných pro simulace je navržen optimalizační proces realizovaný pomocí evolučního algoritmu v softwaru Isight. V rámci optimalizace jsou hledány hodnoty materiálových parametrů, pro které je stanovená objektivní funkce minimální. Tato objektivní funkce určuje rozdíl mezi výsledky z numerické simulace a zpracovanými daty z vybraných experimentů. Na závěr jsou simulovány všechny provedené tahové zkoušky vyrobeného hybridního kompozitu a výsledky z těchto simulací jsou porovnány s naměřenými hodnotami. Shoda mezi experimenty a simulacemi s výsledným navrženým modelem je dobrá a zejména pro zatížení ve směru vláken jsou rozdíly minimální.