Porušování kompozitních komponent při různých typech zatěžování

Abstract

Hlavním cílem bylo vytvořit metodiku pro návrh kolíkových spojů kompozit-kov se zaměřením na jejich únosnost. V současnosti rychle narůstá počet výrobků, ve kterých se využívá kompozitních materiálů. Zpravidla nedochází k nahrazování celé struktury za kompozitní, ale kompozitem je nahrazena jen určitá část. S tím vyvstává otázka, jak napojovat kompozitní prvky do zbytku struktury. Problematika navrhování spojů z kompozitních materiálů je velmi rozsáhlá. Jednou z možností pro spoje kompozit-kov jsou právě kolíkové spoje. Ty patří do skupiny rozebíratelných spojů. Podle způsobu výroby jsou rozlišovány dva typy kolíkových spojů - ovíjené a neovíjené. Ovíjené kolíkové spoje byly v této práci uvažovány z jednosměrového kompozitu. Neovíjené kolíkové spoje byly zkoumány na laminátech. Kompozitní prvek ovíjeného kolíkového spoje (tzv. očko) je zatížen kombinací tahu ve směru podélném a tlakem ve směru příčném. Hodnoty příčného napětí mohou při kombinovaném namáhání několikanásobně převýšit hodnoty dosažené při jednoosém namáhání. Žádné z dostupných kritérií toto nepostihuje. Pro správné pochopení chování kompozitu při této specifické napjatosti bylo nejprve přistoupeno k analýzám jednodušších zatěžovacích stavů. Nejdříve byl uvažován přímý vzorek obdélníkového průřezu (očko s nekonečným poloměrem), který byl zatížen pouze lokálním tlakem. Tvar kolíku byl také zjednodušen. Následovalo rozšíření na dvouosé zatížení a to tak, že vzorek byl kromě lokálního tlaku ve směru příčném zatížen i tahem ve směru podélném. Na základě dosažených výsledků bylo navrženo vlastní kritérium pro posouzení únosnosti při této napjatosti. Zkušeností získaných z analýz jednodušších zatěžovacích stavů bylo následně využito v analýzách ovíjených kolíkových spojů. Zde byla validována pevnostní kritéria a provedena analýza vlivu geometrických parametrů spoje na jeho únosnost. Pro neovíjené kolíkové spoje byly provedeny numerické simulace prvního i konečného porušení odpovídající únosnosti spoje. V těchto numerických simulacích byl použit model postupného porušování, který byl validován pomocí tlakové zkoušky. Numerické simulace byly provedeny v konečnoprvkových systémech MSC.Marc a Abaqus. Byl vytvořen materiálový model obsahující nelineární vztah popisující chování kompozitu ve smykové oblasti. Materiálové parametry byly určeny identifikací z tahových a tlakových zkoušek. Získané znalosti z experimentů a numerických simulací kolíkových spojů byly shrnuty v metodice pro navrhování kolíkových spojů.