Coraz szersze zastosowanie w nowoczesnych rozwiązaniach konstrukcyjnych, wymagających zazwyczaj niestandardowych właściwości mechanicznych, znajdują tzw. dopasowane laminaty. Nad materiałami tego typu pracuje badaczka z Politechniki Lubelskiej. 

Struktury wykonane z kompozytów włóknistych wzmacnianych włóknami ciągłymi, posiadających sprzężenia mechaniczne, oferują ogromny potencjał. Materiały oparte na tej technologii mogą być wykorzystane np. w dużych łopatach morskich turbin wiatrowych. Zastosowanie sprzężeń mechanicznych stanowiłoby pasywny mechanizm odciążający podczas ekstremalnego wiatru, gdy awaria aktywnego układu sterowania może doprowadzić do zniszczenia całej turbiny wiatrowej. Ale tzw. dopasowane laminaty zaczynają być testowane także w wielu innych nowoczesnych rozwiązaniach konstrukcyjnych, wymagających zazwyczaj niestandardowych właściwości mechanicznych. Ich badaniem zajmuje się również dr inż. Katarzyna Falkowicz z Katedry Podstaw Konstrukcji Maszyn i Mechatroniki na Wydziale Mechanicznym Politechniki Lubelskiej. Analizuje ona stateczność i nośność cienkościennych struktur kompozytowych o niesymetrycznej orientacji warstw laminatu, posiadających sprzężenia mechaniczne. Cienkościenne struktury kompozytowe to takie, których elementy mają niewielką grubość ścianek w porównaniu do ich rozmiarów gabarytowych. Charakteryzują się wysokimi właściwościami sztywnościowymi i wytrzymałościowymi, przy jednoczesnym zachowaniu stosunkowo niskiej masy własnej. Dlatego są tak szeroko rozpowszechnione m.in. w konstrukcjach lotniczych, rozwiązaniach budowlanych oraz motoryzacyjnych.

Kompozyty w niesymetrycznych układach warstw względem płaszczyzny środkowej laminatu nie są jeszcze dobrze przebadane m.in. ze względu na komplikacje związane z procesem ich wytwarzania. Dotyczy to przede wszystkim niepożądanych trudności produkcyjnych tych materiałów, np. efektu paczenia się laminatu podczas wytwarzania. Dlatego też układy niesymetryczne wymagają bardziej zaawansowanych metod analizy w porównaniu do tradycyjnych płyt izotropowych oraz ortotropowych wykonanych w układach symetrycznych – tłumaczy laureatka ostatniej odsłony konkursu OPUS.

Celem jej projektu jest określenie wpływu dobranych niesymetrycznych układów warstw oraz sprzężeń mechanicznych na lokalną utratę stateczności i zniszczenie cienkościennych konstrukcji kompozytowych pod obciążeniem ściskającym.

Badania wykazały, że istnieje ogromna i niezbadana przestrzeń projektowania laminatów, zawierających „egzotyczne” formy sprzężeń mechanicznych, która obejmuje wszystkie interakcje między rozciąganiem, ścinaniem, zginaniem i skręcaniem. Mam na myśli głównie interakcję przyczynowo-skutkową, np. przy sprzężeniu giętno-skrętnym zginanie powoduje dodatkowo skręcanie, przy czym relacja ta jest odwracalna. Co ważniejsze, szeroki zakres tych mechanicznych reakcji można osiągnąć bez niepożądanych zniekształceń termicznych, które wynikają z procesu utwardzania w wysokiej temperaturze, co z kolei może przyczynić się do zwiększenia zainteresowania potencjałem wykorzystania tych materiałów, szczególnie z punktu widzenia ich produkcji – wyjaśnia dr inż. Katarzyna Falkowicz.

Jej zadaniem jest tak dobrać projektowane sprzężenia mechaniczne, aby uzyskać strukturę o poszukiwanych właściwościach mechanicznych. Dobór odpowiednich sprzężeń ma bowiem istotny wpływ na wartość obciążenia krytycznego oraz nośność cienkościennych konstrukcji kompozytowych. Efektem prac będą cienkościenne profile kompozytowe o złożonych kształtach przekroju poprzecznego oraz o zróżnicowanych układach warstw laminatu z wykorzystaniem sprzężeń mechanicznych. W swoich badaniach przeprowadzi m.in. testy statycznego ściskania struktur kompozytowych z wykorzystaniem uniwersalnej maszyny wytrzymałościowej czy pomiar przemieszczeń w trakcie procesu odkształcania przy użyciu optycznego systemu pomiarowego Aramis 3D. Działanie tego ostatniego opiera się na technice Cyfrowej Korelacji Obrazów, a sam pomiar odbywa się bezdotykowo i jest niezależny od charakterystyki badanych materiałów. Równolegle z badaniami eksperymentalnymi prowadzone będą nieliniowe obliczenia numeryczne z wykorzystaniem metody elementów skończonych. W ramach symulacji numerycznych zastosowane zostaną specjalne techniki modelowania cienkościennych struktur kompozytowych, umożliwiające rozwiązanie zagadnienia nieliniowej stateczności i nośności ściskanych konstrukcji kompozytowych. Do opisu procesu zniszczenia struktury zastosowane zostaną kryteria zniszczenia, umożliwiające przeprowadzenie kompleksowej analizy zniszczenia materiału kompozytowego.

Uzyskane wyniki dostarczą informacji dotyczących kształtowania właściwości mechanicznych struktur wykonanych z laminatów, a także pozwolą zoptymalizować strukturę laminatu w celu otrzymania poszukiwanych charakterystyk. O innowacyjności badań stanowi przede wszystkim wytworzenie kompozytowych próbek o zróżnicowanych kształtach przekroju poprzecznego w niesymetrycznym układzie warstw oraz przeprowadzenie na nich badań dotyczących zagadnień nieliniowej stateczności i nośności z uwzględnieniem wpływu sprzężeń mechanicznych na stateczność i stany graniczne konstrukcji poddanych osiowemu ściskaniu – tłumaczy liderka projektu.

Na jego realizację otrzymała grant z Narodowego Centrum Nauki w wysokości przeszło 1,2 mln zł. W ostatniej edycji cieszącego się wśród naukowców największym powodzeniem konkursu OPUS wpłynęło 1921 wniosków na łączną kwotę niemal 2,7 mld zł. Do finansowania zakwalifikowano 224 wnioski o wartości ponad 364,4 mln zł.

MK, źródło: Forum Akademickie

Website created in white label responsive website builder WebWave.