Tzw. „dopasowane laminaty” zaczynają znajdować coraz szersze zastosowanie w nowoczesnych rozwiązaniach konstrukcyjnych, wymagających zazwyczaj niestandardowych właściwości mechanicznych. Na badania Pani doktor otrzymała grant z Narodowego Centrum Nauki, w ramach konkursu OPUS 24, w wysokości ponad 1,2 mln zł.

Badania dr inż. Katarzyny Falkowicz będą dotyczyć analizy stateczności i nośności 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 one wysokimi właściwościami sztywnościowymi i wytrzymałościowymi, przy jednoczesnym zachowaniu stosunkowo niskiej masy własnej. Dlatego są tak szeroko stosowane m.in. w: konstrukcjach lotniczych, rozwiązaniach budowlanych oraz motoryzacyjnych.

Jak zaznacza Pani doktor 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, jak np. efekt paczenia się laminatu podczas procesu wytwarzania. Dlatego też układy niesymetryczne wymagają bardziej zaawansowanych metod analizy w porównaniu do tradycyjnych płyt izotropowych oraz ortotropowych wykonanych w układach symetrycznych.

Efektem badań eksperymentalnych będzie określenie wpływu dobranych niesymetrycznych układów warstw oraz sprzężeń mechanicznych na lokalną utratę stateczności i zniszczenie cienkościennych konstrukcji kompozytowych pod obciążeniem ściskającym.

– Przeprowadzone w ostatnim czasie przeze mnie, jak i przez innych naukowców 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. Mówiąc o interakcjach mam na myśli interakcję przyczynowo-skutkową i tak 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.

Zadaniem pani doktor jest tak dobrać projektowane sprzężenia mechaniczne, aby uzyskać strukturę o poszukiwanych właściwościach mechanicznych. Dobór odpowiednich sprzężeń mechanicznych ma bowiem istotny wpływ na wartość obciążenia krytycznego oraz nośność cienkościennych konstrukcji kompozytowych.

W pracy wykorzystane zostaną interdyscyplinarne metody badawcze, łączące ze sobą m.in. testy statycznego ściskania badanych struktur kompozytowych z wykorzystaniem uniwersalnej maszyny wytrzymałościowej, czy pomiar przemieszczeń w trakcie procesu odkształcania przy użyciu optycznego systemu pomiarowego Aramis 3D. Działanie systemu pomiarowego ARAMIS 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.

Projekt stanowi kontynuację badań, realizowanych w ramach wcześniej realizowanego pod kierownictwem doktor Falkowicz grantu NCN PRELUDIUM pt. „Badania numeryczne i eksperymentalne ściskanych kompozytowych płyt z centralnym wycięciem”, za który Pani doktor została uhonorowana nagrodą „Naukowiec Przyszłości” w kategorii: „Nauki ścisłe i techniczne dla innowacyjnej przyszłości”, podczas uroczystej gali Forum Inteligentnego Rozwoju w Toruniu 2021 r.

Konkurs OPUS jest skierowany do naukowców na wszystkich etapach kariery. W bieżącej edycji wpłynęło 1921 wniosków na łączną kwotę niemal 2,7 mld zł. Po przeprowadzeniu procesu oceny formalnej i merytorycznej eksperci zakwalifikowali do finansowania 224 wnioski o wartości ponad 364,4 mln zł, w tym 93 wnioski złożone w obszarze „nauki ścisłe i techniczne”.

Dr inż. Katarzyna Falkowicz pracuje w Katedrze Podstaw Konstrukcji Maszyn i Mechatroniki na Wydziale Mechanicznym. Naukowo zajmuje się mechaniką i zniszczeniami materiałów kompozytowych oraz analizą zagadnień stateczności i nośności cienkościennych konstrukcji kompozytowych. Jest autorką i współautorką ponad 50 publikacji naukowych, a także 4 zgłoszeń patentowych.

Źródło: nowa Energia