Akadēmiskais centrshttps://doi.org/10.22364/mkm.58.6.10
Дж. Симон, А. Джайн
Mechanical Engineering Department, Indian Institute of Technology Kharagpur, Kharagpur, India-721302
Влияние типа упаковки на эквивалентный модуль упругости и концентрацию напряжений однонаправленных композитов
Полный текст: PDF (RUS)
Перевод с англ.
Изучен представительный элемент объема (ПЭО) с 11 типами регулярной упаковки волокон. Используя метод конечных элементов (МКЭ) и полуаналитическое многошаговое правило смесей, определен эффективный модуль упругости ПЭО, соответствующий разным типам упаковки волокон. Эквивалентный модуль упругости ПЭО зависит от типа упаковки. Все типы упаковки продемонстрировали наличие трансверсальной изотропии: различие численных значений эквивалентного модуля в двух поперечных направлениях менее 1%. Метод расчета, основанный на многоступенчатом правиле смесей, допускает изменение модулей упругости в случае разных типов упаковки и постоянно занижает значение эквивалентного модуля упругости по сравнению с рассчитанным МКЭ. Значение эффективного модуля упругости для случайной упаковки наиболее близко к таковому при удлиненной треугольной упаковке. Распределение напряжения на поверхности раздела волокно—матрица существенно зависит от типа упаковки и направления нагружения. Наиболее разреженный усеченный гексагональный тип упаковки продемонстрировал наибольшее значение эквивалентного модуля упругости и наибольшую концентрацию напряжений на поверхности раздела. Наиболее плотный треугольный тип упаковки обусловливает наименьшее значение модуля упругости и наименьшую концентрацию радиальных напряжений.
Ключевые слова: композиты однонаправленные, моделирование конечно-элементное, гомогенизация, концентрация напряжений, тип упаковки регулярный
Поступила в редакцию 29.07.2021
Окончательный вариант поступил 28.01.2022
J. Simon and A. Jain
The effect of packing type on the equivalent modulus and stress concentrations of unidirectional composites
A representative volume element (RVE) with 11 uniform fiber packings is studied. The effective modulus of RVE corresponding to the different packing types is evaluated using the finite-element modelling and a semianalytical multistep rule of mixtures. The equivalent modulus of the RVE depends on the packing type. All the packing types displayed a strong transverse isotropy with less than a 1% variation in equivalent modulus in the two transverse directions. The multistep rule of mixtures could allow for changes in the moduli due to the different packing types. However, this method consistently underpredicted the equivalent modulus compared with full FE results. The effective modulus for the random packing closest to that of the elongated triangular packing type. The stress distribution in the interface varied strongly with packing type and loading direction. The sparsest packing type, i.e., the truncated hexagonal one led to both the highest equivalent modulus and the highest stress concentrations in the interface. The densest packing type, i.e., the triangular packing, led to the lowest modulus and lowest radial stress concentrations.
Keywords: unidirectional composites, finite-element modelling, homogenization, stress concentrations, uniform packing types
Received July 29, 2021 (Jan. 28, 2022)
Статья на английском языке: Springer