Verification of FEM modelling of composite materials based on the results of static strength test *

ABSTRACT: The article presents the verification of FEM modelling of composite materials based on the results of static strength test. The aim of the work was to examine whether the applied modelling of composite materials is correct and verify it with finite element method (FEM). The composite structure of the PW-6U glider was used as a model. In the program the numerical model (geometry and finite element mesh) of the glider’s wing was created. The wing is made of glass fabrics and a spar with flanges with a glass roving. The composite structure of the wing, including composition, layout and thickness of laminate layers, fiber arrangement was exactly modelled in the program and then subjected to loads. Having the measurements from the static strength tests of the glider, the numerical results were compared with the experimental results. Thanks to the applied modelling, the obtained numerical results were satisfactory and very close to the experimental results from the structural static tests of the glider. Therefore, it can be concluded that the conducted verification of FEM modelling of composite materials is correct. Nowadays application of composite materials is increasingly expanding. Therefore, the modelling of composites becomes a significant issue. FEM modeling allows verification of the structure. At the stage of modelling modifications can be implemented and thus time and costs associated with subsequent changes in the production process may be saved. This is a very good solution which already at the design stage of the structure allows examination of its strength.

KEYWORDS: composite material, laminate, modelling, finite element method (FEM)

STRESZCZENIE: Artykuł prezentuje weryfikację modelowania MES materiałów kompozytowych na podstawie wyników statycznej próby wytrzymałościowej. Celem pracy było zbadanie, czy zastosowane modelowanie kompozytów jest prawidłowe, i zweryfikowanie tego metodą elementów skończonych (MES). Jako modelu użyto konstrukcji kompozytowego szybowca PW-6U. W programie wykonano model obliczeniowy (geometrię oraz siatkę elementów skończonych) skrzydła szybowca. Skrzydło jest zbudowane ze szklanych tkanin oraz dźwigara z pasami z włókna szklanego. Kompozytową strukturę skrzydła, opisaną m.in. przez rozmieszczenie, układ i grubość warstw oraz ułożenie włókien, dokładnie zamodelowano w programie, a następnie poddano obciążeniom. Na podstawie pomiarów ze statycznych prób wytrzymałościowych szybowca porównano wyniki numeryczne z wynikami eksperymentalnymi. Dzięki zastosowanemu modelowaniu uzyskano zadowalające wyniki numeryczne, bardzo zbliżone do wyników eksperymentalnych z prób statycznych szybowca. Dlatego można stwierdzić, że przeprowadzona weryfikacja modelowania MES materiałów kompozytowych jest prawidłowa. W dzisiejszych czasach zastosowanie materiałów kompozytowych coraz bardziej się rozszerza. Dlatego modelowanie kompozytów staje się istotnym zagadnieniem. Modelowanie metodą elementów skończonych pozwala na weryfikację konstrukcji. Na etapie modelowania można dokonać jeszcze ewentualnych modyfikacji i tym samym zaoszczędzić czas oraz ograniczyć późniejsze koszty związane ze zmianami w procesie produkcji. Jest to bardzo dobre rozwiązanie, które już w fazie projektowania konstrukcji pozwala na zbadanie jej wytrzymałości.

SŁOWA KLUCZOWE: materiały kompozytowe, laminat, modelowanie, metoda elementów skończonych (MES)

BIBLIOGRAFIA / BIBLIOGRAPHY:

• Kaczorowski M., Krzyńska A. „Konstrukcyjne materiały metalowe, ceramiczne i kompozytowe”. Warszawa: Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, 2017, pp. 271–275.
• Kaw A.K. “Mechanics of Composite Materials”. 2^nd Edition. Florida: CRC Press Taylor & Francis Group, 2006, pp. 34–38, 369–430.
• Roeseler W.G., Sarh B., Kismarton M.U., The Boeing Company. “Composite structures: the first 100 years”. Kyoto: 16^th International Conference on Composite Materials. 2007.
• Boczkowska A., Krzesiński G. „Kompozyty i techniki ich wywtarzania”. Warszawa: Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, 2016, pp. 72–74, 153–154.
• Jones R.M. “Mechanics of Composite Materials”. 2^nd Edition. Philadelphia: Taylor & Francis, 1999, pp. 26–53.
• Vlot A. “Glare”. Dordrecht: Kluwer Academic Publishers, 2001, pp. 1–2.
• King D., Inderwildi O., Carey C. “Advanced aerospace materials: past, present and future”. Aviation and the Environment. 2009, pp. 22–27.
• Oczoś K.E. „Kompozyty włókniste – właściwości, zastosowanie, obróbka ubytkowa”. Mechanik. 7 (2008): pp. 578–582.
• “World Airliner Directory, Special Report, Airbus A350”. Flight International. 188, 5515 (2015): pp. 32–33.
• Doświadczalne Warsztaty Lotniczych Konstrukcji Kompozytowych Spółka z o.o. „Instrukcja użytkowania w locie szybowca B1-PW-5”. 2001.
• Zespół Naukowo-Badawczy Lotniczych Konstrukcji Kompozytowych. „Dokumentacja techniczna szybowca PW-6U”. Warszawa: Politechnika Warszawska, Instytut Techniki Lotniczej i Mechaniki Stosowanej, 1996.
• Reddy J.N. “An Introduction to the Finite Element Method ”. 2^nd Edition. United States of America: McGraw-Hill, Inc., 1993, pp. 5–6.
• Wiśniowski W. „Sztywność i utrata sztywności konstrukcji lotniczych”. Prace Instytutu Lotnictwa. 214 (2011): pp. 15–23.
• Matthews F.L., Davies G.A.O., Hitchings D., Soutis C. “Finite Element Modelling of Composite Materials and Structures”. Cambridge: Woodhead Publishing Limited, 2003, pp. 3–5, 71–93.
• Rumayshah K.K., Prayoga A., Agoes Moelyadi M. “Design of High Altitude Long Endurance UAV: Structural Analysis of Composite Wing using Finite Element Method”. Journal of Physics: Conference Series. 5^th International Seminar of Aerospace Science and Technology. 1005, 1 (2018): pp. 1–11.
• Shetty B.P., Reddy S., Mishra R.K. “Finite Element Analysis of an Aircraft Wing Leading Edge Made of GLARE Material for Structural Integrity”. Journal of Failure Analysis and Prevention. 17, 5 (2017): pp. 948–954.
• Splichal J., Pistek A., Hlinka J. “Dynamic tests of composite panels of aircraft wing”. Progress in Aerospace Sciences. 78 (2015): pp. 50–61.
• Barkanov E., Ozoliņš O., Eglītis E., Almeida F., Bowering M.C., Watson G. “Optimal design of composite lateral wing upper covers. Part I: Linear buckling analysis”. Aerospace Science and Technology. 38 (2014): pp. 1–8.
• Zespół Naukowo-Badawczy Lotniczych Konstrukcji Kompozytowych. „Program prób statycznych szybowca PW-6 (wersja użytkowa)”. Nr dokumentu PW-6/PPSU/I/99. Warszawa: Politechnika Warszawska, Instytut Techniki Lotniczej i Mechaniki Stosowanej, 1999.
• Przedsiębiorstwo doświadczalno-produkcjne szybownictwa. „Sprawozdanie z prób statycznych szybowca PW-6”. Nr dokumentu PW-6/ SPS-U/I/99. Bielsko-Biała, 1999.
• MSC Software Corporation. “Linear Static Analysis User’s Guide”. 2018.

DOI: https://doi.org/10.17814/mechanik.2019.2.23

 

* Artykuł recenzowany