ing. anca elena p Ătr Ănescu (c ăs....

UNIVERSITATEA “TRANSILVANIA” DIN BRA ŞOV FACULTATEA DE INGINERIE MECANIC Ă

ing. Anca Elena PĂTRĂNESCU (căs. STANCIU)

CONTRIBUŢII LA DETERMINAREA PROPRIET ĂŢILOR MECANICE ALE COMPOZITULUI DE TIP MAT-ROVING, UTILIZAT LA

RECIPIENTE CILINDRICE Rezumatul tezei de doctorat

CONTRIBUTIONS TO THE MECHANICAL PROPERTIES

DETERMINATIONS OF THE MAT-ROVING COMPOSITE MATERIAL S USED FOR CYLINDRICAL CONTAINERS

Abstract of PhD Thesis

Conducători ştiin ţifici,

Prof. dr. ing. Ioan CÂNDEA

Membru al Academiei de Ştiin ţe Agricole şi Silvice din România

Prof. univ. dr. ing. dr.h.c. Ioan CURTU

Membru titular al Academiei de Ştiin ţe Tehnice din România Membru al Academiei de Ştiin ţe ale Naturii a Federaţiei Ruse

2010 Braşov

Contribuţii la determinarea proprietăţilor mecanice ale compozitului de tip MAT-Roving, utilizat la recipiente cilindrice

1

MINISTERUL EDUCA ŢIEI, CERCET ĂRII, TINERETULUI ŞI SPORTULUI

Universitatea “Transilvania” din Bra şov BRAŞOV, B-dul EROILOR, Nr. 29, 500036

Tel. 0268413000, Fax.+40-0268410525 _____________________________________________________

D-nei/lui ...................................................................................................................

COMPONENŢA Comisiei de doctorat

Numită prin Ordinul Rectorului Universit ăţii Transilvania din Bra şov 4214/27.09.2010

PREŞEDINTE Prof. univ. dr. ing. Anghel CHIRU Decan - Facultatea de Inginerie Mecanică Universitatea Transilvania din Braşov

CONDUCĂTOR ŞTIIN ŢIFIC

Prof. univ. dr. ing. Ioan CURTU Universitatea Transilvania din Braşov

REFERENŢI ŞTIIN ŢIFICI

Prof. univ. dr. ing. Anton HADĂR Universitatea Politehnica din Bucureşti Prof. univ. dr. ing. Dan Mihai CONSTANTINESCU Universitatea Politehnica din Bucureşti Prof. univ. dr. ing. mat. Sorin VLASE Universitatea Transilvania din Braşov

Data, ora şi locul susţinerii publice a tezei de doctorat: 28 ianuarie 2011, ora 12:30, Colina

Universitafii, corp C, sala CP8

Eventualele aprecieri şi observaţii asupra lucrării vă rugăm sa le transmiteţi în timp util pe adresa Universiăţii Transilania din Braşov sau pe adresa de e-mail:

[email protected]


1

Cuprins

Pg. rezumat

Pg. teză

1. STADIUL ACTUAL PRIVIND MATERIALELE COMPOZITE ARMATE CU FIBRE

5 9

1.1. Sinteza privind problematica materialelor compozite armate cu fibre 5 9 1.2. Aspecte generale privind materialele compozite polimerice 5 11

1.2.1. Importanţa studiului şi optimizării structurii materialelor compozite - 13 1.2.2.Materiale compozite întărite cu fibre continue - 15 1.2.3.Materiale compozite întărite cu fibre discontinue - 16

1.3. Studiul privind materialele compozite armate cu fibră de sticlă 6 16 1.3.1. Caracteristicile principale ale fibrei de sticlă - 17 1.3.2. Proprietăţile materialului compozit 6 17 1.3.3. Compoziţia şi structura materialelor armate cu fibră de sticlă - 18 1.3.4. Compararea proprietăţilor materialelor de tip GRP - 20 1.3.5. Proprietăţi ale materialelor compozite pe termen scurt - 20

1.4. Importanţa, utilizarea materialele compozite polimerice şi factorii care influenţeaza structura acestora

7 21

1.4.1. Importanţa folosirii materialelor compozite comparativ cu materialele clasice

7 21

1.4.2. Factorii care acţionează asupra materialelor compozite 7 22 1.4.3. Domenii de utilizare a materialelor compozite 8 22 1.4.4. Fire şi ţesături utilizate la realizarea materialelor compozite armate cu

fibre 9 28

1.5. Concluzii privind utilizarea şi conceperea materialelor compozite 10 31 2. OBIECTIVELE TEZEI DE DOCTORAT 11 32 3. MODELAREA ŞI ANALIZA CU METODA ELEMENTULUI FINIT

A MATERIALELOR COMPOZITE DIN FIBRĂ DE STICLĂ 12 33

3.1. Metode de cercetări teoretice cu privire la materialele compozite 12 33 3.1.1. Evoluţia metodei elementului finit 12 33 3.1.2. Abordare matematică MEF, metode numerice şi modele utilizate în

tehnică 12 36

3.1.3. Analiza proprietăţilor materialelor compozite cu fibre - 36 3.1.4. Criterii de discretizare a continuumului în elemente finite 13 37

3.2. Metoda elementelor finite pentru calculul structurilor din materiale compozite armate cu fibre

16 44

3.2.1. Discretizarea structurii în elemente finite 16 45 3.2.2. Element finit inelar – curb - 46 3.2.3. Element finit cu dublă curbură - 48

3.3. Analiza cu metoda elementului finit a modelului ”rezervor” 17 61 3.3.1. Definirea geometrică a modelului 17 62 3.3.2. Discretizarea modelului (MESH-ul) 18 63 3.3.3. Definirea caracteristicilor materialelor ortotrope 19 65 3.3.4. Definirea compozitului laminat 20 66 3.3.5. Definirea condiţiilor limit ă pentru compozitul laminat 24 73 3.3.6. Cazurilor de încărcare 25 74 3.3.7. Analizarea modelului cu programul MSC.Patran 25 74 3.3.8. Rezultatele obţinute utilizând MSC.Patran şi MSC.Nastran privind

deformaţiile şi tensiunile modelului geometric realizat 25 75

3.3.9. Rezultatele obţinute utilizând MSC.Patran şi MSC.Nastran privind tensiunile din epruvete

33 87

3.4. Concluzii privind analiza modelului cu metoda elementelor finite 38 93


2

4. CERCETĂRI EXPERIMENTALE ALE MATERIALELOR COMPOZITE ŞI ANALIZA REZERVORULUI

40 95

4.1. Consideraţii privind problematica cercetărilor experimentale ale materiale polimerice şi compozite polimerice

40 95

4.2. Tipuri de epruvete, determinarea proprietăţilor mecanice ale materialelor compozite pentru încercările la tracţiune şi încovoiere

41 99

4.2.1. Operaţiuni cu privire la obţinerea şi realizarea epruvetelor din material compozit pentru cercetările experimentale

41 99

4.2.2. Solicitarea la tracţiune a epruvetelor din material compozit, stratificat - fibră de sticlă

41 101

4.2.3. Solicitarea la încovoiere a epruvetelor din material compozit, stratificat - fibră de sticlă

42 103

4.3. Aparatura necesară pentru încercări la tracţiune şi încovoiere 42 107 4.3.1. Maşina de testat la tracţiune 42 107 4.3.2. Maşina de testat la încovoiere 43 108

4.4. Rezultate experimentale pentru materialele compozite folosite în construcţia rezervorului

43 108

4.4.1. Rezultatele obţinute la solicitarea de tracţiune a epruvetelor 45 111 4.4.2. Rezultatele obţinute la încovoiere 49 114

4.5. Concluzii privind experimentele efectuate la tracţiune şi încovoiere 53 118 4.6. Analiza cu traductoare electrotensometrice rezistive (TER) pentru

materialul compozit studiat 53 118

4.6.1. Aspecte privind tensometria electro rezistivă 53 118 4.6.2. Principiul de funcţionare al TER 54 119 4.6.3. Caracteristicile TER 54 121 4.6.4. Rezultatele experimentale cu TER pentru rezervorul studiat 54 121 4.6.5. Analiza epruvetelor cu TER între straturile materialului 56 123 4.6.6. Concluzii obţinute în urma analizei cu TER 60 128

4.7. Analiza metalografică şi microscopică 60 129 4.7.1. Concluzii pentru analiza metalografică 64 134 4.7.2. Concluzii privind analiza microscopică 64 134

5. CONCLUZII, CONTRIBUŢII PERSONALE ŞI DIRECŢII VIITOARE

65 135

5.1. Concluzii 65 135 5.2. Contribuţii teoretice şi experimentale 66 136

5.2.1. Din punct de vedere teoretic 66 136 5.2.2. Din punct de vedere experimental 67 137

5.3. Perspective şi direcţii viitoare de cercetare 69 139 Bibliografie 70 140 ANEXE - 148


3

Prefaţă

” Ştiinţa reprezintă cunoaşterea organizată. Înţelepciunea înseamnă viaţă organizată.” Immanuel Kant

Cercetările efectuate în această lucrare de doctorat se încadrează în domeniile prioritare de cercetare, la nivel european şi naţional: 7. Materiale, procese şi produse inovative; 7.1. Materiale avansate (conform PNII). Studiile experimentale au urmărit optimizarea proprietăţilor mecanice ale materialele compozite armate cu fibre scurte (MAT) şi/sau cu ţesătură din fibră de sticlă (Roving), prin modelarea structurii compozitelor, precum şi prin determinarea continuităţii şi a reproductibilităţii semifabricatelor realizate din aceste materiale.

Teza este structurată în cinci capitole cuprinzând, în prima parte, stadiul actual în domeniul materialelor compozite armate cu fibre şi a mijloacelor de evaluare a proprietăţilor mecanice, prin modelarea cu element finit, iar în partea a doua sunt prezentate cercetările experimentale: obţinerea, testarea şi optimizarea materialelor compozite MAT şi MAT - Roving.

Capitolul 1 (Stadiul actual privind materialele compozite armate cu fibre) prezintă o descriere generală a materialelor compozite, a stadiului actual de dezvoltare a materialelor armate cu fibre, ţesături sau răşini, proprietăţile acestor materiale şi domeniile de utilizare.

Capitolul 2 (Obiectivele tezei de doctorat) prezintă scopul principal, precum şi obiectivele specifice ale tezei. Teza propune contribuţii importante în modelarea structurii materialelor compozite armate cu fibre, cu proprietăţi mecanice optimizate (tensiuni şi deplasări mecanice reduse).

Capitolul 3 (Modelarea şi analiza cu metoda elementului finit a materialelor compozite) descrie programele utilizate în cadrul lucrării pentru modelarea şi analiza compozitelor cu metoda elementului finit (MEF): preprocesorul şi postprocesorul MSC.Patran şi procesorul MSC.Nastran. Folosirea acestor programe a condus la simplificarea procesului de proiectare şi realizare a compozitelor armate cu fibre scurte (MAT) şi/sau cu ţesătură din fibră de sticlă (Roving). Utilizând metoda elementului finit s-a stabilit compoziţia optimă a compozitelor.

Capitolul 4 (Cercetări experimentale ale materialelor compozite şi analiza rezervorului) prezintă proiectarea, obţinerea şi testarea epruvetelor realizate din materiale polimerice armate cu fibră de sticlă. În acest capitol sunt detaliaţi parametrii cu influenţă semnificativă asupra proprietăţilor compozitelor, cum ar fi de exemplu poziţia, orientarea şi dimensiunile straturilor componente ale epruvetelor. Aceşti parametrii s-au variat în scopul optimizării proprietăţilor mecanice ale compozitelor. Sunt prezentate, de asemenea şi studiile referitoare la analiza deformaţiilor prin metoda metalografică şi tensometriei cu TER.

Capitolul 5 (Concluzii şi contribuţii personale şi direcţii viitoare de cercetare) sintetizează rezultatele obţinute pe parcursul acestui studiu şi oferă recomandări pentru aplicaţii specifice precum şi pentru cercetările ulterioare.

Prin contribuţiile personale aduse la modelarea structurilor materialelor compozite armate cu fibre precum şi prin determinarea continuităţii şi a reproductibilităţii semifabricatelor, teza aduce un aport la cunoaşterea comportării materialului compozit de tip MAT - Roving şi tip Roving.

Diseminarea rezultatelor cercetărilor a fost realizată prin publicare în reviste naţionale 6 lucrări, participarea în cadrul conferinţelor naţionale şi internaţionale cu 36 de articole, din care 11 ISI, precum şi realizarea a două monografii.


4

Foreword

”Science is organized knowledge. Wisdom is organized life.” Immanuel Kant

The research done in this PhD thesis is in the framework of the European and national research priorities: 7. Materials, innovative processes and products, 7.1. Advanced materials (in accordance with PNII). The studies were focused on the optimization of the mechanical properties of composite materials reinforced with short fibers (MAT) and/or with fiberglass fabric, by modeling the composite structure and by assessing the continuity and reproducibility of the preformed parts made from these composites.

The thesis is structured on five chapters which include, in the first part, the state of art in the field of composite materials reinforced with fibers and the methods for evaluating their mechanical properties by finite element modeling, while the second part presents the experimental part: obtaining, testing and optimization of the MAT and MAT – Roving composite materials.

Chapter 1 (State of art in the field of fiber reinforced composites) presents a general description of the composites materials, the state of art concerning fiber, fabric or resins reinforced composites, their properties and application.

Chapter 2 (PhD thesis aim)) presents the main and the specific objective of this PhD thesis. The thesis proposes important contributions in modeling the fiber reinforced composites structure, with optimized mechanical properties (low mechanical stresses and displacements).

Chapter 3 (Composite materials modeling and finite element analysis) describes the software programs used in this work for modeling and procedure for composites analysis with finite element analysis (FEM): MSC.Patran and MSC.Nastran. The use of these tools has simplified designing and the obtaining process of the Mat and Mat-Roving composites. The composition of the composites was optimized by FEM.

Chapter 4 (Experimental part concerning composites materials and a reservoir made from these composites) presents the designing part, obtaining and testing the samples made from polimeric materials reinforced with glass fibers. In this chapter are also described the parameters that have a significant influence on the composites properties, for example: position, orientation and film thickness of the composites components. These parameters were varied in order to obtain optimum mechanical properties for the composites. Studies referring at the metallographic analysis done for deformation analysis and tensometers are also presented in this chapter.

Chapter 5 (Conclusions, personal contributions and future research directions) synthesizes the research result obtained in this work and it presents recommendations for specific applications and future research.

The personal contributions in the field of modeling composite materials reinforced with fiber and analysis of the semi-products continuity and reproducibility have considerably extended the knowledge referring at the MAT - Roving and Roving composites.

The dissemination of the research results was achieved by publishing 6 papers in national journals, participation in national and international conferences with 36 papers, out of which 11 are ISI indexed, as well as two monographies.


5

CAP. 1

1. STADIUL ACTUAL PRIVIND MATERIALELE COMPOZITE ARMATE CU FIBRE

1.1. Sinteza privind problematica materialelor compozite armate cu fibre

Progresele înregistrate în ultimii 30 ani în domeniul materialelor compozite se datorează dezvoltării f ără precedent a principalelor ramuri ale industriei printre care pot fi citate: electrotehnica, electronica, construcţiile de maşini, aeronautice, aerospaţiale şi de ambarcaţiuni, construcţia de clădiri sau elemente de infrastructură (parapete, poduri, cabluri de comunicaţii etc.). Toate aceste industrii sunt cunoscute ca mari consumatoare de materiale compozite.

S-a observat că în SUA consumul de materiale compozite în perioada 2005-2006 este de 2 milioane tone, cu o creştere de 4% pe an [168]. Destinaţia acestor produse este prezentată în figura 1.1.

Fig. 1.1 Destinaţia materialelor compozite utilizate în SUA în perioada 2005-2006 [168]

La dezvoltarea domeniului compozitelor, o contribuţie însemnată a fost adusă de progresele

semnificative din domeniul chimiei şi chimiei-fizice, care au permis obţinerea şi diversificarea unei noi clase de astfel de materiale şi anume cea a compozitelor polimerice.

1.2. Aspecte generale privind materialele compozite polimerice

Materialele compozite reprezintă o combinaţie de materiale, alăturate, pentru a se obţine materiale cu proprietăţi noi, îmbunătăţite, necesare pentru un anumit tip de aplicaţie.

Ca procedeu general, un compozit se compune dintr-un material de bază, numit matrice, în general cu proprietăţi slabe, dar cu preţ de cost scăzut, întărit cu alte materiale, sub formă de fibre continue, fibre scurte sau particule care au proprietăţi mecanice, fizice sau chimice deosebite.

Fibrele de sticlă prezintă câteva calităţi care le recomandă ca elemente de ranforsare pentru materiale compozite de uz general. Printre aceste calităţi se pot enumera [168]: rezistenţă mecanică mare, modul de elasticitate ridicat, conductibilitate termică mică, rezistenţă la coroziune, higroscopicitate redusă, etc. .

În funcţie de forma şi dimensiunile relative atât a componentei de armare cât şi a structurii, se pot delimita următoarele clase de materiale compozite [115]:

• Materiale compozite armate cu particule – la care dimensiunea principală a componentei de armare (de ex.: granule de sticlă, fibre tocate, etc.) este mică în comparaţie cu dimensiunile structurii; • Materiale compozite filamentare – la care una dintre dimensiunile componentei de armare (de ex.: panglică sau pânză unidirecţională) este de acelaşi ordin de mărime cu dimensiunile structurii;


6

• Materiale compozite stratificate – la care două dimensiuni principale ale constituenţilor sunt de acelaşi ordin de mărime cu dimensiunea structurii.

În general, proprietăţile materialelor compozite sunt puternic influenţate de: natura constituenţilor şi proprietăţile lor; fracţiunea volumică a componentei de armare şi orientarea ei în compozit; rezistenţa mecanică a interfeţei matrice – componentă de armare.

În cazul materialelor compozite polimerice armate cu fibre, orientarea fibrelor influenţează decisiv anizotropia materialului. Acest lucru determină una dintre caracteristicile fundamentale ale acestor materiale şi anume posibilitatea de a controla această anizotropie printr-o alegere adecvată a orientării fibrelor pentru a prelua sarcinile din exploatare.

1.3. Studiul privind materialele compozite armate cu fibră de sticlă

Gama variată de proprietăţi care se pot obţine din materiale plastice armate cu fibre de sticlă (GRP) a făcut posibilă folosirea lor în multe aplicaţii, pornind de la produsele electrice de mici dimensiuni, până la producţia de ambarcaţiuni mari, rezervoare.

Proprietăţile GRP- urilor trebuie analizate şi înţelese în strânsă legătură cu tipurile sau clasele de materiale rezultate prin diferite metode şi condiţii de prelucrare, prin alegerea constituenţilor, a tipului lor şi a raportului greutate/volum. Aceste aspecte au influenţă directă asupra reacţiei şi comportamentului materialului aşa cum reiese din datele referitoare la măsurarea proprietăţilor. În plus, trebuie avut în vedere un context mai larg al metodelor de măsurare folosite, precum şi incertitudinea datelor.

Materialele armate cu fibră de sticlă care se comercializează sunt formate în principal dintr-o singură clasă de fibră (de exemplu, clasă E), dar cu o gamă largă de tipuri de fibre (mat, ţesătură, rovinguri unidirecţionale), tipuri de răşini şi aditivi, precum şi tehnici de prelucrare variate. Aceste alegeri duc la obţinerea unor materiale cu o gamă largă de proprietăţi. Gama de răşini, atât cele termoplastice, cât şi cele termorigide utilizate cu fibrele de sticlă s-a extins de asemenea în ultimii ani.

1.3.2. Proprietăţile materialului compozit

În majoritatea proiectelor preliminarii, inclusiv industria aerospaţială, prima configuraţie de design are o precizie estimată de 10-20%. La acest nivel, datele generice sunt de obicei satisfăcătoare deoarece incertitudinea mai mare provine din condiţiile de sarcină aplicate. De ex.: multe compozite sunt folosite în situaţii limit ă de deplasare sau se rup la compresiune prin flambaj premergător unei cedări prin încovoiere compresivă [101].

Tabel 1.1Tipuri de fibră de sticlă şi principalele caracteristici [101]

Tip fibră Caracteristici principale E C D

S-2 şi R AR

ECR

Fibre de bază, uşor disponibile Rezistenţă mai mare la coroziune Frecvenţă radio clară Rezistenţă mare Rezistenţă la alcaloizi Rezistenţă la acizi

Flexibilitatea proiectării materialului compozit a întârziat integrarea completă a acestor materiale datorită lipsei unor caracteristici specifice, echivalente cu specificaţiile aliajelor metalice şi bazelor de date asociate.


7

1.4. Importan ţa, utilizarea materialelor compozite polimerice şi factorii care influenţează structura acestora

1.4.1. Importanţa folosirii materialelor compozite comparativ cu materialele clasice

Materialele clasice (metale, ceramici, lemn) se obţin din resurse limitate, prin procese puternic poluante, energo-intensive şi cu consum ridicat de substanţe. Prelucrarea acestor materiale este mai degrabă dificil ă, necesitând echipamente şi procese complexe. Pe de altă parte, în general materialele clasice prezintă o instabilitate chimică, suferind procese de coroziune sau degradare semnificativă în timp. Biodegradabilitatea unor astfel de materiale ridică de asemenea probleme importante în contextul unei dezvoltări durabile.

Priorităţile de cercetare din domeniul materialelor se referă la reducerea consumului de energie pentru procesele de obţinere, minimizarea impactului asupra mediului înconjurător, asigurarea necesarului de materiale pentru o populaţie din ce în ce mai dezvoltate. În acest context proiectarea de materiale cu cost scăzut şi prin tehnologii simple, cu emisii de substanţe poluante minime, este o prioritate.

Utilizarea materialelor polimerice reprezintă un mijloc de evitare a dezavantajelor materialelor clasice. Proprietăţile superioare ale acestor materiale le recomandă pentru o gamă variată de aplicaţii. Polimerii prezintă o rezistenţă chimică bună, proprietăţi mecanice deosebite, au densitate mică, ceea ce facilitează prelucrabilitatea, manipularea şi transportul acestora, sunt impermeabili faţă de apă, solvenţi organici şi gaze. Mai mult, proprietăţile polimerilor pot fi controlate prin sinteza şi adaptate aplicaţiei.

1.4.2. Factorii care acţionează asupra materialelor compozite

Atunci când se abordează tema influenţei factorilor de mediu agresiv asupra materialelor compozite, atenţia se concentrează pe acţiunea lor asupra componentelor de structură: fibre, matrice şi legătura fibră-matrice.

Acest lucru se datorează faptului că distrugerea şi ruperea materialelor compozite se poate întâmpla într-o varietate de moduri de rupere incluzând: • ruperea fibrelor - se întâmpla în principal sub acţiunea sarcinilor de tracţiune; • microfisurarea matricei - indică apariţia fisurilor microscopice în matricea polimerică;

• fisurarea matricei - este similară cu microfisurarea; • distrugerea legăturii fibră-matrice - în urma căreia fibrele de armare se desprind de matrice; • exfolierea - sau desprinderea straturilor unui material compozit stratificat (delaminarea).

Factorii de mediu agresiv, prezentaţi anterior, vor influenţa caracteristicile materialului compozit atât la nivel microscopic cât şi la nivel macroscopic. Acest lucru se va reflecta în mod evident asupra stării de tensiune şi deformaţie. Cu toate că mediul agresiv are o influenţă negativă asupra structurii materialelor compozite, totuşi aceste materiale se folosesc la scara mare [19].

Criteriile care s-au luat în calcul când s-a optat pentru înlocuirea anumitor părţi dintr-o structură, executate din materiale tradiţionale, cu piese produse din materiale compozite au fost: raport rezistenţă-greutate redus, rezistenţă la uzură, coroziune, temperatură, proprietăţi dielectrice, caracterul nemagnetic şi nu în ultimul rând preţul de cost scăzut.

1.4.3. Domenii de utilizare a materialelor compozite

Nu există practic nici un domeniu, fie că este vorba de ramuri de vârf ale tehnicii sau de


8

industrii tradiţionale, în care materialele compozite să nu fie utilizate. Principalele tipuri de aplicaţii ale acestor tipuri de materiale pentru ramurile din industrie,

insistându-se pe domeniile în care mediul înconjurător îşi pune amprenta asupra stării de tensiune şi

deformaţie. În figura 1.6 sunt prezentate schematic domeniile de utilizare a materialelor compozite

[22].

Fig. 1.6 Direcţiile de aplicare ale materialelor compozite [22]

Printre piesele din care sunt executate din materiale compozite se pot enumera: recipiente sub presiune, containere, rezervoare (figurile: 1.15 şi 1.17), elemente pentru placări anticorozive, exhaustoare, rezervoare, hote, coşuri de fum, turnuri de răcire, aparate care lucrează în medii corozive, conducte, valve turnate, lagăre, bucşe, pistoane, inele, garnituri de etanşare etc.

Recipienţii deschişi pot fi utilizaţi pentru: industria alimentară, recipienţi speciali pentru fermentaţie, cămine de apometre, destinaţii care ţin de necesităţile şi inventivitatea clientului.


9

Fig. 1.15 Rezervor armat cu fibră de sticlă cu

dimensiune de 100 mc [166]

Fig. 1.17 Rezervor în timpul fabricaţiei pentru aditivi

[163]

Proprietăţi şi avantaje ale produselor: structura integrală monobloc, durabilitate, etanşeitate, greutate şi densitate redusă în comparaţie cu metalul, rezistenţă la uzură mecanico-chimică a straturilor interioare, rezistenţă la razele ultraviolete a straturilor exterioare, fiabilitate ridicată, materiile prime utilizate şi accesoriile nu afectează conţinutul, exploatare comodă şi facilă [165].

Înlocuirea pieselor pe bază de materiale metalice cu componente realizate din materiale compozite s-a făcut ţinând cont şi de prezenţa factorilor agresivi din mediul în care acestea lucrează, asupra stării de tensiune şi deformaţie.

Rezervoarele armate cu fibră de sticlă prezintă calităţi net superioare materialelor tradiţionale, care le-au impus mai întâi în industria chimică (deosebit de rezistente la coroziune prin alegerea adecvată a răşinii de impregnare) şi ulterior în multe alte domenii. Se realizează atât recipienţi închişi cât şi deschişi.

Problemele prezentate şi concluziile aferente sunt rezultatul unei analize riguroase a literaturii de specialitate din domeniu.

1.4.4. Fire şi ţesături utilizate la realizarea materialelor compozite armate cu fibre

Tipuri de fire şi ţesături sunt prezentate în figurile 1.23, 1.30 şi 1.40. Dintre acestea amintim: ţesătură roving multiaxial; ţesătură mat împletită;suprafaţă camuflaj; ţesătură de acoperire;ţesătură roving; un singur fir roving; fir de roving; frânghie din fibră de sticlă; fire de cupru; ţesătură mat fibră;fibră de sticlă împletită; plasă; fibră de sticlă pânză; ţesătură unidirecţională; ţesătură răsucită unidirecţională.

Fig. 1.23 Ţesătur ă Roving [154]

Fig. 1.30 Structură tip fagure [152]

Fig. 1.40 MAT - fibre scurte

Fenomenele de rupere pot fi împărţite în două clase, cu mecanisme distincte: intralaminare

(fisurarea matricei, a fibrei) şi interlaminare (desprinderile laminelor). Nu puţine sunt situaţiile în care cele două mecanisme de rupere interacţionează. Ruperile interlaminare sunt foarte frecvente şi dificil de cuantificat în cazul general, datorită aşa-numitelor fenomene de interfaţă care din punct de vedere al ecuaţiilor comportării sub sarcina a unui anumit model sunt complicate. Mai recent se


10

încearcă folosirea unor materiale care să îşi modifice proprietăţile discret; pe grosime, prin aşezarea succesivă a unor straturi omogenizate cu proprietăţi diferite. Experţii în materiale încearcă să realizeze un material ale cărui proprietăţi să se modifice uniform, având un rol funcţional adaptat situaţiei concrete de încărcare şi utilizare.

Pentru a studia toate tipurile de materiale compozite şi de ţesături ar necesita foarte mult timp şi ar trebui să existe mai multe surse de informare, care vor trebui mereu reactualizate, pentru că apar noi şi noi tipuri de materiale şi ţesături.

1.5. Concluzii privind utilizarea şi conceperea materialelor compozite

Teza presupune o înţelegere ştiinţifico-tehnică a unor materiale compozite armate cu fibre, dar şi fundamentarea şi elaborarea unor metode noi şi performante de determinare a proprietăţilor mecanice ale acestora, utilizând metode experimentale şi o analiză cu elemente finite.

În ultimii ani, datorită rezultatelor cercetării ştiinţifice, a studiilor privind proprietăţile ale unor materiale, s-a trecut la realizarea materialelor compozite, care prezintă o serie de avantaje certe pentru o mare gamă de produse, avantaje dintre care menţionăm: • rezistenţa la tracţiune sporită; • durabilitate mare în funcţionare;

• coeficient de dilatare mic în raport cu metalele; • masa volumică mică în raport cu metalele (compozitele cu răşini epoxidice armate cu fibre);

• rezistenţa la şoc ridicată; • capacitate mare de amortizare a vibraţiilor; • siguranţă mare în funcţionare (ruperea unei fibre dintr-o piesă din compozit nu produce o amorsă de rupere a piesei, ca în cazul materialelor clasice); • consum energetic scăzut la elaborare, în comparaţie cu metalele (pentru obţinerea polietilenei se consuma 23 kcal/cm3, iar pentru oţel 158 kcal/cm3;

• rezistenţă la coroziune; • stabilitate termică şi rezistenţă mare la temperatură ridicată.

Este binecunoscut faptul că la producerea materialelor compozite, cunoaşterea exactă a valorilor constantelor mecanice prezintă o importanţă deosebită. Bineînţeles că valorile estimate pentru constantele elastice ale acestor materiale diferă, de multe ori sensibil, de valorile teoretice prezentate în prospecte. Efectuarea de încercări mecanice pentru determinarea valorilor reale reprezintă un lucru anevoios şi mai ales scump.


11

CAP. 2

2. OBIECTIVELE TEZEI DE DOCTORAT

Obiectivul principal al tezei este conceperea, realizarea şi optimizarea unui material compozit armat cu fibre pentru un recipient cilindric, caracterizat printr-o tehnologie simplă; dar şi cercetarea, fundamentarea şi elaborarea unor metode noi şi performante de determinare a proprietăţilor mecanice ale acestora, utilizând metoda experimentală şi o analiză cu metoda elementelor finite.

Stadiul actual al cercetărilor privind materialele compozite armate cu fibră de sticlă, a condus la optimizarea acestora, utilizând atât metoda teoretică, dar şi experimentală, stabilindu-se astfel următoarele obiective ale tezei: a) sistematizarea literaturii de specialitate privind tehnologia de obţinere a pieselor şi determinarea

caracteristicilor mecanice şi elastice ale materialelor compozite armate cu fibră de sticlă; b) specificarea componenţilor constituenţi ai materialului compozit, stabilirea parametrilor tehnologici

optimi ai procesului de obţinere a pieselor din materiale de tip: Roving, MAT - Roving; c) elaborarea unor modalităţi de determinare experimentală a caracteristicilor mecanice, stabilirea

influenţelor parametrilor de presare asupra caracteristicilor mecanice ale pieselor şi studierea influenţei modului de prelevare a acestor probe de tip: Roving, MAT - Roving;

d) obţinerea şi testarea epruvetelor, realizate din materialul rezervorului de tip MAT, Roving şi MAT - Roving, atât la tracţiune cât şi la încovoiere şi comparându-le cu valorile admisibile;

e) cercetări experimentale referitoare la stările de tensiuni şi deformaţii pe baza modelării cu element finit şi compararea rezultatelor obţinute pentru fiecare strat de material de tip: Roving şi MAT – Roving;

f) adaptarea teoriei omogenizării şi aplicarea ei la modelarea structurilor pieselor din materiale studiate; g) analiza deformaţiilor specifice pentru epruvetele realizate din materialul studiat cu ajutorul TER

pentru rezervor, dar şi pe fiecare strat cu TER, fiind comparate cu rezultatele obţinute cu elementul finit;

h) elaborarea unei metodologii de analiză microscopică în zona de rupere pentru fiecare epruvetă, în scopul determinării influenţei tipului de fibră, dar şi a utilizării roving-ului asupra modelării materialelor compozite armate cu fibre;

i) stabilirea unor măsuri practice de optimizare a materialului pentru rezervorul studiat în urma analizei cu elementul finit.

Teza reprezintă analiza detaliată a rezultatelor cercetărilor efectuate în acest domeniu, care au condus la obţinerea unor rezultate ce au permis publicarea unor lucrări ştiinţifice cu contribuţii originale şi găsirea altor soluţii de a analiza proprietăţile materialelor compozite.


12

CAP. 3.

3. MODELAREA ŞI ANALIZA CU METODA ELEMENTULUI FINIT A MATERIALELOR COMPOZITE DIN FIBRA DE STICL Ă

3.1. Metode de cercetări teoretice cu privire la materialele compozite

Metoda elementelor finite, în forma standard în care se foloseşte astăzi în diferite domenii ştiinţifice şi tehnice, prin programe comerciale care oferă facilităţi din care unele chiar „de neimaginat, cumulează volume imense de muncă de cercetare, timp de zeci de ani, ale unui număr la fel de mare de cercetători - ingineri, matematicieni şi informaticieni. În acest efort aportul matematicii, pe diferite direcţii, este imens. Se întâmplă însă că în momentul de faţă metoda să fie deseori prezentată ca aparţinând domeniului matematic - şi anume în forma - „metoda elementelor finite este o metodă de rezolvare numerică a unor sisteme de ecuaţii diferenţiale (cu sau fără derivate parţiale)"[4,31,32,35,55,57,73].

3.1.1. Evoluţia metodei elementului finit

În acest context considerăm că, pentru inginerul utilizator de programe cu elemente finite, cunoaşterea originilor, a nevoilor şi a raţionamentelor inginereşti care au stat la baza constituirii metodei, pot fi folositoare pentru înţelegerea modului în care metoda funcţionează cât ar fi pentru conducerea unor analize mai corecte şi mai performante.

După anul 1969, un mare număr de elemente finite curbe au fost studiate în literatura de specialitate. O trecere în revistă a acestora se găseşte în lucrarea [4].

Fig. 3.2 O prezentare simplificată a procesului de

simulare [55]

Fig. 3.3 Abordare matematică MEF – schematic [55]

Modelul este o reprezentare simbolică construită pentru a simula şi prezice comportarea unui sistem real (fig. 3.2).

3.1.2. Abordare matematică a MEF, metode numerice şi modele utilizate în tehnică

Paşii sunt prezentaţi în figura 3.3. Partea centrală a procesului, din care totul rezultă, este modelul matematic. Acesta este adesea o ecuaţie ordinară sau o ecuaţie diferenţială cu derivate parţiale, în spaţiu şi timp. Un model discret cu elemente finite este generat cu ajutorul formei variaţionale a modelului matematic. Acesta este pasul denumit discretizare. [55] .

În partea stângă a figurii 3.3. se prezintă un sistem fizic ideal. El poate fi considerat o realizare a modelului matematic; pe de altă parte, modelul matematic poate fi considerat o idealizare a acestui sistem. Discretizarea MEF poate fi făcută fără nici o referinţă asupra aspectului fizic al procesului modelat.


13

3.1.4. Criterii de discretizare a continuumului în elemente finite

Reţelele trebuie să evite noduri disparate şi elemente cu geometrie extremă, astfel încât să nu fie necesare calcule suplimentare pentru controlul erorilor asociate acestor situaţii. De asemenea reţeaua trebuie să fie destul de fină pentru a se obţine valori fiabile din discretizare, reţelele excesiv de fine fiind excluse.

Fig. 3.4 Concentrarea directă a sarcinilor distribuite, ilustrat ă pentru o determinare 2D [55]

Moduri derivate de aplicare a forţelor: liniile de sarcină rezultate din integrarea suprafeţei de

sarcină de-a lungul unei direcţii transversale, sau a volumelor de sarcină de-a lungul a două direcţii transversale. Liniile de sarcină se măsoară în unităţi de forţă pe unitatea de lungime (fig. 3.4).

Indiferent de natura lor sau a sursei, sarcinile distribuite trebuie convertite în forţe nodale consistente în vederea efectuării unei analize prin MEF [55]. Studiul privind parametrii ce caracterizează elementul de bază al elementului finit (triunghiul)

Elementele de bază ale analizei unui mediu elastic continuu cu ajutorul unui model alcătuit din elemente finite se pot sistematiza după cum urmează [147]: mediul continuu este discretizat (separat) prin linii sau suprafeţe imaginare într-un număr de elemente finite (figura 3.5), elementele sunt conectate doar într-un număr finit de "noduri" (puncte nodale), deplasările punctelor din interiorul elementelor se descriu ca funcţii de deplasările nodurilor (funcţia deplasărilor), starea de deformaţie din element, în noduri se introduc forţe echivalente stării de tensiuni de pe conturul elementelor şi sarcinilor distribuite.

Punând condiţia de echilibru a forţelor din noduri se determină deplasările necunoscute, astfel că se pot determina în continuare şi tensiunile.

Pentru a înlesni înţelegerea mecanismului prin care se "articulează" mărimile proprii diferitelor etape în rezolvarea unei probleme de teoria elasticităţii cu ajutorul elementelor finite se prezintă cazul solicitării cu o stare plană de tensiune a unui corp oarecare. Cel mai simplu element din care s-ar putea alcătui o structură plană este triunghiul [148]. Corpul din figura 3.5 a fost discretizat (împărţit) prin linii drepte într-un număr de asemenea elemente (triunghiuri) legate între ele doar prin noduri.

Fig. 3.5 Discretizarea mediului continuu [148]

Fig. 3.6 Deplasările nodurilor elementului [148]


14

Fie un element oarecare e cu nodurile i, j, m (fig.3.6). Deplasările nodurilor (necunoscute) pe cele două direcţii , pentru nodurile i, j şi m, şi anume:

mmjjii vuvuvu ,,,,, .

Fie ae- vectorul deplasărilor nodurilor elementului e:

=

=

m

m

j

j

i

i

m

j

i

e

v

u

v

u

v

u

a

a

a

a (3.1)

unde

=i

ii v

ua este vectorul deplasărilor nodului i;

=j

j

j v

ua este vectorul deplasărilor nodului

j;

=m

mm v

ua este vectorul deplasărilor nodului m.

Starea de deformaţii din element într-un punct oarecare, se poate descrie prin vectorul deformaţiilor (specifice) ε [149]. Pentru starea plană de tensiune acest vector are 3 componente, respectiv:

∂∂+

∂∂∂∂∂∂

=

=

x

v

y

u

y

vx

u

z

y

x

εεε

ε . (3.7)

Componentele vectorului ε trebuie la rândul lor, să fie exprimate în funcţie de deplasările din noduri. În formă matricială:

∆=

∂∂+

∂∂∂∂∂∂

=

=

m

m

j

j

i

i

mmjjii

mji

mji

xy

y

x

v

u

v

u

v

u

bcbcbc

ccc

bbb

x

v

y

u

y

vx

u

000

000

2

1

γεε

ε ; (3.8)

[ ] eaB=ε . (3.9)

Pentru o stare plană de deformaţie

.

0

)1( 0

+= e

e

v αθαθ

ε (3.12)

Vectorul deformaţiilor specifice devine:

[ ] 0εαε −= eB . (3.13)

Starea de tensiune din elemente. Pentru starea plană de tensiune vectorul σ al tensiunilor este :


15

( )

( )

−−=

+⋅

+−

+−

=

=

xy

y

x

xy

yx

yx

xy

y

xE

E

E

E

γσσ

νν

ν

ν

νγ

νεεν

νεεν

τσσ

σ

21

00

01

01

1

)1(2

1

1

22

2

. (3.14)

S-a notat cu [D] - matricea de elasticitate. Aceasta matrice depinde numai de proprietăţile de material, modulul de elasticitate, E şi coeficientul lui Poisson, υ, astfel:

[D]=

−−2

100

01

01

1 2 νν

ν

νE

(3.15)

Cu aceasta notaţie rezultă:

[ ] )( 0εεσ −= D (3.16)

Diferitele tehnici de aproximaţie au avut fie un suport matematic formal, fie unul de natură fizică, fiind legate de principiile variaţionale [113].

S-a constatat ca formulările reziduului ponderat sunt mai generale decât principiile variaţionale, care pot fi aplicate numai unui anumit tip de operator. Astfel, tehnicile variaţionale, diferenţele finite, elementele finite pot fi privite ca fiind cazuri speciale ale metodelor reziduului ponderat, situaţia inversă nefiind în general adevărată.

În general, soluţia metodelor numerice de aproximaţie a urmat progresele în hardware, software, ale tehnicilor interactive sau ale celor grafice, devenind nu numai metode de calcul, ci metode adaptate, pentru calculator. Studiul privind parametrii ce reprezint ă elementul de bază al elementului finit, coordonate patrulatere Patrulater biliniar

Patrulaterul cu patru noduri prezentat în figura 3.8 este cel mai simplu membru al familiei patrulaterelor. Este definit prin expresia:

( )

( )

( )

( )

=

e

e

e

e

yyyy

xxxx

y

xN

N

N

N

uuuu

uuuu

yyyy

xxxx

u

u

y

x

4

3

2

1

4321

4321

4321

4321

11111

(3.17)

Funcţiile de formă sunt:

( ) ( )( ) ( ) ( )( )

( ) ( )( ) ( ) ( )( ).114

1.11

4

1

;114

1.11

4

1

11

11

ηξηξ

ηξηξ

+−=++=

−+=−−=

ee

ee

NN

NN (3.18)

Aceste funcţii variază liniar pe liniile de coordonate ξ = const şi η = const , dar nu mai sunt polinoame liniare ca în cazul triunghiului cu trei noduri.


16

Patrulater bipătratic

Fig. 3.8 Patrulaterul biliniar cu patru

noduri [55] Fig. 3.9 Două patrulatere foarte des utilizate: (a)patrulaterul cu

nouă noduri bipătratic; (b) patrulaterul cu opt noduri [55]

Patrulaterul cu nouă noduri desenat în figura 3.9 (a) este următorul membru prezentat al

familiei patrulaterelor. El are opt noduri externe şi un nod intern. Este definit cu relaţia:

( )

( )

=

e

e

yyyyyyyyy

xxxxxxxxx

y

xN

N

uuuuuuuuu

uuuuuuuuu

yyyyyyyyy

xxxxxxxxx

u

u

y

x

4

1

987654321

987654321

987654321

987654321

.

.

1111111111

(3.19)

Funcţiile de formă sunt:

( ) ( )( ) ( ) ( )( )

( ) ( )( ) ( ) ( )( ) ( ) ( )( ).........

.11;112

1;11

4

1

;112

1;11

4

1

229

262

251

ηξξηξξηηξ

ηηξξηηξ

−−=−+=−+−=

−−−=−−=

eee

ee

NNN

NN

(3.20)

Aceste funcţii variază pătratic de-a lungul liniilor de coordonate ξ = const şi η = const . Figura 3.9 (b) prezintă o variantă cu 8 noduri utilizată foarte des. Nodul interior este eliminat

prin constrângeri cinematice.

3.2. Metoda elementelor finite pentru calculul structurilor din materiale compozite armate cu fibre

Procesul de proiectare modernă este un proces complex care presupune, printre altele, utilizarea metodelor de modelare şi analiză care au la bază utilizarea softurilor performante. Metoda elementelor finite oferă soluţii pentru problemele în vederea identificării câmpurilor de variaţie a tensiunilor şi deplasărilor în principal.

Problemele de tip identificare câmpuri oferă o distribuţie spaţială a variabilelor dependente, modelarea matematică a distribuţiilor şi dependentelor fiind realizată prin ecuaţii diferenţiale şi expresii ce conţin integrale.

3.2.1. Discretizarea structurii în elemente finite

Discretizarea plăcii curbe în elemente finite conduce la elemente finite curbe. Însă, se obţin rezultate destul de exacte şi dacă se discretizează placa curbă în elemente finite plane de formă triunghiulară sau dreptunghiulară. Elementele finite triunghiulare se folosesc în cazul plăcilor curbe


17

cu dublă curbură (fig.3.11,a, b, c, d, e), a plăcilor curbe cu margini neregulate şi la studiul zonelor cu concentrări de eforturi (fig.3.12, f, g, h) [4] .

Fig. 3.11 Elemente finite triunghiulare [4]

Fig. 3.13 Elemente finite inelare [4]

La plăcile curbe de rotaţie supuse la acţiuni axial simetrice se utilizează elemente finite

inelare. În figura 3.13,b, se prezintă discretizarea unei plăci curbe subţiri în elemente finite tronconice (fig.3.13, d), iar în figura 3.13,e se prezintă discretizarea rezervorului cilindric în elemente finite cilindrice (fig.3.13,f).

3.3. Analiza cu metoda elementului finit a modelului ”rezervor”

Modelul de analiză al unui element al unui sistem mecanic, în vederea proiectării cu programe performante care au la bază MEF, presupune cunoaşterea de informaţii legate de comportarea materialului, forma geometrică, legăturile cu alte elemente, încărcări, comportarea funcţională, etc.

Modelul a fost realizat utilizând preprocesorul / postprocesorul MSC.Patran şi procesorul MSC.Nastran.

Prima etapă de întocmire a modelului de analiză are importanţă deosebită deoarece prin forma şi dimensiunile acestuia are implicaţii directe asupra preciziei şi costului analizei.

În etapă de preprocesare, modelarea geometrică cu elemente finite, presupune obţinerea modelului cu elemente finite, final rezolvabil cu ajutorul pachetului de programe destinat acestui scop.

Modelarea cu elemente finite presupune modelarea comportării materialului, alegerea şi personalizarea elementelor finite, generarea structurii de elemente finite, introducerea condiţiilor limită şi introducerea încărcărilor.

Postprocesarea rezultatelor obţinute în urma rezolvării modelului cu elemente finite presupune vizualizarea stărilor deformată şi animată a structurii cu elemente finite şi vizualizarea sub diferite forme (liste, câmpuri, diagrame, grafice) a parametrilor obţinuţi. Posibilităţile de vizualizare a rezultatelor sunt diverse şi prin intermediul pachetelor program actuale se permite proiectantului să identifice cu uşurinţă valorile parametrilor de intrare şi de ieşire în oricare punct al domeniului geometric [73].

3.3.1. Definirea geometrică a modelului

Modelul a fost realizat în preprocesorul MSC Patran, în meniul Geometry, folosind desenele de execuţie a ansamblului prezentat în figurile 3.20-3.21.


18

Fig. 3.20 Rezervorul

Fig. 3.21 Gura de vizitare

Metodele numerice cu geometrie continuă presupun înlocuirea acestora cu domenii idealizate,

elemente finite care sunt compuse din puncte (noduri), linii drepte sau curbe (linii nodale) şi/sau suprafeţe plane sau oarecare (suprafeţe nodale).

Generarea modelului geometric folosind entităţi elementare în vederea obţinerii modelului cu elemente finite este preferabil să se realizeze cu menţinerea continuităţii în zonele de trecere de la o entitate la alta.

Fig. 3.22 Geometria

modelului

Fig. 3.23 Secţiune în geometria modelului

Fig. 3.26 Modelul cu

elemente finite

Fig. 3.27 Gura de vizitare cu

MPC

În figurile 3.22, 3.23, 3.26-3.31 s-a prezentat geometria modelului cu detalii. Modelarea geometrică în vederea discretizării necesită generarea de contururi închise compuse din linii pentru cazul domeniilor plane sau suprafeţe.

3.3.2. Discretizarea modelului (MESH-ul)

Discretizarea modelului în elemente se face în preprocesorul MSC Patran, cu meniul Elements. În meniul Elements se pot defini de asemenea noduri şi elemente.

Sunt posibile mai multe combinaţii compatibile de elemente finite. Pentru modelarea cu elemente finite a domeniului geometric, este necesar să se folosească două sau chiar mai multe tipuri de elemente finite.

Modelul a fost discretizat în mare parte cu elemente de tip quad 4 (patrulater) şi foarte puţine elemente de tip tria 3(triunghiular), iar metoda folosită pentru discretizare este IsoMesh (fig. 3.26).


19

Fig. 3.28 Detalii privind discretizarea modelului

Fig. 3.29 Detalii privind discretizarea modelului

Fig. 3.30 Fig. Vedere de

sus a modelului discretizat

Fig. 3.31 Vedere laterală a

modelului discretizat

La gura de vizitare pentru a simula capacul de închidere s-a utilizat un element MPC (Multi

Point Constrain) de tip RBE2 (Rigid Body Element 2), care este format dintr-un Nod Master şi mai multe Noduri Slave. Rigiditatea şi deplasările nodurilor Slave este înlocuită în matricea de rigiditate cu rigiditatea nodului Master, figura 3.27.

Reţeaua de elemente finite (mesh-ul) se obţine utilizând modelul geometric al rezervorului, generat în preprocesorul MSC Patran. Fineţea discretizării poate fi aleasă automat şi optimizat de către program sau definite parametric sau manual de către utilizator .

3.3.3. Definirea caracteristicilor materialelor ortotrope

Analiza cu elemente finite, pentru calculul matricilor de rigiditate ale elementelor finite, necesită cunoaşterea valorilor parametrilor proprietăţilor fizice. Acestea se pot grupa în proprietăţi geometrice şi în proprietăţi de material. [73].

Pentru a realiza modelul de rezervor studiat cu MEF, s-au determinat 3 tipuri de structuri cu straturi diferite de material, după o analiză şi a altor tipuri de structuri, stabilindu-se un material optim.

Pentru o analiză a deformaţiilor, a tesiunilor pe fiecare şi pe toate cele 8 straturi ale primului material de tip MAT-Roving, s-a utilizat următoarele detalii ale materialelor: 2 straturi de MAT 600, grosime 2x2-2,6 mm; 4 straturi de RT 800, grosime 4x3,2-3,6 mm; 2 straturi de MAT 450, grosime 2x1,6-2 mm.

Un alt tip de material analizat cu FEM a structurii a celor 8 straturi este Rovingul, grosime 8x3,2-3,6 mm;

Materialul rezervorului optimizat din 5 straturi de tip MAT-Roving, s-au utilizat următoarele detalii ale materialelor: 1 straturi de MAT 600, grosime 1x2-2,6 mm; 3 straturi de RT 800, grosime 3x3,2-3,6 mm; 1 straturi de MAT 450, grosime 1x1,6-2 mm.

Tabel 3.1 Proprietăţile mecanice ale materialelor compozite utilizate în teză

Nr. crt.

Denumirea materialului

Modulul de elasticitate

11E , MP] Modulul de elasticitate

22E , MPa Coeficientul Poisson, υ

1. MAT 600 10000 10000 0,25 2. RT 800 48000 35000 0,25 3. MAT 450 10000 10000 0,25

Caracteristicile mecanice ale acestor materiale sunt prezentate în tabelul 3.1, fiind utilizate în

programul MSC Patran, pentru a stabili anumite limite maxime ale acestor materiale. S-au definit materialele ortotrope în preprocesorul MSC.Patran, cu comanda Materials, din

meniul Create folosită pentru introducerea valorilor modulului de elasticitate longitudinală E şi coeficientului υ corespunzătoare materialului rezervorului.


20

3.3.4. Definirea compozitului laminat

Modelarea cu elemente finite a structurii de analizat, ţinând cont de straturile definite ale materialului, se face cu elementul finit bidimensional de tip Laminate din meniul Element/Property Type.

Pentru definirea compozitului laminat se foloseşte MSC.Laminate Modeler (din meniul Tools al preprocesorului MSC.Patran) care este un modul folosit pentru definirea structurilor compozite laminate. Utilizatorul poate simula aplicarea diferitor straturi (layere) de materiale compozite pentru anumite suprafeţe pentru a se asigura că modelul este viabil. Proprietăţile elementelor finite şi laminatul este generat automat aşa încât modelul structurii să poată fi evaluat rapid.

Crearea materialului compozit al modelului

Se creează materialul compozit pe baza materialelor ortotrope definite în tabelul 3.1. Caracteristicile materialelor au fost introduse în meniul Materials.

Parametrii specifici acestui tip de element finit (materialul, grosimea şi unghiul direcţiei principale a materialului pentru fiecare strat din componenţa plăcii, valorile admisibile, etc.) sunt introduşi şi setaţi în fereastra de dialog Define Property- Laminate Element Type.

Definirea straturilor cu MEF

În modulul Layup/Laminate trebuie create straturile.

Fig. 3.32 Succesiunea straturilor MAT-Roving, 8 straturi

Pentru aceasta se foloseşte LM_Ply, unde s-a stabilit o ordine, numerotându-se grupurile şi componente din piesă pentru materialul MAT-Roving (fig. 3.32), care au fost definite pentru fiecare tip de material, grupul, materialul de pe stratul respectiv, la roving s-a stabilit unghiul şi bineînţeles un cod.

Stratul 1 MAT450 Stratul 2 MAT450 Stratul 3 RT 800 Stratul 4 RT 800 Stratul 5 RT 800 Stratul 6 RT 800 Stratul 7 MAT600 Stratul 8 MAT600


21

Crearea straturilor, la fel ca şi pentru materialul descris anterior, folosind LM_Ply, s-a stabilit o ordine, grupurile numerotându-se, dar şi componente din piesă pentru materialul de 5 straturi MAT-Roving (fig. 3.33).

Fig. 3.33 Succesiunea straturilor MAT-Roving, 5 straturi

Pentru a defini straturile (ply-urile) pentru materialul optimizat, a fost necesar mai întâi

gruparea modelului şi apoi reunirea tuturor părţilor în rezervorul prezentat anterior. În etapa următoare se alege materialul deja definit, se selectează suprafaţa, un punct pe

suprafaţă pentru normală, direcţia de unde aplicăm ply-ul în laminat. La eticheta Reference Direction se va pune direcţia faţă de care se va alege înclinarea fibrelor.

Fig. 3.34 Succesiunea straturilor în laminat a

modelului tip MAT-Roving, 8 straturi


modelului tip MAT-Roving, 8 straturi

În figurile 3.32 şi 3.33 se prezintă succesiunea straturilor în laminat, iar în detaliu dispunerea straturilor, prezentate în figurile 3.34 şi 3.35, pentru fiecare material compozit în parte (MAT-Roving 8 straturi, Roving 8 straturi şi MAT-Roving 5 straturi).

Săgeata reprezintă interiorul materialului şi anume, din interior spre exterior, succesiunea straturilor este prezentată în tabelul 3.2.

S-a realizat şi un model numai din straturi Roving, care a trebuit să parcurgă aceleaşi etape, aceast lucru fiind necesar pentru a compara cele 2 materiale.

Stratul 1 MAT450 Stratul 2 RT 800 Stratul 3 RT 800 Stratul 4 RT 800 Stratul 5 MAT600


22

Tabel 3.2 Succesiunea straturilor pentru materialul MAT-Roving, 8 straturi

Direcţia straturilor piesei Strat(Ply) Tip material 1 MAT600 2 MAT600 3 RT800, 30o 4 RT800, 60o 5 RT800, 90o 6 RT800, 30o 7 MAT450

interior

exterior 8 MAT450 Straturi din material ţesătură de roving de tip RT 800, acestea fiind dispuse sub diferite

unghiuri realizat din 8 straturi, figura 3.36.

Fig. 3.36 Succesiunea straturilor în laminat a modelului tip Roving

Fig. 3.37 Succesiunea straturilor în laminat al rigidizorului MAT-Roving

În figura 3.37 se prezintă succesiunea straturilor rigidizorului în laminat, iar săgeata ne arată

interiorul materialului, descrierea straturilor se regăseşte în tabelul 3.3.

Tabel 3.3 Descrierea straturilor în laminat al rigidizorului MAT-Roving

Direcţia straturilor în laminat Strat(Ply) Tip material 1 MAT600 2 MAT600 3 RT800 4 RT800 5 MAT600

interior

exterior 6 MAT600 Straturile rigidizorului roving 800, fabricat din 8 straturi şi prezentat în figura 3.38.

Tabel 3.4 Descrierea straturilor în laminatul realizat din Roving, ţesătură

Direcţia straturilor piesei Strat(Ply) Tip material 1 RT800, 45o 2 RT800, 0o 3 RT800, 45o 4 RT800, 90o 5 RT800, 45o 6 RT800, 0o 7 RT800, 45o

interior

exterior 8 RT800, 90o


23

Fig. 3.38 Succesiunea straturilor în laminat al

rigidizorului roving, 8 straturi


modelului tip MAT-Roving, realizat din 5 straturi

Tabel 3.5 Descrierea straturilor în laminat al materialului compozit MAT-Roving, 5 straturi

Direcţia straturilor în laminat Strat(Ply) Tip material 1 MAT450 2 RT800 3 RT800 4 RT800

interior

exterior 5 MAT600

Definirea ply-iurilor

Fig. 3.40 Păr ţi componente ale rezervorului

Crearea layup. După ce s-au creat straturile se creează LM_Layup . S-a denumit fiecare strat,

apoi operatorul a introdus staturile în ordinea aleasă de el, iar fiecărui strat softul i-a atribuit o identitate: (1001-1056), pentru Mat-Roving 8 straturi, pentru Roving (1001-1064) şi pentru MAT-Roving cu 5 straturi (1001-1040).

Crearea laminatului. La crearea laminatului se realizează automat grupuri pentru fiecare strat, materiale şi proprietăţi pentru compozitul laminat.

gură vizitare a

gură vizitare b

rigidizor

ţeavă de alimentare

grup 1 exterior

ţeavă de evacuare


24

3.3.5. Definirea condiţiilor limit ă pentru compozitul laminat

Condiţiile limit ă se definesc tot în preprocesorul MSC.Patran cu ajutorul meniului Loads/BCs. Analiza cu programe care au la bază MEF, pentru realizarea rezolvabilităţii modelului,

necesită specificarea condiţiilor limit ă (restricţii, constrângeri). Tipul acestora este diversificat în funcţie de tipul problemei de analizat. Pentru analiza structurilor elastice sunt necesare restricţiile privind deplasările de translaţie şi de rotaţie cu valori cunoscute. Definirea constrângerilor pentru fixarea modelului, pentru rezervorul realizat din material compozit de tip MAT-Roving

Fig. 3.41 Încastrarea la bază a rezervorului

Fig. 3.42 Incărcare la gura de vizitare

Pentru cazul structurii de acest tip, anume rezervorul se consideră două seturi de legături. În

figura 3.41 rezervorul a fost încastrat în partea de jos şi mai precis la capacul de jos de jur împrejur, iar în figura 3.42 se prezintă gura de vizitare unde s-a aplicat o forţă în centrul său. Tipuri de încărcări

Încărcarea modelului se realizează diversificat, în funcţie de tipul problemei de analizat. Pentru analiza structurilor mecanice elastice, încărcarea modelului se realizează prin introducerea de forţe concentrate în noduri şi /sau presiuni normale în centrele feţelor elementelor finite. Încărcările se definesc din meniul Loads/BCs al preprocesorului MSC.Patran, aşa cum sunt prezentate în figurile 3.43 şi 3.44.

Fig. 3.43 Presiunea exercitată asupra

gurii de vizitare

Fig. 3.44 Presiunea exercitată asupra peretelui

Conform stasului densitatea apei (condiţii de referinţă)este de 1000 kg/ m3.S-a luat un factor

de siguranţă de 1,25. Presiunea s-a calculat pe cele 5 sectoare circulare rezultate în urma discretizării modelului, ţinând cont de lungimile fiecărui sector şi volumul de apă (fig. 3.45).

p=3,40


25

Variatia presiunii datorate greutatii lichidului functie de adancime

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

0,000 0,005 0,010 0,015 0,020 0,025 0,030 0,035 0,040 0,045 0,050

Presiunea [MPa]

Ad

anci

mea

[m

m]

Fig. 3.45 Variaţia presiunii pe pereţii rezervorului datorate greutăţii lichidului func ţie de adâncime

3.3.6. Cazurile de încărcare

Se creează cazurile de încărcare din meniul Load Cases al preprocesorului MSC.Patran, folosind încărcările şi constrângerile definite anterior pentru fiecare model în parte.

Pentru analiză se ia cazul critic când rezervorul este umplut în întregime.

3.3.7. Analizarea modelului cu programul MSC.Patran

Cazul care se doreşte a fi analizat se realizează din meniul Analysis al preprocesorului MSC.Patran. Pentru analiză vom folosi ca tipul soluţiei sa fie linear static.

Dintre posibilităţile de verificare de mai sus, identificarea şi unirea nodurilor coincidente are influenţă directă asupra rezolvabilităţii modelului. Având în vedere că modelarea cu elemente finite se face, de obicei, cu ajutorul mai multor entităţi (linii, suprafeţe), este necesară identificarea şi unirea nodurilor coincidente, în vederea realizării continuităţilor nodale [44].

Erorile rezultatelor obţinute sunt influenţate şi de abaterile formei elementului finit de la forma de referinţă ideală (triunghi echilateral, pătrat, tetraedru regulat).

Postprocesarea – Datele de ieşire, în urma rezolvării problemei , se asociază atât punctelor nodale cât şi elementelor finite [73].

Energia de deformaţie a elementului finit se cuantifică prin factorul densităţii energiei de deformaţie.

Toate datele de ieşire, atât corespunzătoare punctelor nodale cât şi elementelor finite, sunt stocate în fişiere şi pot fi listate sub formă tabelară, în vederea analizei de către utilizator.

3.3.8. Rezultatele obţinute utilizând MSC.Patran şi MSC.Nastran privind deformaţiile şi tensiunile modelului geometric realizat

Pentru rezultate se foloseşte preprocesorul MSC.Patran, cu meniul Results. Datele de ieşire pentru punctelor nodale cât şi elementelor finite, sunt stocate în fişiere, care

pot fi analizate, studiate şi comparate; după cele 3 direcţii. Volumul de informaţii, împiedică prezentarea în lucrare, dar se prezintă câteva valori obţinute.


26

Fig. 3.46 Elemente din rezervorul MAT-Roving studiat

în FEM

Fig. 3.47 Elementul 5643 şi din rezervorul prezentat

Tensiuni (element ID: 5643), in sistemul de coordonate al elementului

-10

-5

0

5

10

15

20

1 2 3 4 5

Strat (ply)

Ten

siu

ni [

MP

a]

von Mises

Tensiunea X

Tensiunea Y

Tensiunea XY

Tensiunea Max

Tensiunea Min

Forfecare max

Fig. 3.48 Valorile tensiunilor (element ID: 5643), în

sistemul de coordonate al elementului

Tensiuni (element ID: 15366), in sistemul de coordonate al elementului

-20

-10

0

10

20

30

40

50

1 2 3 4 5

Strat (ply)

Ten

siu

ni

[MP

a]

von Mises

Tensiunea X

Tensiunea Y

Tensiunea XY

Tensiunea Max

Tensiunea Min

Forfecare max

Fig. 3.49 Valorile tensiunilor (element ID: 15366), în

sistemul de coordonate al elementului

Starea de deformaţii

Deformaţiile determinate prin metoda elementului finit pentru materialele compozite de tip MAT-Roving şi Roving 8 straturi

Fig. 3.50 Vizualizarea mărit ă a

deformaţiei MAT-Roving cu 8 straturi

Fig. 3.51 Vizualizarea mărit ă

a deformaţiei Roving

Fig. 3.52 Vizualizarea mărit ă a

deformaţiilor MAT-Roving cu 5 straturi

Analizând deformaţiile modelului MAT- Roving, 8 straturi din figura 3.50, se observă o

variaţie maximă de 1,25, ceea ce presupune de fapt ca acest material utilizat este rezistent aproximativ de 40 de ori mai mult.

Deformaţiile modelului de tip Roving din figura 3.51, au variaţia maximă de 0,747, având o deformaţie mult mai mică aproximativ la jumătatea modelului MAT-Roving, 8 straturi.

Deformaţiile modelului de tip MAT-Roving din 5 straturi, prezentat în figura 3.52, au variaţia maximă de 2,52, având o deformaţie dublă faţă de primul material MAT-Roving.


27

Starea de tensiuni pentru trei tipuri de materiale MAT-Roving şi Roving

Analiza recipientelor cilindrice au fost realizate cu programul NASTRAN, s-au studiat 3 materiale compozite armate cu fibră de sticlă pentru rezervorul analizat, denumindu-l pe primul material tip MAT-Roving, cu 8 straturi; cel de-al doilea material este Roving 8 straturi şi al treilea este de tip MAT-Roving 5 straturi.

Acest material a fost optimizat treptat făcându-se un studiu asupra ţesăturii de Roving, dar şi mai multe combinaţii între fibre, obţinându-se un material realizat din 5 straturi de tip MAT-Roving.

Fig. 3.53 Distribuţia de tensiuni maxime von Mises

maxim de pe toate straturile MAT-Roving-8i


maxim de pe toate straturile Roving-8


maxim de pe toate straturile MAT-Roving-5

Fig. 3.58 Distribuţia de tensiuni maxime pe componenta

X de pe toate straturile MAT-Roving-5

Distribuţia tensiunilor maxime pentru von Mises pentru cele 3 materiale sunt prezentate în figurile 3.53-3.55, pe axa X în figurile 3.56-3.58 şi pe axa Y în figurile 3.59-3.61.

Fig. 3.56 Distribuţia de tensiuni maxime pe

componenta X de pe toate straturile MAT-Roving-8

Fig. 3.57 Distribuţia de tensiuni maxime pe componenta X

de pe toate straturile Roving-8


28

În urma studiului cu FEM s-a constatat că tensiunea maximă pe toate straturile: von Mises, pe axa X şi pe axa Y sunt prezentate în tabelul 3.10.


componenta Y a tuturor straturilor MAT-Roving-8

Fig. 3.60 Distribuţia de tensiuni maxime pe componenta Y

a tuturor straturilor Rovin-8

S-a constatat că materialul MAT-Roving-8 are tensiunea maximă pe axa X, axa Y şi von Mises este aproximativ cu 10 MPa (29 %) mai mare decât la materialul Roving-8 , dar ţesătura este mult mai greu de prelucrat faţă de fibrele scurte şi este şi mai scumpă. Oricum primul material era supradimensionat de 40 de ori mai mult decât necesar, deci nu e necesar utilizarea unui material cu proprietăţi mecanice mai bune decât acesta.


componenta Y de pe toate straturile MAT-Roving-5

Fig. 3.64 Distribu ţia de tensiuni pe componenta Y pentru

strat 3 RT800, 90o,-5

Tensiunile maxime au fost determinate pe fiecare strat a rezervorului 3 din MAT-Roving 5

straturi: constatându-se ca pe axa X la gura de vizitare pe stratul 4 (fig. 3.62) fiind de 69 MPa, pe axa Y tensiunea maximă s-a situat la corpul rezervorului pe stratul 3 (fig. 3.63) – 54,5 MPa şi von Mises a avut tensiunea maximă la gura de vizitară de pe stratul numărul 3 (fig. 3.64) cu 71,1 MPa.

Valorile tensiunilor maxime sunt prezentate în tabelul 3.10 pentru cele trei materiale studiate prin metoda elementului finit.

Tabel 3.10 Tensiunile maxime pe toate straturile pentru cele 3 tipuri de materiale:

Nr. Crt.

Materiale studiate Tensiunea maximă pe axa X (σx), MPa

Tensiunea maximă pe axa Y (σy), MPa

Tensiunea maximă von Mises (σech V), MPa

1 MAT-Roving 8 straturi 42.8 29.4 46.9

2 Roving 8 straturi 31.3 21.1 32

3 MAT-Roving 5 straturi 69 54.5 71.1


29

Fig. 3.62 Distribuţia de tensiuni pe componenta X

pentru strat 4 RT800, 60o-5

Fig. 3.63 Distribuţia de tensiuni von Mises pentru strat 3 RT800, 90o-5

În urma obţinerii unui material care este supradimensionat de 28 de ori, fiind materialul

optimizat MAT-Roving cu 5 straturi, anulându-se din fiecare tip de material câte un strat din primul tip de material, fiind tensiunea maximă cu aproximativ 40% mai mare, păstrându-se proprietăţile materialelor, figura 3.65.

42,8

31,3

69

29,421,1

54,546,9

32

71,1

010

20

30

40

50

60

70

80

Va

loa

rea

ten

siun

ilor

ma

xim

e [

MP

a]

Tensiuneamaximă pe axa X

(σx)

Tensiuneamaximă pe axa Y

(σy)

Tensiuneamaximă von

Mises (σechV)

Tensiunile maxime pe toate straturi le

Comparaţia tensiunilor maxime obţinute pe cele 3 tipuri de rezervoare

MAT+RT-8

RT-8

MAT+RT-5

Fig. 3.65 Tensiunile maxime pe toate straturile von Mises, X şi Y pentru cele trei tipuri de materiale

Pentru un studiu amănunţit a fost necesară determinarea tensiunilor maxime pe fiecare strat

pentru corpul rezervorului din MAT-Roving-8, pe axa X stratului 3, pe axa Y stratul 4 şi pentru von Mises stratul 6, fiind prezentate în figura 3.66.

Dispunerea straturilor şi materialul utilizat influenţează proprietăţile materialului, astfel că pentru corpul rezervorului Mat-Roving-8, pentru straturile 3-6 roving, tensiunea maximă este de 35,7 MPa, valorile maxime ale tensiunilor regăsindu-se la RT aşezate sub un unghi de 30o, având tensiunea cea mai mare la (σech V), pe stratul 6, iar minimă pe (σy).


30

5,593,35

33

16,812,7

28,9

3,43,92

10,69,8

17,7

29,428,6

11,67,456,99

9,198,7

31,634,235,635,7

10,711,8

0

5

10

15

20

25

30

35

40

Val

oare

a te

nsi

un

ilor

max

ime

pe

stra

turi

[MP

a]


(σx)


(σy)


Mises (σechV)

Tensiunile maxime pe fiecare strat

Tensiunile maxime obţinute pentru corpul rezervorului MAT+RT pe cele 8 straturi

Stratul 1

Stratul 2

Stratul 3

Stratul 4

Stratul 5

Stratul 6

Stratul 7

Stratul 8

Fig. 3.66 Tensiunile von Mises,pe axa X şi Y, pe fiecare strat pentru corpul rezervorului de tip MAT-Roving - 8

La corpul 2 tensiunea maximă este de 30,1 MPa valorile maxime ale tensiunilor pentru straturile 3-6 roving, regăsindu-se la RT aşezate sub un unghi de 90o, având tensiunile cele mai mari la (σx) şi (σech V), pe stratul 4, iar minima pe (σy), (fig. 3.67).

Analizând corpul rezervorului din Roving-8, s-a determinat tensiunea maximă pe fiecare strat, astfel: pe axa X stratului 8, pe axa Y stratul 6 şi pentru von Mises stratul 2.

13,710,5

15

27,50

16,4

9,36

18,1

31,2

10,8

17,7

12

6,58

13,4

21,1

15,1

8,99

20,1

30,1

17,9

30,10

16,4

20,9

15,9

28,2

0

5

10

15

20

25

30

35

Va

loa

rea

tens

iuni

lor

ma

xim

e p

e st

ratu

ri [M

Pa

]


(σx)


(σy)


Mises (σechV)


Tensiunile maxime obţinute pentru corpul rezervorului RT pe cele 8 straturi

Stratul 1

Stratul 2

Stratul 3

Stratul 4

Stratul 5

Stratul 6

Stratul 7

Stratul 8

Fig. 3.67 Tensiunile von Mises,pe axa X şi Y, pe fiecare strat pentru corpul rezervorului de tip Roving – 8

Corpul rezervorului pentru materialul optimizat, tensiunea maximă s-a determinat: pe axa X stratului 2, pe axa Y stratul 3 şi pentru von Mises stratul 2, figura 3.68.

Se observă că proporţia se păstrează, având în vedere că au rămas 5 straturi din cele 8 de la materialul MAT-Roving, fiind în valoare (σx), de 67,7 MPa, iar pe straturile 1 şi 5 unde tensiunea maximă MAT, (σech V) este de 19,3 MPa.


31

7,37

67,7

20,8

27,5

6,08

17,8

35,1

54,5

45,6

13,8 15,7

64,459,761,6

19,3

0

10

20

30

40

50

60

70

Val

oare

a te

nsiu

nilo

r m

axim

e pe

str

atur

i [M

Pa]

Tensiunea maximăpe axa X (σx)

Tensiunea maximăpe axa Y (σy)

Tensiunea maximăvon Mises (σechV)


Tesiunile maxime obţinute pentru corpul rezervorului MAT+RT pe cele 5 straturi

Stratul 1

Stratul 2

Stratul 3

Stratul 4

Stratul 5

Fig. 3.68 Tensiunile von Mises,pe axa X şi Y, pe fiecare strat pentru corpul rezervorului de tip MAT-Roving – 5

Pentru un studiu detaliat a fost necesară determinarea tensiunilor maxime pe fiecare strat pentru gura de vizitare a rezervorului din MAT-Roving-8, pe axa X stratului 4, pe axa Y stratul 6 şi pentru von Mises stratul 4, fiind prezentate în figura 3.69.

În urma rezultatelor obţinute, s-a constatat că majoritatea tensiunilor maxime de pe fiecare strat se regăsesc la gura de vizitare, astfel că pentru corpul studiat din MAT-Roving valorile maxime se regăsesc la straturile de Roving 3-6, fiind de (σech V), 46,9 MPa, la stratul 4 RT aşezate sub un unghi de 60o, în comparaţie cu rezervorul 2 din Roving unde von Mises este de 29 MPa.

7,547,65

17,7

40,938,4

42,8

8,038,18 6,493,91

25,6

16,1

21,9

27,3

13,717,9

14,413,7

34,7

46,9

41,338,6

1215,7

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

Va

loa

rea

tens

iuni

lor

ma

xim

e pe

str

atu

ri

[MP

a]

Tensiunea maximă peaxa X (σx)

Tensiunea maximă peaxa Y (σy)

Tensiunea maximă vonMises (σechV)


Tensiunile maxime obţinute pentru gura de viz itare a rezervorului MAT+RT pe cele 8 straturi

Stratul 1

Stratul 2

Stratul 3

Stratul 4

Stratul 5

Stratul 6

Stratul 7

Stratul 8

Fig. 3.69 Tensiunile von Mises,pe axa X şi Y, pe fiecare strat pentru gura de vizitarea rezervorului de tip MAT-Roving – 8


32

Analizând gura de vizitare a rezervorului din Roving-8, s-a determinat tensiunea maximă pe fiecare strat, astfel: pe axa X stratului 7, pe axa Y stratul 8 şi pentru von Mises stratul 1, prezentate în figura 3.70.

O altă afirmaţie care se aduce referitoare la comparaţia celor două rezervoare este ca materialul MAT care este aşezat pe extremităţi se comportă mult mai bine în comparaţie cu rovingul, astfel ca valorile tensiunilor maxime se dublează sau chiar este şi de trei ori mai mare.

24,2

16,4

24,6

17,80

25

18,9

26,224

17,2

13

17,5

12,30

17,8

14,2

18,319

31,1

17,9

29

19,50

27,2

19,7

2929

0

5

10

15

20

25

30

35

Val

oare

a te

nsi

un

ilor

max

ime

pe

stra

turi

[MP

a]

Tensiunea maximăpe axa X (σx)

Tensiunea maximăpe axa Y (σy)

Tensiunea maximăvon Mises (σechV)


Tensiunile maxime obţinute pentru zona gurii de vizitare a rezervorului RT pe cele 8 straturi

Stratul 1

Stratul 2

Stratul 3

Stratul 4

Stratul 5

Stratul 6

Stratul 7

Stratul 8

Fig. 3.70 Tensiunile von Mises, pe axa X şi Y, pe fiecare strat pentru gura de vizitarea rezervorului de tip Roving-8

Gura de vizitare a rezervorului pentru materialul optimizat, tensiunea maximă s-a determinat:

pe axa X stratului 4, pe axa Y stratul 2 şi pentru von Mises stratul 4.

12,3

25,3

65,569

14,99,24

44,1

16,2

40,1

30,4

23,5

59,6

71,169,5

26,7

0

10

20

30

40

50

60

70

80

Val

oar

ea t

ensi

un

ilor

max

ime

pe

stra

turi

[M

Pa]

Tensiunea maximă peaxa X (σx)

Tensiunea maximă peaxa Y (σy)

Tensiunea maximă vonMises (σechV)


Tensiunile maxime obţinute pentru zona gurii de vizitare a rezervorului MAT+RT pe cele 5 straturi

Stratul 1

Stratul 2

Stratul 3

Stratul 4

Stratul 5

Fig. 3.71 Tensiunile von Mises,pe axa X şi Y, pe fiecare strat pentru gura de vizitarea rezervorului de tip MAT-

Roving – 5

Se constată că RT 800 aşezată sub un unghi de 90o, nu este ideal sa se utilizeze, deoarece

tensiunile cele mai mari se regăsesc pe acest tip de strat, chiar şi tensiunea maximă din tot rezervorul este de 71,1 MPa, (fig. 3.71).


33

3.3.9. Rezultatele obţinute utilizând MSC.Patran şi MSC.Nastran privind tensiunile din epruvete

S-a realizat un studiu privind comportarea materialului pe fiecare strat în parte aplicând 2

metode: atât cea teoretică utilizând MEF cu programul MSC Nastran; dar şi experimentală cu ajutorul aparatului Spider 8, care determină prin intermediul TER, deplasările din material. Epruveta fiind supusă la încovoiere pură, 600 N forţă pentru epruvetele realizate din 4 straturi, iar pentru materialul compozit MAT-Roving din 8 straturi, epruveta a fost testată la 1000 N forţă.

Pentru primul tip de material realizat din 4 straturi de Mat 450, deformaţia maximă: determinată experimental a fost cuprinsă -0.033210 şi 0.033580, iar teoretic este mai mică -0.025 şi 0.025, dar apropiată de cea experimentală.

Fig. 3.73 Epruveta din material MAT 450

Fig. 3.74 Distribuţia deformaţiei specifice pentru

epruveta din MAT450, stratul 1, zona TER Se observă că tensiunea de la TER 3 este apropiată de cea de la TER 1. Tensiunea de la TER

2 este aproape 0 MPa deoarece se află în apropiere de axa neutră. Tensiunile la fibrele exterioare sunt egale în modul (pe o fibră întindere, pe cealaltă compresiune). Deformaţiile specifice măsurate cu TER sunt corespunzătoare fibrelor pe care sunt prinse TER-urile. Deformaţiile specifice maxime de pe fibrele exterioare nu au fost măsurate cu TER.

Fig. 3.75 Diagrama deformaţiilor specifice pentru epruveta din MAT 450


34

Variatia in timp a fortei

0.0

100.0

200.0

300.0

400.0

500.0

600.0

700.0

0.0 100.0 200.0 300.0 400.0 500.0 600.0 700.0 800.0 900.0

Timp [s]

Fo

rta

[N]

Fig. 3.76 Diagrama forţei care acţionează asupra epruvetei în funcţie de timp, pentru MAT450

Pentru al doilea tip de material realizat din 4 straturi din RT800 aşezate pe urzeală, deformaţia

specifică maximă: determinată experimental a fost cuprinsă -0.023369 şi 0.025651, iar teoretic este mai mică -0.016 şi 0.015, erorile fiind acceptate, datorită numeroaselor erori care pot să apară din diverse motive: modul de aşezare, grosimea.

Fig. 3.77 Epruveta RT800 pe urzeală supusă la

încovoiere, la 600 N

Fig. 3.78 Distribuţia deformaţiei specifice pentru

epruveta din RT800, pe urzeală, stratul 1

Fig. 3.79 Diagrama deformaţie specifică pentru epruveta de tip RT 800 pe urzeală


35


0.0

100.0

200.0

300.0

400.0

500.0

600.0

700.0

800.0

0 200 400 600 800 1000 1200

Timp [s]

Fo

rta

[N]

Fig. 3.80 Variaţia în timp a forţei pentru epruveta RT800 pe urzeală

Epruveta realizată din 4 straturi din RT800 aşezate pe bătătură, deformaţia specifică maximă:

determinată experimental a fost cuprinsă -0.016164 şi 0.017041, iar teoretic este mai mică -0.014 şi 0.014, erorile fiind acceptate, datorită numeroaselor erori care pot să apară din diverse motive pentru ca materialul se comportă diferit faţă de materialele obişnuite.

Fig. 3.81 Epruveta discretizată şi dispunerea

straturilor pentru RT800 pe bătătur ă

Fig. 3.82 Distribuţia deformaţiei specifice pentru epruveta din RT800, pe bătătur ă, stratul 1, zona TER

Fig. 3.83 Diagrama deformaţiilor specifice pentru epruveta de tip RT800 pe bătătur ă


36


0.0

100.0

200.0

300.0

400.0

500.0

600.0

700.0

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900

Timp [s]

Fo

rta

[N]

Fig. 3.84 Variaţia în timp a forţei pentru epruveta RT800 pe bătătur ă

Epruveta realizată din 8 straturi din MAT şi Roving aşezate pe urzeală, deformaţia specifică

maximă: determinată experimental a fost cuprinsă -0.02 şi 0.02, iar teoretic este mai mică -0.020 şi 0.021, erorile fiind acceptate, datorită numeroaselor erori care pot să apară din diverse motive pentru ca materialul se comportă diferit faţă de materialele obişnuite.

Fig. 3.85 Epruveta MAT450-RT800 pe

urzeală - MAT600,

Fig. 3.86 Distribuţia deformaţiei specifice a epruvetei din

MAT450-RT800 pe urzeală - MAT600, stratul 1

Fig. 3.87 Diagrama deformaţiilor specifice funcţie de poziţia fibrei la un timp dat pentru epruveta MAT450-

RT800 pe urzeală- MAT600


37


0

500

1000

1500

2000

2500

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900

Timp [s]

Fo

rta

[N]

Fig. 3.88 Variaţia în timp a forţei pentru epruveta MAT450-RT800 pe urzeală- MAT600

Epruveta realizată din 8 straturi din MAT şi Roving aşezate pe bătătură, deformaţia specifică

maximă: determinată experimental a fost cuprinsă -0.02 şi 0.02, iar teoretic este mai mică -0.035 şi 0.020, erorile fiind acceptate, datorită numeroaselor erori care pot să apară din diverse motive.

Fig. 3.89 Epruveta discretizată şi dispunerea

straturilor pentru RT800 pe bătătur ă

Fig. 3.90 Distribuţia deformaţiei specifice a epruvetei din

MAT450-RT800 pe bătătur ă-MAT600, stratul 1, TER

Fig. 3.91 Diagrama deformaţiilor specifice funcţie de poziţia fibrei la un timp dat pentru epruveta MAT450-

RT800 pe bătătur ă- MAT600


38


0

200

400

600

800

1000

1200

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

Timp [s]

For

ta [

N]

Fig. 3.92 Variaţia în timp a forţei pentru epruveta MAT450-RT800 pe bătătur ă- MAT600

În planul deformaţiilor şi al tensiunilor se observă că lucrul mecanic interior este asociat cu

trei componente ale eforturilor în coordonate plane, componenta plană normală a tensiunii nu implică egalarea cu zero a altor eforturi sau tensiuni.

Convergenţa spre soluţia corectă creşte pe măsură ce numărul funcţiilor de interpolare folosite este tot mai mare. Ori, patrulaterul cu 4 noduri are cele mai puţine funcţii de interpolare, încât ecuaţiile de echilibru nu conţin termeni referitori la o mai mare marjă a valorii parametrului modelat de elementul finit. Un procedeu eficace folosit pentru îmbunătăţirea ecuaţiilor de echilibru este suplimentarea cu noi funcţii de interpolare care adaugă astfel noi moduri de deformare.

3.4. Concluzii privind analiza modelului cu metoda elementelor finite

Comparând valorile tensiunilor obţinute în urma analizei cu elemente finite, cu valorile admisibile se observă că piesa nu este foarte încărcată şi poate rezista presiunii şi greutăţii apei sau oricărui lichid de aproximativ 40 de ori mai mult. Deci se putea alege un material mult mai puţin rezistent şi de o grosime mult mai mică. Ca atare rezervorul analizat este supradimensionat şi se recurge la micşorarea numărului de straturi de la 8 la 5, un rezervor optimizat, reducându-se din fiecare tip de material câte un strat, care poate rezista presiunii 28 de ori mai mult.

S-a constatat în urma rulării în programul de simulare NASTRAN următoarele aspecte: • deformaţia specifică a modelului MAT- Roving, 8 straturi, are o variaţie maximă de 1,25; • deformaţia specifică modelului de tip Roving, variaţia maximă de 0,747, având o deformaţie mult mai mică aproximativ la jumătatea modelului MAT-Roving, 8 straturi, şi datorită faptului că are o rigiditate mai mare; • deformaţia specifică a modelului optimizat de tip MAT-Roving din 5 straturi, are variaţia maximă de 2,52, având o deformaţie dublă faţă de primul material MAT-Roving; • tensiunile maxime au fost obţinute la rezervorul 3 din MAT-Roving 5 straturi: şi anume la gura de vizitare pe stratul 4, (σx) fiind de 69 MPa, tensiunea maximă s-a situat la corpul rezervorului pe stratul 3 (σy) – 54,5 MPa şi von Mises a avut tensiunea maximă la gura de vizitară de pe stratul numărul 3 cu 71,1 MPa.

Se constată că RT 800 aşezată sub un unghi de 90o, nu este ideal sa se utilizeze, deoarece tensiunile cele mai mari se regăsesc pe acest tip de strat, chiar şi tensiunea maximă din tot rezervorul este de 71,1 MPa.

Din comparaţia celor două rezervoare reiese că materialul MAT care este aşezat pe extremităţi se comportă mult mai bine decât rovingul, astfel că valorile tensiunilor maxime se dublează sau chiar este şi de trei ori mai mare.

Prin metoda elementului finit s-au analizat epruvetele în zona analizată cu TER


39

• epruveta realizată din 4 straturi de MAT 450, deformaţia maximă: determinată experimental a fost cuprinsă -0.033210 şi 0.033580, iar teoretic este mai mică -0.025 şi 0.025, dar apropiată de cea experimentală; • materialul realizat din 4 straturi din RT800 aşezate pe urzeală, deformaţia maximă: determinată experimental a fost cuprinsă -0.023369 şi 0.025651, iar determinată teoretic este mai mică -0.016 şi 0.015; • epruveta realizată din 4 straturi din RT800 aşezată pe bătătură, deformaţia maximă: determinată experimental a fost cuprinsă -0.016164 şi 0.017041, iar determinată teoretic este mai mică -0.014 şi 0.014; • epruveta realizată din 8 straturi din MAT şi Roving aşezate pe urzeală, deformaţia maximă: determinată experimental a fost cuprinsă -0.02 şi 0.02, iar determinată teoretic este mai mică -0.020 şi 0.021; • epruveta realizată din 8 straturi din MAT şi Roving aşezate pe bătătură, deformaţia maximă: determinată experimental a fost cuprinsă -0.02 şi 0.02, iar determinată teoretic este mai mică -0.035 şi 0.020, erorile fiind acceptate, datorită numeroaselor erori care pot să apară, pentru că materialul se comportă diferit faţă de materialele obişnuite.

Utilizând metoda elementului finit se pot studia mai multe variante şi anume: schimbarea condiţiilor de încărcare, a condiţiilor la limită, a modului de aplicare a lor asupra modelului virtual; din care se poate alege varianta optimă, dimensiunile şi caracteristicile elastice ale materialelor.

Datorită MEF-ului există avantaje pentru a compara şi verifica rezistenţa unui material, se măsoară tensiunile, deformaţiile care pot exista în material şi dacă sunt în limite normale, astfel încât să se economisească foarte mult timp, o rapiditate mult mai mare, reducerea costurilor, evaluarea fiecărei părţi a materialului.

Elementul finit permite efectuarea unui calcul postcritic al structurii în care au apărut deteriorări, atât în vederea stabilirii capacităţii portante a structurii, cât şi pentru urmărirea modului în care se comportă materialul cu deteriorări (propagarea deteriorărilor).

Analiza cu MEF a elementelor sistemelor mecanice ocupă un loc important în procesul de proiectare modernă, fiind una din modalităţile de identificare a câmpurilor de deformaţii şi tensiuni din elementele sistemelor mecanice.


40

CAP. 4.

4. CERCETĂRILE EXPERIMENTALE ALE MATERIALELOR COMPOZITE ŞI ANALIZA REZERVORULUI

4.1. Consideraţii privind problematica cercetărilor experimentale ale materialor compozite polimerice

Materialele polimerice reprezintă clasa de materiale cu cea mai mare reprezentativitate în fabricaţia actuală a componentelor tehnice sau bunurilor de larg consum. În această clasă un loc aparte îl ocupă materialele polimerice compozite fiind o categorie distinctă şi spectaculoasă de rezolvare şi ofertare a unor soluţii noi şi eficiente.

Fibrele de sticlă utilizate la armarea răşinilor termoplaste şi termorigide se obţin din aşa numita sticlă textilă formată din fire de urzeală şi fire răsucite. Cea mai utilizată sticlă textilă folosită la armarea materialelor compozite polimerice este sticla de tip E, nealcalină. Pentru utilizări speciale se întrebuinţează sticlă de tip R şi C.

Fibrele de sticlă sunt cele mai utilizate materiale de armare ale materialelor compozite polimerice. Alte fibre de armare sunt [22]:

• fibre naturale – bumbac, sisal, iută şi alte fibre celulozice;

• fibre sintetice – poliamidă, poliester, acetat de celuloză şi mătase artificială;

• fibre organice şi anorganice cu performanţe ridicate – aramidă, bor şi carbon/grafit.

Fig. 4.2 Curbele tensiune-deformaţie specifică pentru diferite tipuri de fibre, conform Puck [4]

1000

2000

3000

0 1,0 2,0 3,0 Deformaţia [%]

Rez

iste

nţa

la tr

acţiu

ne [M

Pa]

Sticlă tip E

Sticlă tip S

Aramid ă Carbon (HT)

Bor

Car

bon

(HM

)

Poliamidă


41

Fibrele de sticlă reprezintă cel mai întâlnit material de armare, atât pentru răşinile termoplaste cât şi pentru cele termorigide. Principalele proprietăţi ale fibrelor de sticlă sunt: • rezistenţă ridicată la tracţiune combinată cu alungire scăzută (în medie 3,5%); • proprietăţi excepţionale la tracţiune, compresiune şi impact, atât pe direcţia fibrelor cât şi perpendicular pe ele (fibrele sunt izotrope); • modul de elasticitate la tracţiune relativ ridicat şi o rezistenţă bună la încovoiere; • rezistenţă ridicată la temperatură şi absorbţie redusă a umidităţii;

• stabilitate dimensională bună, dublată de o bună rezistenţă la intemperii; • proprietăţi electrice bune.

Ca o apreciere generală, majoritatea metodelor experimentale aplicabile materialelor izotrope pot fi adaptate pentru studiul materialelor polimerice compozite. La baza celor mai multe dintre acestea stă măsurarea deformaţiilor specifice.

4.2. Tipuri de epruvete, determinarea proprietăţilor mecanice ale materialelor compozite pentru încercările la trac ţiune şi încovoiere

4.2.1. Operaţiuni cu privire la obţinerea şi realizarea epruvetelor din material compozit pentru cercetările experimentale

Gradul de durificare al compozitului depinde de proprietăţile mecanice ale celor două componente ale ansamblului , respectiv, fibrele şi matricea, precum şi de proporţia de fibre încorporată în compozit. Cu cât fracţia de volum a fibrelor din compozit este mai mare, curba

caracteristică σ-ε a compozitului va fi mai apropiată de rezistenţa fibrelor [7]. În cadrul compozitelor cu fibre continue, proprietăţile reprezintă o medie ponderată a

proprietăţilor materialului luând în considerare proporţia de fibre. În cadrul compozitelor cu fibre discontinue există relaţii de calcul care permit stabilirea proporţiei de fibre în raport cu lungimea critică a acestora. Gradul de durificare al compozitului va creşte odată cu temperatura.

Rezistenţa unui compozit stratificat pe bază de matrice polimerică este puternic influenţată de condiţiile de mediu, că temperatura şi umiditatea, precum şi de rezistenţa fiecărei lamine. În literatura de specialitate există câteva zeci de criterii de rupere aplicabile materialelor compozite armate cu fibre, unele dintre ele utilizează relaţii empirice, altele se bazează pe relaţii determinate experimental.

4.2.2. Solicitarea la tracţiune a epruvetelor din material compozit, stratificat - fibră de sticlă

Încercarea la tracţiune monoaxială este apreciată a fi cea mai importantă, dar şi cea mai utilizată dintre încercările statice datorită simplităţii procedurii de obţinere a unor caracteristici de rezistenţă şi rigiditate.

Cu toate acestea, aprecierea comportării la solicitarea de întindere a unei piese din materiale compozite polimerice pentru anumite condiţii de exploatare este o problemă mai dificilă decât, de exemplu, în cazul pieselor din materiale metalice datorită, în special, dependenţei mult mai pronunţate a caracteristicilor materialelor compozite polimerice de factori precum temperatura, durata încercării, umiditatea epruvetei, secţiunea acesteia etc.

Pentru a testa epruvetele la tracţiune a fost necesară aplicarea ASRO SR EN ISO 527-1 Determinarea proprietăţilor de tracţiune, fiind impuse anumite condiţii şi determinarea anumitor parametri.


42

Metoda se utilizează pentru determinarea comportării la tracţiune a epruvetelor şi pentru determinarea rezistenţei la tracţiune, a modulului la tracţiune şi a altor aspecte ale relaţiilor tensiune/deformare la tracţiune în condiţiile definite.

Pentru încercări la tracţiune se folosesc în general maşini de încercat cu viteză de tracţiune constantă şi cu sarcină totală astfel ca sarcina care ar corespunde efortului maxim să aibă valori între 10 şi 90 % din sarcina maximă.

Tensiunile aflate între limita de proporţionalitate şi limita de elasticitate sunt situate pe o porţiune neliniară a curbei tensiune (υ)-deformaţie specifică (ε).

4.2.3. Solicitarea la încovoiere a epruvetelor din material compozit, stratificat - fibră de sticlă

Determinarea experimentală a epruvetelor s-a realizat conform standardului roman SR EN ISO 14125 Compozite de materiale-plastice armate cu fibre, Determinarea proprietăţilor de încovoiere.

Metoda se utilizează pentru determinarea comportării la încovoiere a epruvetelor şi pentru determinarea rezistenţei la încovoiere, a modulului de elasticitate la încovoiere şi a altor aspecte legate de relaţia efort/deformaţie în condiţiile date. Se aplică în cazul unei pârghii simplu rezemate, încărcată în trei sau patru puncte de încovoiere. Modul de aşezare şi de încercare a epruvetei se alege astfel încât să se limiteze deformaţia la forfecare şi să se evite ruperea prin forfecare interlaminară [161].

Epruveta, sprijinită ca o pârghie, este supusă la încovoiere cu viteza constantă, până la rupere sau până când deformaţia atinge o valoare prestabilită. În timpul încercării se măsoară forţa aplicată pe epruvetă şi săgeată.

În cazul materialelor care au proprietăţi fizice, de exemplu elasticitatea, dependente de direcţie, epruvetele trebuie alese astfel încât , în cursul încercării, tensiunea de încovoiere să fie aplicată pe aceeaşi direcţie ca aceea în care produsele (obiectele formate, foi, ţevi, etc.) sunt solicitate în serviciu.

Dacă într-o aplicaţie materialul este supus unei tensiuni pe o direcţie specifică faţă de direcţia principală, se recomandă ca materialul să fie încercat pe această direcţie.

În oricare dintre încercări grosimea epruvetei pe toată lungimea nu trebuie să aibă cu mai mult de 2% din grosimea medie. Abaterea maximă corespunzătoare pentru lăţime este de 3%. Secţiunea transversală trebuie să fie dreptunghiulară şi fără muchii rotunjite.

4.3. Aparatura utilizat ă pentru încercări la trac ţiune şi încovoiere

4.3.1. Maşina de testat la tracţiune

Aparatura utilizată este o maşină de încercat cu viteză de tracţiune constantă, care este constituită din: parte fixă, prevăzută cu cleme de fixare a epruvetei şi o parte mobilă prevăzută cu 2 cleme de fixare şi mecanismul de antrenare.

Maşina de testare este produsă de Lloyd’s Instruments, Marea Britanie, este de tipul LS100 (fig. 4.9).

Prezintă următoarele specificaţii: domeniul de forţă maximă: 100 kN; acurateţea vitezei de testare: <0.2%; cursa maximă: 840 mm; rezoluţia sarcinii: <0.01% din celula de forţa utilizată; rezoluţia extensiei: <0.1 microni; celula de forţă: XLC-100K-A1; software de analiză: NEXYGEN MT.


43

4.3.2. Maşina de testat la încovoiere

Fig. 4.9 Maşina de testare LS100 a

firmei Lloyd’s Intruments

Fig. 4.10 Maşina de încercat

în trei puncte

Fig. 4.11 Maşina de încercat în patru

puncte

Pentru încercarea de încovoiere în trei puncte s-a utilizat o maşină produsă de aceeaşi firmă ca

şi maşina cu care s-au făcut testele de tracţiune şi anume, o maşină de tipul LR5K Plus (fig. 4.10) dar care asigură o forţă maximă Fmax= 5 kN.

Doi suporţi şi un poanson semisferic al sarcinii sunt dispuşi conform figurii 4.11. Alinierea suporţilor şi a poansonului sferic trebuie să fie paralelă cu exactitatea de 0,02 mm.

4.4. Rezultate experimentale referitoare la materialele compozite folosite în

construcţia rezervorului

Cercetările realizate pentru diferite structuri din materiale compozite stratificate armate cu fibre de sticlă, s-a axat pe studiul efectelor orientării fibrelor şi ale poziţionării laminelor asupra caracteristicilor mecanice ale acestor materiale, pentru diferite combinaţii de încărcare. De asemenea s-a realizat studii referitoare la comportarea materialelor compozite polimerice la încercările de tracţiune şi încovoiere pentru determinarea rigidităţilor acestora, modulul de elasticitate, dar şi a altor proprietăţi mecanice a acestor materiale.

În teză va fi prezentat studiul unui rezervor realizat din trei tipuri de material compozit şi anume mat-roving cu 8 straturi, numai straturi din roving – 8 şi mat-roving cu 5 straturi.

+ =

Fig. 4.12 Roving Fig. 4.13 Mat Fig. 4.14 Material rezervor MAT-RT

Materialul analizat este compus din material Mat şi Roving, fiind prezentat în figura 4.14; dar şi separat o placă din fire scurte MAT, figura 4.13; o alta placă din ţesătură de tip Roving figura 4.12.


44

Materialul din care s-a realizat a doua placă este de Roving, iar al treilea tip de material este realizat din 5 straturi MAT-Roving.

Mat din fire scurte – reprezintă cea mai utilizată formă de material de armare şi constă dintr-un strat de fire cu lungimi cuprinse între 3,2 şi 50 mm orientate aleator, fire legate între ele prin intermediul unui liant uşor. Calitatea unui mat se exprimă prin raportul dintre greutate şi unitatea de suprafaţă, domeniul acestui raport variind între 300 şi 750 g/m2.

Roving continuu – reprezintă o colecţie de fire sau filamente paralele, înmănuncheate fără o răsucire intenţionată de tip ţesătură. Se utilizează la armarea structurilor unde se doreşte o rezistenţă foarte mare pe direcţia fibrelor şi în special în procesul de înfăşurare filamentară pentru a obţine structuri tubulare simetrice precum ţevi, recipienţi sau containere de înaltă presiune.

Epruvetele realizate din materialul de tip MAT-Roving - 8 straturi, solicitate la tracţiune şi încovoiere cu detaliile următoare: MAT 600 – material compozit din fibră de sticlă (fire scurte) în matrice de răşină epoxidică cu greutatea specifică 2x600 g/m2, grosime 2-2,6 mm; RT 800 – material compozit din fibră de sticlă (ţesătură) în matrice de răşină epoxidică cu greutatea specifică de 4x 800 g/m2 , grosime 3,2-3,6 mm; MAT 450 – material compozit din fibră de sticlă (fire scurte) în matrice de răşină epoxidică cu greutatea specifică 2x450 g/m2, grosime 1,6-2 mm.

Pentru 5 tipuri de materiale au fost studiate epruvetele solicitate la încovoiere realizate din 4 straturi de acelaşi fel: • RT 800 pe urzeală– material compozit din fibră de sticlă (ţesătură) în matrice de răşină epoxidică cu greutatea specifică de 4x 800 g/m2 , grosime 3,2-3,6 mm. • RT 800 pe bătătură– material compozit din fibră de sticlă (ţesătură) în matrice de răşină epoxidică cu greutatea specifică de 4x 800 g/m2 , grosime 3,2-3,6 mm. • MAT 450 – material compozit din fibră de sticlă (fire scurte) în matrice de răşină epoxidică cu greutatea specifică 4x450 g/m2, grosime 1,6-2 mm. • MAT 600 2x600 g/m2, grosime 2-2,6 mm; RT 800 pe urzeală 4x 800 g/m2 , grosime 3,2-3,6 mm; MAT 450 2x450 g/m2, grosime 1,6-2 mm. • MAT 600 2x600 g/m2, grosime 2-2,6 mm; RT 800 pe bătătură 4x 800 g/m2 , grosime 3,2-3,6 mm; MAT 450 2x450 g/m2, grosime 1,6-2 mm.

Rezervorul are un diametru de 2000 mm şi o înălţime de 3800 mm, fiind compus din corp, fund, capac, straturi de legătură şi întărire, gură de vizitare (fig. 4.15 şi 4.16).

Realizarea materialului denumit MAT se face cu ajutorul următoarelor materiale: fibră de sticlă neţesută impregnate cu răşină poliesterică ortoftalică nesaturată.

Fig. 4.15 Rezervorul

Fig. 4.16 Gura de

aerisire

Fig. 4.17 Capacul rezervorului

Fig. 4.18 Corpul rezervorului în poziţia de prelucrare

Fibrele de polietilenă au fost de asemenea utilizate în aplicaţii inginereşti. În aceste fibre

modulul de elasticitate este controlat primar de gradul de orientare moleculară în timp ce rezistenţa este puternic dependentă de greutatea moleculară.


45

În figurile 4.17 şi 4.18 sunt prezentate părţi componente ale rezervorului: capacul, respectiv corpul rezervorului.

Pentru a se efectua încercările la tracţiune, s-au utilizat epruvete executate conform standardelor prezentate în subcapitolul 4.2.2 şi în 4.2.3. Încercările experimentale asupra epruvetelor fabricate de către SC COMPOZITE SRL Braşov, au fost solicite în cadrul Laboratorului de Încercare a Materialelor al Catedrei de Mecanică a Universităţii Transilvania Braşov.

4.4.1. Rezultatele obţinute la solicitarea de tracţiune a epruvetelor

Înainte de efectuarea testării epruvetelor, s-au măsurat cu precizie dimensiunile secţiunii transversale şi lăţimea epruvetei; aceste dimensiuni s-au introdus ca date de intrare în calculatorul ce este conectat la maşina de testat, având un soft corespunzător care preia datele experimentale de la maşina de încercat şi le prelucrează statistic.

Epruvetele de tip MAT- Roving au fost prelevate dintr-o placă cu o grosime de 8 mm, pe a cărei faţă a fost aplicat un strat de gelcoat alb. Epruvetele au fost polimerizate 24 ore la o temperatură de aproximativ 20°C.

Fig. 4.19 Epruvetele 1-8 după ce au fost supuse la

tracţiune

Fig. 4.20 Epruvetele 9-12 înainte de a fi supuse la

tracţiune

Tabel 4.7 Valorile parametrilor pentru epruvetele solicitate la tracţiune

E1 E2 E3 E4 E5 E6 E7 E8 E9 E10 E11 E12

Lungimea porţiunii

calibrate, mm 50 50 50 50 50 50 50 50 50 50 50 50

Viteza de încărcare, mm/min

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

Lăţimea epruvetei, mm

10 9,5 9,3 9 9,5 9,5 9,2 9,2 9,8 9,2 9,5 9

Grosimea epruvetei, mm

7 7,2 7,6 7,1 7,2 7,1 7 7,8 7 7,1 7,3 7,5

Aria, mm2 70 68,4 70,68 63,9 68,4 67,45 64,4 71,76 68,6 65,32 69,35 67,5


46

Tabel 4.8 Valorile medii ale caracteristicilor mecanice de tracţiune MAT-Roving

Proprietăţile mecanice la tracţiune pentru MAT-Roving

Valorile medii

Rigiditate, N/m 20019000 Modulul de elasticitate, MPa 14572 Tensiunea la încărcarea maximă, MPa 202,26 Deformaţia specifică a epruvetei de la valoarea iniţială până la valoarea maximă

0,92118

Deformaţia specifică la încărcarea maximă 0,021712 Lucru mecanic efectuat de la valoarea iniţială până la cea maximă, Nmm

6975

Încărcarea la rupere, kN 8,7386 Tensiunea la rupere, MPa 129,99 Deformaţia specifică la rupere 0,022812 Tensiunea la deformaţia maximă, MPa 134,18

În tabelul 4.7 sunt prezentate valorile parametrilor epruvetelor ce au fost supuse încercării la

tracţiune MAT-Roving. În figura 4.21 se prezintă valorile rigidităţii a celor 12 epruvete realizate din MAT-Roving cu

8 straturi. Se observă că valoarea minimă a rigidităţii 15530000 N/m o are epruveta 8, iar valoarea maximă 25899000 N/m o are epruveta 5 şi valoarea medie este 19627000 N/m.

0

5000000

10000000

15000000

20000000

25000000

30000000

Rig

idit

ate

[N/m

]

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Număr epruvetă Fig. 4.21 Distribuţia rigidit ăţii pentru încercarea la

tracţiune MAT-Roving

02000400060008000

100001200014000160001800020000

Mo

du

lul

lui

Yo

un

g [

MP

a]

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Număr epruvetă Fig. 4.22 Diagrama obţinută la tracţiune pentru Modulul

de elasticitate MAT-Roving

La tracţiune rezultatele pentru modulul de elasticitate (fig. 4.22) sunt: valoarea minimă este

10820 MPa, valoarea maximă este 18932 MPa şi valoarea medie 14488 MPa.

Fig. 4.23 Epruveta prinsă în bacurile maşinii de încercat şi extensometrul prins pe epruvetă


47

Stress (MPa)

0

50

100

150

200

Strain0,00 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07

BreakGreatest Slope Point #2

Greatest Slope Point #1

Graph 1

A 4.1 Diagrama tensiune-deformaţie pentru epruveta nr.

1 MAT-Roving

Stress (MPa)

0

50

100

150

200

Strain0,00 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08



Graph 5


5 MAT-Roving

Stress (MPa)

0

50

100

150

200

Strain0,00 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09

Break



Graph 11


11 MAT-Roving

Load (N)

-1000

000

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

9000

10000

11000

12000

13000

Extension (mm)0,0 1,0 2,0 3,0 4,0

Break



Graph 4

A 4.20 Diagrama tensiune-deformaţie pentru epruveta

nr. 4 Roving pe bătătur ă

Figura 4.23 reprezintă prinderea epruvetei între bacurile maşinii de testat şi extensometrul

montat pe epruvetă, pentru a obţine mai multe informaţii referitoare la caracteristicile mecanice de

tracţiune.

Fig. 4.24 Curba forţă - deplasare pentru epruvetele 1-3

solicitate de tracţiune




48



Fig. 4.27 Curba forţă - deplasare pentru epruvetele

10-12 solicitate de tracţiune

Epruvetele realizate din ţesătură de roving atât pe urzeală, cât şi pe bătătură fiind prelevate dintr-o placă cu o grosime de 5 mm realizat din 4 straturi, pe a cărei faţă a fost aplicat un strat de gelcoat alb. Epruvetele au fost polimerizate 24 ore la o temperatură de aproximativ 20°C.

Fig. 4.28 Epruvetele 1-5 roving urzeală după ce au fost

supuse la tracţiune

Fig. 4.29 Epruvetele 1-5 roving bătătur ă după ce a

fost supuse la supuse la tracţiune

În tabelul 4.9 sunt prezentate valorile parametrilor epruvetelor de tip Roving cu 4 straturi ce

au fost supuse încercării la tracţiune MAT-Roving.

Tabel 4.9 Valorile parametrilor pentru epruvetele realizate din roving RT800 urzeală şi RT800 bătătură supuse la tracţiune

E U1 E U2 E U3 E U4 E U5 E B1 E B2 E B3 E B4 E B5

Lungimea porţiunii

calibrate [mm] 50 50 50 50 50 50 50 50 50 50

Viteza de încărcare [mm/min]

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

Lăţimea epruvetei [mm]

9,8 9 9 10 9,3 9,8 9 9 10 9,3

Grosimea epruvetei [mm]

4,3 4,3 4,4 4,4 4,3 4,5 4,4 4,5 4,3 4,3

Aria [mm2] 42,14 38,7 39,6 44 39,99 44,1 40,92 45 42,57 43


49

Tabel 4.10 Valorile medii ale caracteristicilor mecanice de tracţiune Roving

Proprietăţile mecanice la tracţiune pentru Roving

Valorile medii pentru Roving pe

urzeală


bătătur ă Rigiditate, N/m 19345000 26440000

Modulul de elasticitate, MPa 23685 29978 Tensiunea la încărcarea maximă, MPa 251,56 276,41 Alungirea la încărcarea maximă 0,022857 0,019801 Deformaţia specifică a epruvetei de la valoarea iniţială până la valoarea maximă

1,1429 0,99004

Lucru mecanic efectuat de la valoarea iniţială până la cea maximă, Nmm

13805 5991

Încărcarea la rupere, kN 2,0456 4,3113 Tensiunea la rupere, MPa 49,73 101,28 Deformaţia specifică la rupere 0,3349 0,034239

4.4.2. Rezultatele obţinute la solicitarea de încovoiere

Epruvetele au fost fabricate de către SC COMPOZITE SRL Braşov, care ulterior au fost solicitate la încovoiere s-a realizat în cadrul Laboratorului de Încercare a Materialelor al Catedrei de Mecanică, a Universităţii Transilvania Braşov.

Epruvetele din material compozit statificat de tip MAT-Roving au fost prelevate dintr-o placă cu o grosime de 7 mm, pe a cărei faţă a fost aplicat un strat de gelcoat alb.

Fig. 4.30 Epruvete înainte de a fi supuse la încovoiere

Fig. 4.31 Epruvete după ce au fost supuse la încovoiere

Tabel 4.11 Valori ale parametrilor pentru epruvetele supuse la încovoiere

E1 E2 E3 E4 E5 E6 E7 E8 E9 E10 E11 E12 Lungimea porţiunii calibrate,

mm

110 110 110 110 110 110 110 110 110 110 110 110


3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3

Lăţimea epruvetei,

mm 15 15 15 14,9 15 14,9 15 15 14,9 15 15 14,9

Grosimea epruvetei,

mm 7,2 7 7,4 7,8 7,5 7,4 7,8 7,5 7 7,3 7,5 7

Aria, mm2 108 105 111 116,22 112,5 110,26 117 112,5 104,3 109,5 112,5 104,3


50

În tabelul 4.11 se prezintă valorile parametrilor epruvetelor MAT-Roving ce au fost solicitate la încovoiere, fiind pentru softul maşinii date iniţiale, caracteristici ale epruvetelor.

Tabel 4.12 Valori medii ale caracteristicilor mecanice la încovoiere

Proprietăţi mecanice la încovoiere pentru MAT-Roving

Valorile medii pentru MAT-Roving

Rigiditate, N/m 69111 Modulul de elasticitate, MPa 3815,9 Rigiditatea la încovoiere, Nm² 1,9164 Tensiunea la încărcarea maximă, MPa 211,10 Deformaţia specifică la încărcarea maximă 0,066354 Deformaţia specifică a epruvetei de la valoarea iniţială până la valoarea maximă, mm

40,620


16646

Încărcarea la rupere, kN 0,10620 Tensiunea la rupere, MPa 21,384 Deformaţia specifică la rupere 0,12211 Tensiunea la deformaţia maximă, MPa 2,91

Se observă că valoarea minimă a rigidităţii 60330 N/m este pentru epruveta 10, iar valoarea

maximă 79870 N/m pentru epruveta 7 şi valoarea medie este 68319 N/m (fig. 4.32).

0

10000

20000

30000

40000

50000

60000

70000

80000

Rig

idit

ate

[N/m

]

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Număr epruvetă Fig. 4.32 Diagrama rigidităţii la încercarea de

încovoiere

3000

3200

3400

3600

3800

4000

4200

Mo

du

lul

lui

Yo

un

g [

MP

a]

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Număr epruvetă Fig. 4.33 Diagrama modulului de elasticitate la

încovoiere

În figura 4.33 se prezintă valorile Modulului de elasticitate a celor 12 epruvete. Se observă că

valoarea minimă este 3440 MPa, valoarea maximă 4122 MPa şi valoarea medie 3801,3 MPa.

Fig. 4.34 Epruveta supusă la încovoiere pe maşina de testat


51

Maximum Bending Stress (MPa)

0

50

100

150

200

Maximum Bending Strain-0,01 0,00 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 0,10 0,11 0,12 0,13

Break



Graph 7

A 4.29 Diagrama tensiune-deformaţie la încovoiere

pentru MAT-Roving (epruveta 7)

Maximum Bending Stress (MPa)

0

50

100

150

200

250

Maximum Bending Strain0,00 0,05 0,10 0,15



Graph 9


pentru MAT-Roving (epruveta 9)

Load (N)

-100

00

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

1100

Extension (mm)0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0

Break



Graph 4


(epruveta 4) pe urzeală

Load (N)

-100

00

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

1100

Extension (mm)0 10 20



Graph 4


(epruveta 4) pe bătătur ă


solicitate de încovoiere


4-6 solicitate de încovoiere

Fig. 4.37 Curba forţă - deplasare pentru epruvetele 7-9 solicitate

de încovoiere


10-12 solicitate de încovoiere

Pentru a observa ce influenţează pozitiv sau nu proprietatea materialului creat MAT-Roving,

s-au testat epruvete realizate din Roving RT800 4 straturi, aceeaşi tehnologie. În figura 4.39 sunt


52

prezentate epruvetele din material compozit Roving RT800, atât pe urzeală, şi în figura 4.40. Roving RT800 pe bătătură.

Fig. 4.39 Epruvetele Roving 4 straturi pe urzeală

Fig. 4.40 Epruvetele Roving 4 straturi pe bătătur ă

Tabel 4.13 Valorile de încărcare a parametrilor epruvetei din Roving

E U1 E U2 E U3 E U4 E U5 E B1 E B2 E B3 E B4 E B5

Lungimea porţiunii calibrate,

mm

60 60 60 60 60 60 60 60 60 60


5 5 5 5 5 5 5 5 5 5

Lăţimea epruvetei,

mm 10,4 10,8 11 10,5 10,6 10,5 10,8 10,5 10,4 10,6

Grosimea epruvetei,

mm 4 4,2 4,2 4,1 4,5 4,5 4,4 4,5 4,4 4,4

Aria, mm2 41,6 45,36 46,2 43,05 47,7 47,25 47,52 47,25 45,76 46,64

Tabel 4.14 Valori medii ale caracteristicilor mecanice la încovoiere

Proprietăţile mecanice la încovoiere pentru Roving Valorile medii

pentru Roving pe urzeală


bătătur ă Rigiditate, N/m 207560 247850 Modulul de elasticitate, MPa 11397 10404 Rigiditatea la încovoiere, Nm² 0,69286 0,82738 Tensiunea la încărcarea maximă, MPa 288,02 285,86 Deformaţia specifică la încărcarea maximă 0,031726 0,030984 Deformaţia specifică a epruvetei de la valoarea iniţială până la valoarea maximă, mm

7,9326 7,4885


4967 5652

Încărcarea la rupere, kN 0,97834 1,1098 Tensiunea la rupere, MPa 261,39 258,36 Deformaţia specifică la rupere 0,040164 0,040205


53

4.5. Concluzii privind rezultatele investigaţiilor experimentale efectuate la tracţiune şi încovoiere

Dacă în materialele compozite armate cu fibre există tensiuni interne de valori mai mari decât cele admisibile, atunci în timpul utilizării acestora, chiar şi o sarcină redusă poate deteriora ireversibil compozitul.

Pe baza experienţei şi a datelor acumulate se pot menţiona câteva din aprecierile ce se pot formula: • polimerii folosiţi ca matrice au în general proprietăţi vâscoelastice pronunţate; • fibrele de armare la valorile ridicate ale tensiunii se comportă în general liniar-elastic;

• rezultatele încercărilor sunt puternic influenţate de viteza de încercare, care trebuie aleasă pentru a asigura o alungire de cca 1..2 % /minut; • rezultatele obţinute la încercarea matricilor au o împrăştiere destul de largă, fapt ce impune un număr relativ mare de încercări pentru un coeficient de încredere rezonabil şi cu toate acestea concluziile sunt limitate; • pentru materialele de armare rezultatele încercărilor la tracţiune depind esenţial de dimensiunile epruvetei folosite; • pentru tehnopolimerii obţinuţi din amestecurile polipropilenă-poliacrilonitril sau polipropilenă armată haotic cu fibră de sticlă se remarcă creşterea rezistenţei la rupere şi mărirea modulului de elasticitate. Creşterea proporţiei elementului de armare, în special la amestecurile menţionate duce la creşterea rezistenţei la rupere; • temperatura de obţinere a probelor de amestecuri de polimeri influenţează rezistenţa şi deformaţia specifică la rupere în sensul creşterii acestora.

Valoarea minimă a rigidităţii la tracţiune pentru MAT-Roving: 15530000 N/m o are epruveta 8, iar valoarea maximă 25899000 N/m o are epruveta 5 şi valoarea medie este 19627000 N/m, valorile modulului de elasticitate la tracţiune sunt: valoarea minimă este 10820 MPa, valoarea maximă este 18932 MPa şi valoarea medie 14488 MPa.

La încovoiere: valoarea minimă a rigidităţii 60330 N/m este pentru epruveta 10, iar valoarea maximă 79870 N/m pentru epruveta 7 şi valoarea medie este 68319 N/m;valorile modulului de elasticitate a celor 12 epruvete sunt: valoarea minimă este 3440 MPa, valoarea maximă 4122 MPa şi valoarea medie 3801,3 MPa.

Atât în cazul solicitării dinamice cât şi în cazul celei statice, apariţia primelor deteriorări are loc mai târziu la sistemele cu matrice tenace decât în cazul celor cu matrice casantă.

4.6. Analiza cu traductoare electrotensometrice rezistive (TER) pentru materialul compozit studiat

4.6.1. Aspecte privind tensometria electro rezistivă

Tensometria electrică ale cărei baze au fost puse în urmă cu aproximativ şase decenii, a cunoscut o rapidă şi largă dezvoltare datorită importantelor avantaje pe care le prezintă: metoda este nedistructivă, deci nu sunt modificate: forma şi dimensiunile piesei sau structurii care este măsurată; permite executarea de măsurări în condiţii reale de funcţionare a acestora; asigură, prin folosirea aparatajului electronic, o sensibilitate şi o precizie mult mai mare decât metodele mecanice, optice, acustice sau pneumatice; de asemenea, utilizarea aparatajului electronic, care practic este lipsit de inerţie, permite măsurarea şi înregistrarea fenomenelor a căror variaţie este rapidă.


54

Traductorul rezistiv folosit în tensometrie este un rezistor constituit din unul sau mai mulţi conductori legaţi în serie, de diametru foarte mic (0,015....0,02 mm), având o rezistenţă electrică ale cărei valori sunt, de regulă, cuprinse între: Ω= 50R şi ohmiR 1000= . Acest rezistor este lipit pe

un suport sau înglobat în suport(de hârtie sau din material sintetic). Datorită formei şi dimensiunilor sale reduse traductorul rezistiv este numit şi marcă tensometrică.

4.6.2. Principiul de funcţionare al TER În analiza TER, traductorul se fixează pe piesa supusă cercetării astfel încât să urmărească

fidel deformaţiile acesteia, indicate de către o variaţie a rezistenţei sale electrice. S-a constatat că variaţia specifică a rezistenţei traductorului, este între anumite limite, practic proporţional cu deformaţia specifică suferită de acesta odată cu piesa pe care este aplicat [12].

De asemenea, valoarea coeficientului se modifică în cazul în care firul este aplicat pe un suport, pentru a forma reţeaua unui traductor, şi este influenţată de dimensiunile traductorului. De aceea valoarea acestui coeficient se determină experimental pentru fiecare lot de traductoare în parte. În acest caz, coeficientul k definit prin relaţia [22]:

R

Rk

∆=ε1

. (4.13)

este denumit constanta traductorului.

4.6.3. Caracteristicile TER

Principalele caracteristici ale TER sunt [12]: tipul reţelei: fir sau folie; dimensiunile reţelei :

interesează în special lungimea activă 0l care reprezintă baza de măsurare a TER; materialul

suportului; dimensiunile suportului; rezistenţa electrică a TER, cuprinsă între 50 şi 1000 Ω, valoarea rezistenţei utilizată în teză este 120 Ω; constanta k a TER, în funcţie de tipul traductorului, poate avea valori între 1,6 şi 3,6; valoarea constantei k utilizată este 2.03; 2.05; 2.09.

Domeniul de temperatură în care se poate utiliza traductorul; acest domeniu depinde atât de adeziv şi de materialul suportului, cât şi de felul solicitării.

4.6.4. Rezultatele experimentale cu TER pentru rezervorul studiat

TER au cea mai largă utilizare în tensometrie datorită simplităţii lor şi a uşurinţei de aplicare pe piesa de măsurat, respectiv costului redus al lucrărilor, precum şi datorită preciziei şi marilor posibilităţi pe care le oferă în realizarea de măsurări în cele mai complicate şi dificile condiţii de lucru şi de încărcare.

Pentru a realiza şi o analiză experimentală, s-au determinat deformaţii specifice pentru un rezervor (fig. 4.42) cu aparatul MK Kompensator, fiind aşezate transversal şi longitudinal.

Pentru determinarea eforturilor unitare σ în structura de material compozit, s-au folosit TER tip de 120 Ω aplicate pe structura de cercetat în configuraţia de semipunte, după cum urmează:

După aplicarea TER s-a luat pentru fiecare punct un ”zero” static prezentat în tabelul 4.11 prezentat mai jos:


55

Fig. 4.42 Măsurarea deformațiilor specifice ce

apar în rezervorul încărcat cu apă

Fig. 4.47 Traductoarele electro rezistive aplicate pe rezervor

Fig. 4.43 TER activă nr. 1



Tabel 4.15 Valorile pentru cele trei TER-uri la zero static

Zero static TER nr.1 TER nr.2 TER nr.3 La umplerea rezervorului 0.026597 0.026043 0.024593 La golirea rezervorului 0.026493 0.025962 0.024417

Zero static s-a determinat cu ajutorul operatorului HBM KOMPENSATOR MK Hottinger

Baldwin Messtehnic. Tensiunea σ=E·ε, unde: ε – deformaţia specifică ε=∆l/l ; σ − tensiunea; Ε − modulul de

elasticitate, constanta pentru fibră având ca valori cuprinse între (0,06÷0,10)106MPa. După ce a fost determinat zero static pentru fiecare punct de măsurare, a urmat umplerea

recipientului cu apă în trei etape, fiecare etapă reprezentând 1/3 din volumul recipientului, determinându-se cu ajutorul operatorului MK solicitarea în structură pentru cele trei umpleri.

Diferenţa între zero static al aparatului şi valoarea de încărcare reprezintă deformaţia specifică (ε), care este adimensional.

Tabel 4.16 Deformaţiile specifice în momentul umplerii rezervorului în trei etape, pentru 3 TER:

Etapele de umplere

ε pentru TER nr.1 ε pentru TER nr.2 ε pentru TER nr.3

1/3 din rezervor -0.0118 -0.0139 -0.0247 2/3 din rezervor -0.0168 -0.0233 -0.0243 Rezervorul plin -0.0163 -0.0180 -0.0214

TER nr. 2

TER nr. 1

TER nr. 3


56

Tabel 4.17 Deformaţiile specifice în momentul golirii rezervorului în trei etape, la 3 TER:

Etapele de golire ε pentru TER nr.1 ε pentru TER nr.2 ε pentru TER nr.3 1/3 din rezervor -0.0007 -0.0091 -0.0069 2/3 din rezervor -0.0009 -0.0127 -0.0049 Rezervorul plin -0.0020 -0.0090 -0.0025

Se costată că în rezervor tensiunile care apar se încadrează în limitele existente fiind valori

mici, se constată o supradimensionare a acestuia, ceea ce a dus la realizarea de materiale compozite cu mai puţine straturi, iar grosimea acestora sa fie mai mică, pentru a se reduce consumul de fibre şi răşină, un cost scăzut de fabricaţie.

4.6.5. Analiza epruvetelor cu TER între straturile materialului

Diminuarea erorilor reprezintă problema de bază a tehnicii măsurătorilor precise. Precizia este calitatea globală şi cea mai importantă a unui lanţ de măsurare, acestea fiind:

justeţe, sensibilitate, fidelitate etc. Eroarea de precizie, asimilată practic în-valoarea cu cea de măsurare, are un caracter global,

cuprinzând eroarea de justeţe cât şi cea de fidelitate [12]. Determinările efectuate în tensometria electrică rezistivă sunt afectate frecvent de erori

sistematice. Există numeroase cazuri în care diminuarea erorilor de măsurare până la limite acceptabile nu poate fi făcută decât prin calcule, care uneori sunt extreme de complicate.

Analiza cu TER a epruvetelor din material compozit stratificat Epruvetele care au fost prezentate în subcapitolul 3.3.9 fiind analizate cu MEF, în acest

subcapitol s-a prezentat în detaliu rezultatele obţinute cu TER. S-au prezentat cele 5 tipuri de epruvete, solicitate la încovoiere, rezultatele determinate

experimental cu TER, fiind citite cu softul CATMAN. Pentru aceasta a fost necesară aplicarea unei scheme (fig. 4.48) pentru a realiza o jumătate de

punte, traductoarele electrotensometrice rezistive erau sfert de punte au fost legate de alte TER de compensare de acelaşi tip tot din sfert de punte.

Spider este un sistem electronic de măsurare cu ajutorul calculatorului în vederea măsurării mecanice cum ar fi: tensiune, deformaţie specifică, forţă, presiune, traiectorie, acceleraţie şi pentru temperatură. Spider 8 utilizează un amplificator de frecvenţă de 600 Hz pentru a realiza măsurătorile cu S/G într-o conexiune în 1/4, 1/2, sau punte întreagă. În figura 4.49 reprezintă toate straturile pentru cele 6 epruvete care au fost ulterior lipite (fig. 4.50)

Fig. 4.49 Straturile pentru epruvetele realizate pentru

cercetări

Fig. 4.50 Epruvetele realizate pentru testarea la

încovoiere şi analiza pe straturi cu TER


57

Fig. 4.48 Schema de conectare a TER-urilor

Studiul s-a realizat pe epruvete din material compozit de tip MAT şi Roving, care au fost supuse la încovoiere, iar cu ajutorul aparatului Spider 8 (fig. 4.51) s-a putut analiza pe fiecare strat în parte proprietăţile mecanice ale acestor materiale.

Fig. 4.51 Aparatul SPIDER8 pentru testarea TER

Fig. 4.52 Aparatul SPIDER8 în momentul testării

Rezultatele obţinute cu TER, au fost comparate cu cele obţinute metoda elementului finit. Epruveta MAT450 4 straturi cu 3 TER între straturi, 3 TER de compensare şi 3 mufe; care au

fost prinse în Spider8, concomitent fiind supusă şi la maşina de testat pentru încovoiere în 4 puncte prezentată în figura 4.53.

Fig. 4.53 Epruveta MAT450 4 straturi,

3 TER în momentul testării

-4000

-3000

-2000

-1000

0

1000

2000

3000

4000

0 17

33

50

66

83

99

11

6

13

2

14

9

16

5

18

2

19

8

21

5

23

1

24

8

26

4

28

1

29

7

31

4

33

0

34

7

36

3

Timpul (s)

De

form

aţia

spe

cifică

/10

00

00

(ε)

TER1

TER2

TER3

Fig. 4.54 Diagrama deformaţiei specifice în funcţie de timp pentru

MAT450

În urma analizei cu TER a epruvetei, realizate din material compozit de tip MAT 450, cu 4

straturi, a rezultat graficul prezentat în figura 4.54, obţinându-se deformaţia specifică pe fiecare strat în parte, în funcţie de timp. În timpul solicitării epruvetei la încercarea de încovoiere, s-a obţinut la

Cuplă cu 15 pini

15 pini

TER activ

TER de compensare

Semnal de măsurare

Tensiune de excitare a punţii

Circuit de senzori

Tensiune de excitare a punţii

Circuit de senzori


58

o forţă de 603 N, la timpul de 365 secunde, la SPIDER8 s-au obţinut deformaţiile specifice, respective maximul TER1-(0.03355), TER2-(-0.00058), TER3-(-0.03318).

Epruveta RT800 pe urzeală 4 straturi cu 3 TER între straturi, 3 TER de compensare şi 3 mufe care au fost prinse în Spider8, pentru a studia pe fiecare strat în parte dacă rezultatul este întindere sau o compresiune, concomitent fiind supusă şi la maşina de testat pentru încovoiere în 4 puncte (fig. 4.55).

Fig. 4.55 Epruveta RT800 pe urzeală 4 straturi cu 3 TER, în timpul testării

-3000

-2000

-1000

0

1000

2000

3000

0 15 30 45 60 75 90 105 120 135 150 165 180 195 210 225 240 255 270 285 300 315 330 345

Timpul (s)

De

form

aţia

spe

cifică

/10

00

00

(ε)

TER1TER2TER3

Fig. 4.56 Diagrama deformaţiei specifice în funcţie de timp pentru RT800, urzeală

Analiza cu TER a epruvetei, realizate din material compozit de tip RT800 pe urzeală 4

straturi, a rezultat graficul prezentat în figura 4.56, obţinându-se deformaţia specifică pe fiecare strat în parte în funcţie de timp. Epruveta a fost solicitată la încovoiere, s-a obţinut la timpul de 353.5 secunde, o forţă de 600 N, în acelaşi timp la aparatul SPIDER8 s-au obţinut deformaţiile specifice, respective maximul TER1-(0.02565), TER2-(0.00235), TER3-(-0.02336).

Epruveta RT800 pe bătătură 4 straturi cu 3 TER între straturi, 3 TER de compensare şi 3 mufe care au fost introduse în aparatul în Spider8, pentru a studia pe fiecare strat în parte comportarea materialului, simultan epruveta fiind testată la încovoierea în 4 puncte (fig. 4.57).

Fig. 4.57 Epruveta RT800 pe bătătur ă 4

straturi cu 3 TER, în timpul testării, producându-se delaminare

-2500

-2000

-1500

-1000

-500

0

500

1000

1500

2000

2500

0 19 38 57 76 95 114

133

152

171

190

209

228

247

266

285

304

323

342

361

380

399

418

Timpul (s)

Def

orm

aţia

spe

cifică

/10

00

00

(ε)

TER1

TER2

TER3


RT800, bătătur ă

Analiza cu TER a epruvetei, realizate din material compozit de tip RT800 pe bătătură 4

straturi, a rezultat graficul prezentat în figura 4.58, obţinându-se deformaţia specifică pe fiecare strat în parte în funcţie de timp, determinând testarea chiar şi după ce s-a produs ruptura. În timpul solicitării la încovoiere a epruvetei, s-a obţinut la timpul de 346.6 secunde, o forţă de 600 N, în acelaşi timp la aparatul SPIDER8 s-au obţinut deformaţiile specifice, respective maximul TER1-(0.01744), TER2-(0.00255), TER3-(-0.01616).


59

Epruveta MAT-Roving pe urzeală 8 straturi cu 7 TER între straturi, 7 TER de compensare şi 7 mufe, înainte de a fi testată la încovoierea în 4 puncte şi de a se studia comportarea materialului pe fiecare strat în parte cu Spider8 (fig. 4.59).

Fig. 4.59 Epruveta RT800 pe urzeală 8 straturi

cu 7 TER, în timpul testării

-2000

-1500

-1000

-500

0

500

1000

1500

2000

0 7 14 21 28 35 42 49 56 63 70 77 84 91 98 105 112 119 126 133

Timpul (s)

Def

orm

aţia

sp

ecifi

că /1

0000

0 (ε)

TER1

TER2

TER3

TER4

TER5

TER6

TER7

Fig. 4.60 Diagrama deformaţiei specifice în funcţie de timp

pentru MAT-RT800, urzeală

Studiu cu TER a epruvetei 8 straturi, realizate din material compozit de tipMAT-RT800 pe

urzeală, a rezultat graficul prezentat în figura 4.60, obţinându-se deformaţia specifică pe fiecare strat în parte în funcţie de timp. În timpul testării la încovoiere, s-a obţinut la timpul de 134 secunde, o forţă de 988 N, în acelaşi timp la aparatul SPIDER8 s-au obţinut deformaţiile specifice, respective maximul TER1-(0.01719), TER2-(0.00902), TER3-(0.00394), TER4-(-0.00117), TER5-(-0.00470), TER6- (-0.00922), TER7-(-0.01512).

Epruveta MAT-Roving pe bătătură 8 straturi cu 7 TER între straturi, 7 TER de compensare şi 7 mufe, înainte de a fi testată la încovoierea în 4 puncte şi de a se studia comportarea materialului pe fiecare strat individual cu Spider8, comparându-se rezultatele (fig. 4.61).

Fig. 4.61 Epruveta RT800 pe bătătur ă 8

straturi cu 7 TER, în timpul testării

-2500

-2000

-1500

-1000

-500

0

500

1000

1500

2000

2500

0 7 14 21 28 35 42 49 56 63 70 77 84 91 98 105 112 119 126 133 140 147 154 161 168 175

Timpul (s)

Def

orm

aţia

sp

ecifi

că /1

0000

0 (ε) TER1

TER2

TER3

TER4

TER5

TER6

TER7


MAT-RT800, bătătur ă

Analiza cu TER a epruvetei, realizate din material compozit de tip MAT-RT800 pe bătătură 8

straturi, a rezultat graficul prezentat în figura 4.62, obţinându-se deformaţia specifică pe fiecare strat în parte în funcţie de timp. În timpul solicitării la încovoiere a epruvetei MAT450, s-a obţinut la timpul de 181.5 secunde o forţă de 983 N, în acelaşi timp la aparatul SPIDER8 s-au obţinut


60

deformaţiile specifice, respective maximul TER1-(0.01953), TER2-(0.01220), TER3-(0.00615), TER4 - (-0.00186), TER5-(-0.01107), TER6- (-0.01372), TER7-(-0.01816).

4.6.6. Concluzii obţinute în urma analizei stărilor de deformaţii cu TER

Aceste testări tensometrice s-au realizat cu ajutorul aparatului HBM Kompensator MK Hottinger Baldwin Messtehnic şi Spider 8.

Pentru a determina tensiunile care apar pentru cele trei TER, s-a determinat zero static, pentru care s-a făcut diferenţa între valoarea indicată de aparat şi măsurătorile ulterioare atât la umplerea rezervorului cu apă în trei etape şi apoi golirea tot prin aceiaşi metodă, s-au determinat numai tensiuni de compresiune la toate citirile efectuate în acele zone în care au fost lipite TER.

Analiza tensometrică aduce un aport în completarea rezultatelor la încercările experimentale, unde s-au determinat proprietăţile mecanice ale materialelor compozite şi modelarea cu element finit, analiză care nuanţează tensiunile maxime care apar în anumite zone ale materialului

Studiul s-a realizat pe epruvete din material compozit de tip MAT şi Roving, care au fost supuse la încovoiere, iar cu ajutorul aparatului Spider 8, s-a putut analiza pe fiecare strat în parte deformaţiile specifice ale acestor materiale.

În urma analizei cu TER a epruvetelor care în timpul solicitării epruvetei la încercarea de încovoiere şi analiza cu SPIDER8, s-au determinat următoarele valori ale deformaţiei specifice care au fost comparate cu MEF: 1. pentru materialul compozit de tip MAT 450, cu 4 straturi, , s-au obţinut deformaţiile specifice, respective maximul TER1-(0.03355), TER2-(-0.00058), TER3-(-0.03318); 2. în urma analizei materialului compozit de tip RT800 pe urzeală 4 straturi, s-au obţinut deformaţiile specifice, respective maximul TER1-(0.02565), TER2-(0.00235), TER3-(-0.02336); 3. studiul privind epruveta din material compozit de tip RT800 pe bătătură 4 straturi, a rezultat deformaţiile specifice, maximul TER1-(0.01744), TER2-(0.00255), TER3-(-0.01616); 4. studiu cu TER a epruvetei 8 straturi, realizate din material compozit de tip MAT-RT800 pe urzeală, au rezultat următoarele deformaţiile specifice, maximul TER1-(0.01719), TER2-(0.00902), TER3-(0.00394), TER4-(-0.00117), TER5-(-0.00470), TER6- (-0.00922), TER7-(-0.01512); 5. epruveta realizată din material compozit de tip MAT-RT800 pe bătătură 8 straturi, a avut aceste deformaţii specifice, maximul TER1-(0.01953), TER2-(0.01220), TER3-(0.00615), TER4 - (-0.00186), TER5-(-0.01107), TER6- (-0.01372), TER7-(-0.01816).

Se costată că în rezervor tensiunile care apar se încadrează în limitele existente fiind valori mici, se constată o supradimensionare a acestuia, ceea ce ar duce la realizarea de materiale compozite cu mai puţine straturi, iar grosimea acestora sa fie mai mică, pentru a se reduce consumul de fibre şi răşină, un cost mai mic de fabricaţie.

4.7. Analiza metalografică şi microscopică Analiza macroscopică reprezintă examinarea de ansamblu cu ochiul liber, cu lupa sau cu

ajutorul microscopului, la măriri reduse (sub 100x) a semifabricatelor, pieselor, sculelor sau a probelor special pregătite în acest scop (rupturi, secţiuni). Prin această analiză se pot obţine informaţii despre tehnologia de fabricaţie (turnare, deformare plastica, etc.), dar şi detalii asupra condiţiilor de exploatare (ruperi la solicitări statice sau prin oboseală, pete de etc.

Pentru a vizualiza structura s-a făcut o analiză metalografică în care s-a putut observa straturile, omogenitatea produsului, dar şi răşina.


61

Trebuie subliniat faptul că structura internă a granulei tipice nu necesită o asemănare cu structura reală ce poate fi izolată dintr-o secţiune de material. Noţiunea de granulă caracteristică reprezintă o construcţie ipotetică, introdusă pentru a separa convenabil efectele orientării, de influenţa compoziţiei şi de geometria armării (aşa cum este reflectată de specificaţia comportării granulei tipice).

Fig. 4.63 Faţa mată a materialului compozit Fig. 4.64 Faţa lucioasă a materialului compozit

MAT-Roving MAT-Roving

În cazul în care un element constructiv compozit armat cu fibre este solicitat multiaxial, de cele mai multe ori este necesară o aranjare a fibrelor în două sau mai multe direcţii. Este cazul tuburilor compozite armate cu fibre solicitate prin presiune interioară sau exterioară.

Dacă există direcţii preferenţiale ale orientării fibrelor atunci există şi direcţii preferenţiale ale proprietăţilor elastice. Se vorbeşte astfel de o anizotropie elastică. Dacă dispunerea fibrelor este simetrică faţă de două axe perpendiculare între ele atunci există cazul special al anizotropiei ortogonale sau ortotropie. Axele de simetrie sunt în acest caz axe ortotrope.

Fig. 4.65 Vedere longitudinală Fig. 4.66 Vedere transversală

Se desemnează în general drept compozit multistrat, un element constructiv fabricat din minim

două straturi ce prezintă, pentru o direcţie fixă dată, diferite valori ale proprietăţilor de elasticitate (module de elasticitate longitudinale, transversale, coeficienţi de contracţie transversală). Se tratează în special compozite multistrat ale căror straturi individuale sunt unidirecţional armate, toate fibrele fiind dispuse liniar şi paralel una faţă de cealaltă.

Pentru a studia modificările care apar în materialul compozit s-au utilizat 2 aparate performante: camera video şi microscopul VHX. Epruvetele după ce au fost solicitate la tracţiune şi încovoiere, fiind mărite cu ajutorul aparatelor prezentate în figurile 4.68 şi 4.69, au fost studiate în zona de rupere.

urzeală

bătătură


62

Camera video Sistemul Acclaim este o cameră manuala cu: o priză USB; senzor 1/4 Inch CCD; control

expunere automat; imagine normală, ne-oglindită; 1,3 megapixeli; capacitatea de a mări de 5 ori materialul studiat.

Fig. 4.68 Camera video în timpul analizei

Fig. 4.69 Microscop VHX

Microscop

Se pot face diferite măsurători în 3D: măsurare volum, măsurare profil secţiune, măsurarea distanţei între două plane paralele, măsurarea unghiurilor plane.

VHX 500 integrează toţi paşii pornind de la zoom până la măsurarea profilelor 3D, având capacitatea de a mări obiectul între 500 şi 2000 de ori.

Epruveta 2 studiată cu camera video unde a fost mărită de 5 ori zona de rupere şi microscopul VHX unde a fost mărită de 500 de ori zona studiată.

Fig. 4.70 Epruveta 2 mărit ă de 5 ori

Fig. 4.71 Epruveta 2 mărit ă de 500 ori, 2D

Epruveta 5 după solicitarea la încovoiere, s-a analizat cu camera video unde a fost mărită de 5 ori zona de rupere şi microscopul VHX unde a fost mărită de 500 de ori zona studiată.




63

În urma solicitării de încovoiere epruveta 8 a fost analizată cu camera video, unde a fost mărită de 5 ori zona de rupere şi cu microscopul VHX unde a fost mărită de 500 de ori zona studiată.



Epruveta 8 după ce a fost solicitată la tracţiune, s-a studiat cu camera video unde a fost mărită

de 5 ori zona de rupere şi microscopul VHX unde a fost mărită de 500 de ori.



Epruveta u3 analizată cu camera video unde a fost mărită de 5 ori şi cu microscopul VHX

fiind mărită de 500 zona de rupere.

Fig. 4.82 Epruveta u3 mărit ă de 5 ori

Fig. 4.83 Epruveta u3 mărit ă de 500 ori cu microscopul, 3D


64

A 4.69 Epruveta u3 mărit ă de 5 ori

A 4.70 Epruveta u3 mărit ă de 500 ori cu microscopul, 2D

4.7.1. Concluzii pentru analiza metalografică

Analiza macroscopică a fost realizată, în acestă lucrare, în urma unui control final. Studiul s-a efectuat pe suprafeţe preparate special (şlefuite şi atacate cu un reactiv). Prin analiza macroscopică pot fi evidenţiate şi determinate defecte care s-au format în diferite stadii tehnologice de fabricaţie.

Efectuarea cercetărilor macroscopice pe eşantioane de material compozit au scos în evidenţă structura stratificată şi neomogenă a materialului. Din analiza micrografiilor pentru epruvetele studiate s-a observat distribuţiile şi orientarea fibrelor de sticlă ale materialului MAT, cât şi cele ale Rovingului, distribuţiile materialelor de umplere precum şi adânciturile, neuniformităţile, deteriorările materialului, vacuolele şi incluziunile existente în matricea răşinii.

4.7.2. Concluzii privind analiza microscopică

Efectuarea cercetărilor microscopice au dus la o analiză în detaliu a materialului, a degradărilor acestuia, rupturilor ce apar în urma diferitelor solicitări mai exact la tracţiune şi încovoiere, unde s-a observat că pot sa apară fisuri atât la nivelul fibrei cât şi la nivelul matricei.

Astfel s-au studiat câteva epruvete realizate din materialele analizate în teză, unde s-a putut analiza structura stratificată, deteriorările materialului, distribuţiile materialelor de umplere, neuniformităţile care pot să apară.

Vizualizare în detaliu s-a realizat cu un microscop performant care poate mării suprafaţa studiată de 500 de ori, până la de 2000 de ori, iar imaginile au fost cât mai clar şi chiar până în profunzimea materialului. Rezultatele obţinute cu microscopul au fost atât 2D cât şi 3D, observând totodată cum s-a modificat toată structura acestor materiale.


65

CAP. 5.

5. CONCLUZII, CONTRIBU ŢII PERSONALE ŞI DIRECŢII VIITOARE DE CERCETARE

5.1. Concluzii

Modelarea structurală poate fi folosită cu succes la proiectarea generală în domenii ale tehnicii (construcţii de maşini, industria aeronavelor, industria militara, centrale eoliene, sport, aparatură medicală, utilaje chimice, utilaje pentru industria alimentară, contrucţii civile, etc.) care folosesc materiale compozite şi, în acest caz se recomandă macromodelele structurale ale materialelor compozite.

Compararea rezultatelor teoretice cu cele obţinute experimental au scos în evidenţă o foarte bună concordanţă a celor două tipuri de date. Privind încercările care s-au realizat atât la tracţiune cât şi la încovoiere, s-a observat că materialul compozit realizat din următoarele straturi: 2 MAT 450, 4 Roving 800 şi 2 MAT 600, are proprietăţi mult mai bune decât dacă materialele ar fi realizate separat, numai 4 straturi de MAT450 sau numai 4 straturi de Roving.

Dacă în materialele compozite armate cu fibre există tensiuni interne de valori mai mari decât cele admisibile, atunci în timpul utilizării acestora, chiar şi o sarcină redusă poate deteriora ireversibil compozitul. În urma cercetărilor realizate, reiese cât de importantă este luarea unor măsuri pentru diminuarea riscului formării fisurilor. O metodă reprezentativă este pretensionarea compozitului multistrat, şi anume introducerea tensiunilor interne în compozit, cu scopul ridicării limitelor de fisurare a acestuia.

Analiza cu metoda elementelor finite (MEF) este un proces complex, care presupune parcurgerea unor etape bine conturate. Apropierea cantitativă şi calitativă de realitate, a soluţiei oferite de către metoda elementelor finite depinde însă, în foarte mare măsură, de capacităţile de modelare şi rezolvare oferite de softul utilizat.

Analiza cu TER aduce un aport în completarea rezultatelor la încercările experimentale, unde s-au determinat proprietăţile mecanice ale materialelor compozite şi modelarea cu element finit, analiză care nuanţează tensiunile maxime care apar în anumite zone ale materialului.

Comparaţia rezultatelor a scos în evidenţă o bună concordanţă între rezultatele obţinute teoretic pe de o parte şi rezultatele experimentale pe de altă parte. Putem adăuga faptul că modelarea cu ajutorul elementului finit a adus un plus de cunoştinţe legate de material, de proprietăţile acestuia care au putut fi comparate cu analiza experimentală şi s-a constatat că acest material studiat, la dimensiunile la care a fost încercat, rezistă de fapt la solicitări de 40 de ori mai mari decât acelea la care va fi supus. Crearea cazurilor de încărcare cât şi analizarea modelului cu MEF a dus la obţinerea rezultatelor privind deformaţiile care apar, a distribuţiilor de tensiuni minime, maxime şi von Mises pe toate straturile, dar şi respectiv tensiuni pe fiecare strat în parte (von Mises, pe componenta X şi pe componenta Y).

Pe baza rezultatelor obţinute se pot trage concluzii importante în ceea ce priveşte posibilităţile de optimizare a formei şi dimensiunilor elementelor proiectate, din punct de vedere al asigurării unor cerinţe legate de mărimea şi distribuţia tensiunilor şi deformaţiilor, a modurilor şi frecvenţelor proprii de vibraţie.

TER au cea mai largă utilizare în tensometrie datorită simplităţii lor şi a uşurinţei de aplicare pe piesa de măsurat, respectiv costului redus al lucrărilor, precum şi datorită preciziei şi marilor


66

posibilităţi pe care le oferă în realizarea de măsurări în cele mai complicate şi dificile condiţii de lucru şi de încărcare, urmărindu-se determinarea tensiunilor care apar în material (întindere sau compresiune).

Analiza macroscopică poate fi atât o metodă de control intermediară, cât şi finală. Importanţa ei este cu atât mai mare cu cât această metodă este simplă şi nu necesită utilaje speciale, putând fi controlat un număr mare de piese. Analiza s-a efectuat pe suprafeţe preparate special (şlefuite şi atacate cu un reactiv). Prin analiza macroscopică pot fi evidenţiate şi determinate defecte care s-au format în diferite stadii tehnologice de fabricaţie.

S-a efectuat cercetări microscopice pe eşantioane de material compozit ce au scos în evidenţă structura stratificată şi neomogenă a materialului. Din analiza micrografiilor celor 4 epruvete am observat distribuţiile şi orientarea fibrelor de sticlă ale materialului MAT, cât şi cele ale Rovingului, distribuţiile materialelor de umplere precum şi adânciturile, neuniformităţile, deteriorările materialului, vacuolele şi incluziunile existente în matricea răşinii.

5.2. Contribu ţii teoretice şi experimentale

Metoda originală de alegere a materialului, a orientării fibrelor, numărul de straturi şi a ordinii suprapunerii straturilor a dus la realizarea unui produs de înaltă fiabilitate şi rezistenţă, care a putut fi studiat teoretic prin simulări cu ajutorul metodei elementului finit, dar şi experimental pe maşinile de testare precum şi cu ajutorul TER.

5.2.1. Din punct de vedere teoretic

Comparând valorile tensiunilor obţinute în urma analizei cu elemente finite, cu valorile admisibile se observă că piesa nu este foarte încărcată şi poate rezista presiunii şi greutăţii apei sau oricărui lichid de aproximativ 40 de ori mai mult. Deci se putea alege un material mai puţin rezistent şi de o grosime mult mai mică. Ca atare rezervorul analizat este supradimensionat şi se recurge la micşorarea numărului de straturi de la 8 la 5, un rezervor optimizat, se reducându-se din fiecare tip de material câte un strat, care poate rezista presiunii 28 de ori mai mult.

În urma rulării programului de simulare NASTRAN s-au obţinut următoarele rezultate: • deformaţia specifică a modelului MAT- Roving, 8 straturi, are o variaţie maximă de 1,25;

• deformaţia specifică modelului de tip Roving, variaţia maximă de 0,747, având o deformaţie mult mai mică aproximativ la jumătatea modelului MAT-Roving, 8 straturi, şi datorită faptului ca are o rigiditate mai mare;

• deformaţiile modelului optimizat de tip MAT-Roving din 5 straturi, are variaţia maximă de 2,52, având o deformaţie dublă faţă de primul material MAT-Roving; • tensiunile maxime au fost obţinute la a rezervorul 3 din MAT-Roving 5 straturi: şi anume la gura de vizitare pe stratul 4, (σx) fiind de 69 MPa, tensiunea maximă s-a situat la corpul rezervorului pe stratul 3 (σy) – 54,5 MPa şi von Mises a avut tensiunea maximă la gura de vizitară de pe stratul numărul 3 cu 71,1 MPa.

Se constată că RT 800 aşezată sub un unghi de 90o, nu este ideal sa se utilizeze, deoarece tensiunile cele mai mari se regăsesc pe acest tip de strat, chiar şi tensiunea maximă din tot rezervorul este de 71,1 MPa.

Comparaţia celor doua rezervoare este ca materialul MAT care este aşezat pe extremităţi se comportă mult mai bine în comparaţie cu rovingul, astfel ca valorile tensiunilor maxime se dublează sau chiar este şi de trei ori mai mare.

Prin metoda elementului finit s-au analizat epruvetele în zona analizată cu TER


67

• epruveta realizată din 4 straturi de mat 450, deformaţia specifică maximă: determinată experimental a fost cuprinsă -0.033210 şi 0.033580, iar teoretic este mai mică -0.025 şi 0.025, dar apropiată de cea experimentală; • material realizat din 4 straturi din RT800 aşezate pe urzeală, deformaţia specifică maximă: determinată experimental a fost cuprinsă -0.023369 şi 0.025651, iar teoretic este mai mică -0.016 şi 0.015; • epruveta realizată din 4 straturi din RT800 aşezate pe bătătură, deformaţia specifică maximă: determinată experimental a fost cuprinsă -0.016164 şi 0.017041, iar teoretic este mai mică -0.014 şi 0.014; • epruveta realizată din 8 straturi din MAT şi Roving aşezate pe urzeală, deformaţia specifică maximă: determinată experimental a fost cuprinsă -0.02 şi 0.02, iar teoretic este mai mică -0.020 şi 0.021; • epruveta realizată din 8 straturi din MAT şi Roving aşezate pe bătătură, deformaţia specifică maximă: determinată experimental a fost cuprinsă -0.02 şi 0.02, iar teoretic este mai mică -0.035 şi 0.020, erorile fiind acceptate, datorită numeroaselor erori care pot să apară din diverse motive pentru ca materialul se comportă diferit faţă de materialele obişnuite.

Utilizând metoda elementului finit se pot studia mai multe variante de structuri ale compozitelor şi anume: schimbarea condiţiilor de încărcare, a condiţiilor la limită, a modului de aplicare a lor asupra modelului virtual; din care se poate alege varianta optimă, dimensiunile şi caracteristicile elastice ale materialelor.

Elementul finit permite efectuarea unui calcul postcritic al structurii în care au apărut deteriorări, atât în vederea stabilirii capacităţii portante a structurii, cât şi pentru urmărirea modului în care se comportă materialul cu deteriorări (propagarea deteriorărilor).

Analiza cu MEF a elementelor sistemelor mecanice ocupă un loc important în procesul de proiectare modernă, fiind una din modalităţile de identificare a câmpurilor de deformaţii şi tensiuni din elementele sistemelor mecanice.

5.2.2. Din punct de vedere experimental

Dacă în materialele compozite armate cu fibre există tensiuni interne de valori mai mari decât cele admisibile, atunci în timpul utilizării acestora, chiar şi o sarcină redusă poate deteriora ireversibil compozitul.

Pe baza cercetărilor realizate până acum reiese cât de importantă este luarea unor măsuri pentru diminuarea riscului formării fisurilor, anume o pretensionare care să ajute la o îmbunătăţire a proprietăţilor materialului.

Pe baza experienţei şi a datelor acumulate se pot menţiona câteva din aprecierile ce se pot formula: • polimerii folosiţi ca matrice au în general proprietăţi vascoelastice pronunţate;

• fibrele de armare la valorile ridicate ale tensiunii se comportă în general liniar-elastic; • rezultatele încercărilor sunt puternic influenţate de viteza de încercare, care trebuie aleasă pentru a asigura o alungire de cca 1..2 % /minut; • rezultatele obţinute la încercarea matricilor au o împrăştiere destul de largă, fapt ce impune un număr relativ mare de încercări pentru un coeficient de încredere rezonabil şi cu toate acestea concluziile sunt limitate; • pentru materialele de armare rezultatele încercărilor la tracţiune depind esenţial de dimensiunile epruvetei folosite;


68

• pentru tehnopolimerii obţinuţi din amestecurile polipropilenă-poliacrilonitril sau polipropilenă armată haotic cu fibră de sticlă se remarcă creşterea rezistenţei la rupere şi mărirea modulului de elasticitate. Creşterea proporţiei elementului de armare, în special la amestecurile menţionate duce la creşterea rezistenţei la rupere;

• temperatura de obţinere a probelor de amestecuri de polimeri influenţează rezistenţa şi deformaţia specifică la rupere în sensul creşterii acestora.

Valoarea minimă a rigidităţii la tracţiune pentru MAT-Roving: 15530000 N/m o are epruveta 8, iar valoarea maximă 25899000 N/m o are epruveta 5 şi valoarea medie este 19627000 N/m, valorile modulului de elasticitate la tracţiune sunt: valoarea minimă este 10820 MPa, valoarea maximă este 18932 MPa şi valoarea medie 14488 MPa.

La încovoiere: valoarea minimă a rigidităţii 60330 N/m este pentru epruveta 10, iar valoarea maximă 79870 N/m pentru epruveta 7 şi valoarea medie este 68319 N/m;valorile modulului de elasticitate a celor 12 epruvete sunt: valoarea minimă este 3440 MPa, valoarea maximă 4122 MPa şi valoarea medie 3801,3 MPa.

Atât în cazul solicitării dinamice cât şi în cazul celei statice, apariţia primelor deteriorări are loc mai târziu la sistemele cu matrice tenace decât în cazul celor cu matrice casantă.

Aceste testări tensometrice s-au realizat cu ajutorul aparatului HBM Kompensator MK Hottinger Baldwin Messtehnic şi Spider 8.

Pentru a determina tensiunile care apar pentru cele trei TER-uri, s-a determinat zero static, pentru care s-a făcut diferenţa între valoarea indicată de aparat şi măsurătorile ulterioare atât la umplerea rezervorului cu apă în trei etape şi apoi golirea tot prin aceiaşi metodă, s-au determinat numai tensiuni de compresiune la toate citirile efectuate în acele zone în care au fost lipite TER.

Analiza tensometrică aduce un aport în completarea rezultatelor la încercările experimentale, unde s-au determinat proprietăţile mecanice ale materialelor compozite şi modelarea cu element finit, analiză care nuanţează tensiunile maxime care apar în anumite zone ale materialului.

Studiul s-a realizat pe epruvete din material compozit de tip MAT şi Roving, care au fost supuse la încovoiere, iar cu ajutorul aparatului Spider 8, s-a putut analiza pe fiecare strat în parte deformaţiile specifice ale acestor materiale.

În urma analizei cu TER a epruvetelor care în timpul solicitării epruvetei la încercarea de încovoiere şi analiza cu SPIDER8 s-au determinat următoarele valori ale deformaţiei specifice care au fost comparate cu MEF şi rezultatele au fost acceptate: • pentru materialul compozit de tip MAT 450, cu 4 straturi, , s-au obţinut deformaţiile specifice, respective maximul TER1-(0.03355), TER2-(-0.00058), TER3-(-0.03318); • în urma analizei materialului compozit de tip RT800 pe urzeală 4 straturi, s-au obţinut deformaţiile specifice, respective maximul TER1-(0.02565), TER2-(0.00235), TER3-(-0.02336);

• studiul privind epruveta din material compozit de tip RT800 pe bătătură 4 straturi, a rezultat deformaţiile specifice, maximul TER1-(0.01744), TER2-(0.00255), TER3-(-0.01616); • studiu cu TER a epruvetei 8 straturi, realizate din material compozit de tip MAT-RT800 pe urzeală, au rezultat următoarele deformaţiile specifice, maximul TER1-(0.01719), TER2-(0.00902), TER3-(0.00394), TER4-(-0.00117), TER5-(-0.00470), TER6- (-0.00922), TER7-(-0.01512); • epruveta realizată din material compozit de tip MAT-RT800 pe bătătură 8 straturi, a avut aceste deformaţii specifice, maximul TER1 - (0.01953), TER2 - (0.01220), TER3 - (0.00615), TER4 - (-0.00186), TER5-(-0.01107), TER6- (-0.01372), TER7-(-0.01816).

Se costată că în rezervor tensiunile au valori mici. Materialul iniţial studiat este supradimensionat, ceea ce a dus la realizarea unui material compozit cu mai puţine straturi, iar


69

grosimea acestora sa fie mai mică, pentru a se reduce consumul de fibre şi răşină, un cost mai mic de fabricaţie.

Efectuarea cercetărilor macroscopice pe eşantioane de material compozit au scos în evidenţă structura stratificată şi neomogenă a materialului. Din analiza micrografiilor pentru epruvetele studiate s-a observat distribuţiile şi orientarea fibrelor de sticlă ale materialului MAT, cât şi cele ale Rovingului, distribuţiile materialelor de umplere precum şi adânciturile, neuniformităţile, deteriorările materialului, vacuolele şi incluziunile existente în matricea răşinii.

Complexitatea extremă a unor produse, apariţia continuă a unor modele şi teorii ştiinţifice noi ce schimbă modul de abordare a însuşi actului tehnologic, face ca orice lucru să necesite o mare concentrare de forţe materiale şi conceptuale.

Efectuarea cercetărilor microscopice au dus la o analiză în detaliu a materialului, a degradărilor acestuia, rupturilor ce apar în urma diferitelor solicitări mai exact la tracţiune şi încovoiere, unde s-a observat că pot sa apară fisuri atât la nivelul fibrei cât şi la nivelul matricei.

Astfel s-a studiat câteva epruvete realizate din materialele analizate în teză, unde s-a putut analiza structura stratificată, deteriorările materialului, distribuţiile materialelor de umplere, neuniformităţile care pot să apară.

Vizualizare în detaliu s-a realizat cu un microscop performant care poate mării suprafaţa studiată de 500 de ori, până la de 2000 de ori, iar imaginile au fost cât mai clar şi chiar şi în profunzimea materialului. Rezultatele obţinute cu microscopul au fost atât 2D cât şi 3D, observând totodată cum s-a modificat toată structura acestor materiale, ruptura fibrelor, delaminarea distrugerea matricii.

5.3. Perspective şi direcţii viitoare de cercetare

În urma cercetările ştiinţifice realizate în teza de doctorat s-a constatat ca pot exista şi alte direcţii de cercetare: • viitoarele modele teoretice să efectueze o analiză la nivel local şi global pentru toate

experimentele realizate; • analiza influenţei tipului de răşină, a mediului agresiv (raze ultraviolete, compuşi chimici, uleiuri,

produse petroliere) la care este supus recipientul cilindric datorită aditivilor; • influenţa temperaturii exterioare, dar şi din punct de vedere a lichidului;

• alte cercetări experimentale privind solicitările la: şoc, impact, forfecare; • utilizarea unor programe îmbunătăţite, apicând metoda elementului finit (ex. gom aramis).

Prin contribuţiile personale aduse la modelarea structurilor materialelor compozite armate cu fibre precum şi prin determinarea continuităţii şi a reproductibilităţii semifabricatelor, teza aduce un aport important la cunoaşterea comportării materialului compozit de tip MAT şi Roving.


70

Bibliografie

(selectivă) [2] Alămoreanu, E., Constantinescu, D.M., (2005), Proiectarea plăcilor compozite laminate,

Ed. Academiei Române, Bucureşti. [4] Andreescu, I., (2001), Mecanica plăcilor compozite, Ed. Matrix Rom, Bucureşti. [7] Arthur, O., Ţierean, M. H., (2002), Alegerea materialelor. Curs, Editura Universităţii

Transilvania, Braşov. [10] Baritz, M., Cristea, L., Cotoros, D., Stanciu, A.E., (2010), Retinal image and oculo-motor

equilibrium analyze using recordings of human body stability-posture, ISPRA '10: ISPRA '09: Proceedings of The 9th WSEAS International Conference on Signal Processing, Robotics and Automation,, Book Series: Mathematics and Computers in Science and Engineering, ISBN: 978-960-474-157-1, pp. 258-263

[11] Bathe, K.J., (1996), Finite element procedures, Prentice-Hall. [12] Bârsănescu, P.D., (1997), Creşterea preciziei în tensometria electrică rezistivă, Oficiul de

informare documentare pentru industria construcţiilor de maşini. [14] Bogner, B.R., (2005), Composites for chemical resistance and infrastructure applications,

Reinforced Plastics, 49(10) 30-33. [15] Bolfa, T., Roşca, C., Dumitriu, N., Biţ, C., (1996), Rezistenţa materialelor, Editura

Universităţii Transilvania, Braşov. [16] Botiş M.F., (2005), Metoda elementelor finte, Editura Universităţii Transilvania, Braşov. [17] Burcă, I., Vlase,S., Stanciu,A.E., Apopei(Purcărea), R., (2006) Analiza virtuală a trecerii

peste gard. Conferinţa Naţională de Optometrie şi Inginerie Medicală „COPTOMIM” 2006, Braşov, pp 75-79.

[18] Burcă, I., Tofan,M., Vasii,M., Stanciu,A.E., Nan,N., (2006) O analiză a mişcărilor la trecerea peste gard. Simpozion AGIR, Braşov, iunie.

[20] Cândea I, Petric L, Stanciu,A.E., (2009), The Teoretical Simulation and the Experimental Control of the Calibration Process of the Potato Tubercles, Annals of DAAAM For 2009 & Proceedings of the 20th Int. DAAAM Symposium, 25-28 November, Vienna, Austria, ISBN 978-3-901509-71-1.

[21] Cerbu, C., Curtu I, (2005), Aspects concerning environmental effects on the glass reinforced polymers, Proceeding of the 9th International Research / Expert Conference “Trends in the Development of Machinery and Associated Technology” TMT2005, ISBN 9958-617-28-5, Antalya, Turcia, 26 – 30 septembrie, pp. 1451 – 1454.

[22] Cerbu, C., Curtu, I., (2009), Mecanica şi rezistenţa materialelor compozite, Editura Universităţii Transilvania, Braşov.

[23] Cerbu, C., (2006), Materialele compozite şi mediul agresiv, Aplicaţii speciale, Editura Universităţii Transilvania, Braşov.

[24] Cerbu, C., (2005), Cercetări privind optimizarea structurală a unor piese din materiale compozite ce lucrează în condiţii agresive de mediu, Teză de doctorat, Universitatea Transilvania, Braşov.

[25] Childs, P. R. N., (1998), Mechanical design, Arnold Publishers, London. [26] Chiru,A., ş.a., (1999), Materiale compozite, Vol.I, Ed. Universităţii Transilvania, Braşov. [27] Chiru A., Vlase S., Ambrus C., Nicoara D., Pirna I., Stanciu, A.E., (2009) Vibrations

Analysis of an Heavy Truck with two Identical Engines, Modern Technologies, Quality and Innovation-Modtech, MODTECH 2009, Chişinău,21-23 Mai.

[30] Ciarlet, P.G., (1993), Mathematical Elasticity, Elsevier. [31] Ciofoaia, V., Botiş, M., Dogaru, F., Curtu, I., (2001), Metoda elementelor finite, Ed.

Universităţii Transilvania, Braşov. [32] Ciofoaia, V., Curtu, I., (2000), Teoria elasticităţii corpurilor izotrope şi anizotrope, Ed.

Universităţii Transilvania, Braşov. [33] Connel, V.P., (2005), Composites in North America, Reinforced Plastics, 26.


71

[34] Constantinescu, D.M., (1998), Soluţii analitice fundamentale utilizate în mecanica ruperii liniar elastică, Buletinul Asociaţiei Române de Mecanica Ruperii, martie, nr. 5, pp. 2-7, ISSN 1453-8148.

[35] Constantinescu, D.M., Pastramă, St., Stoica, M.O., (1996), Posibilităţi de amplasare a traductoarelor tensometrice rezistive în zona vârfului fisurii, Al VII-lea Simpozion National de Tensometrie cu participare internationala, 17 - 19 octombrie, Suceava, pp. 103-108.

[36] Cotoros D., Nicoara D., Stanciu, A.E., (2007), Upon the Solutions Trajectories of an Euler Type Gyroscope, WSEAS, Portoroz, Slovenia, ISSN 1790-5095, ISBN 978-960-8457-70-6.

[37] Cotoros D., Stanciu, A.E., (2009), Testing Stand for Antifriction Bearings with Application in Biomechanics, World Congress on Engineering, London, UK, ISBN 978-988-18210-1-0.

[38] Cotoros, D., Stanciu, A.E., Baritz, M., (2010), Experimental Research Concerning Mechanical Properties of Materials for Biomedical Use, Proceedings of the World Congress on Engineering, WCE 2010, June 30 - July 2, London, U.K,1113-1116.

[39] Cotoros, D., Stanciu, A.E., Baritz, M., (2010), Composite Materials Properties Approached by Finite Element Method, IEEEAM Conferences Applied Computer Science (ACS) Malta ,15-17 sept, 269-272.

[40] Curtu, I., ş.a., (1997-1998), Rezistenţa materialelor şi teoria elasticităţii- curs şi aplicaţii.Partea I,II,III , Transilvania, Braşov.

[41] Curtu, I., Luca Motoc, D., (2009), Micromecanica materialelor compozite, Ed. Universităţii Transilvania, Braşov.

[44] Dowling, N. E., (2007), Mechanical behavior of Materials. Engineering Method for Deformation. Fracture and Fatigue, Prentice Hall Publishers, New Jersey.

[45] Ehrenstein, G.W., (1993), Technologie der Faserverbund-Kunststoffe, Umdruck zur Vorlesung, Lehrstuhl fűr Kunststofftechnik, Universität Erlangen-Nűrnberg.

[46] Enescu, I., Stanciu, A.E., (2007), Elemente finite, Ed. Universităţii Transilvania, Braşov. [47] Engasser, L, Puck, A., (1980), Zur Bestimmung der Grund-Festigkeiten von Klebver-

bindungen bei einfacher und zusammengesetzter Be-anspruchung. Kunststoffe 70, 7, pp. 423-429.

[48] Fagan, M. J., (2002), Finite Element Analysis. Theory and Practice, Longman Singapore Publishers, Australia.

[54] Gheorghiu, H., Hadăr,A., Constantin,N., (1998), Analiza structurilor de materiale izotrope si anizotrope. Editura Printech , Bucuresti.

[55] Grovu, M., (2002), Curs metoda elementelor finite (MEF) – fundamente, traducere Introduction to Finite Element Methods (ASEN 5007) - Fall 2001.

[57] Hadăr, A., Jiga, G., Constantin, N., Mareş, C., (1995), Program de calcul al unui material compozit stratificat armat cu fibre, Revista Construcţia de Maşini nr. 8-9, Bucureşti.

[58] Hadăr, A., (1997), Probleme locale la materiale compozite, Teză de doctorat, UPB. [59] Hadăr, A., (2002), Structuri din compozite stratificate. Metode, algoritmi şi programe de

calcul, Ed. Academiei Române, Ed. AGIR, Bucureşti. [60] Hărdău, M., (1995), Metoda elementelor finite, Editura Transilvania Press, Cluj Napoca. [63] Hutte, (1995), Manualul inginerului, Editura tehnică, Bucureşti. [64] Ilea, H., (1996), Analiză numerică şi determinări experimentale. Element finit, vol. 1,

Editura Transilvania Press, Cluj Napoca. [65] Ispas, St., Materiale compozite ,(1987), Ed. Tehnică, Bucuresti. [69] Lates, M.T., (2008), Metoda elementelor finite –Aplicaţii , Editura Universităţii Transilvania,

Braşov. [70] Lemaitre, J., Chaboche, J.-L., (1990), Mechanics of solid materials, Cambridge Univ. Press. [71] Marin, C., Popa, I.F., Hadăr, A., Albu, L., (2002), Modelarea cu elemente finite a

structurilor mecanice. Ed. Academiei Române, Ed. AGIR, Bucureşti. [72] Miri ţă E., (2003), Modelarea şi simularea în ingineria mecanică – Note de curs, Editura

Universităţii Bucureşti. [73] Mogan, G.L., (1997), Metoda elementelor finite în inginerie-Aplicaţii practice, Editura Lux

Libris, Braşov.


72

[75] Nemat-Nasser, S., Hori, M., (1999), Micromechanics: overall properties of heterogeneous solids, 2nd ed., Elsevier, Amsterdam.

[78] Petreuş, O., Petreuş, I., (1999), Materiale Compozite, Editura Gh. Asachi, Iaşi, 48-49. [87] Puck, A., (1992), Ein Bruchkriterium gibt die Richtung an. Kunststoffe 82 - 7, pag. 607-610. [88] Purcărea (Apopei), R., Stanciu, A.E., Niculina,N., (2006), On the Behaviour at Temperature

and Humidity Variations of Some Fiber-Reinforced Composite Structure. The Annual Internationally Attended Students’ Scientific Conference “CERC2006”, Bucharest, 18-19 May.

[89] Purcărea R., Stanciu, A.E., (2007), Tensile tests on polylite 440-M888 reinforced with RT 300 roving fabric, The 2nd International Conference on Computational Mechanics and Virtual Engineering COMEC 2007 11-13 October, Braşov ,ISBN 978-973-598-117-4 , pp533-536.

[90] Purcărea, R., Stanciu, A.E., (2006), The pre-tensioning of fiber reinforced composite tubes by introduction of suplimentary internal stresses, International Conference Advanced Composite materials Engineering COMAT 2006, 19-22 October, Braşov, ISBN ISBN 973-635-822-4, ISBN 978-973-635-822-7 , pp 131-137.

[91] Purcărea., R., Stanciu, A.E., Munteanu, M.V., Guiman, M.V., Vasii, M., (2006), Theoretical approach of an ultra –lightweight sandwich composite structure, International Conference Advanced Composite materials Engineering COMAT 2006, 19-22 October, Braşov, ISBN 973-635-822-4, ISBN 978-973-635-822-7 , pp.138-143.

[92] Purcărea, R., Stanciu, A.E., Munteanu, M.V., (2010), Experimental Determination Of A Mechanical Characteristics Of Composite Material Sandwich Type, 3nd Int. Conf. Advanced Composite Materials Engineering COMAT, 27-29 octombrie, ISSN 1844-9336, vol. II, pp. 279-282.

[101] G. D. Sims, w. R. Broughton, (2000), 2.05 Glass Fiber Reinforced Plastics, vol. 2, Comprehensive composite materials, pp. 151-197.

[102] Stanciu, A.E., Apopei,R., Teodorescu,H., (2005), Comparaţie între metodele de calcul a materialelor compozite. Simpozion Naţional Tendinţe Moderne în Mecanică, mai.

[103] Stanciu, A.E., Purcărea R., (2007), The Variations and Resistance Of Fiber-Reinforced Composite Structures, The 2nd Int. Conf. Computational Mechanics and Virtual Engineering COMEC 2007, 11 – 13 October, Braşov, Romania, ISBN 978-973-598-117-4.

[104] Stanciu, A.E., Cotoros D., (2008), Simulation of Mechanical Properties for Fibre Reinforced Composite Materials, Theoretical and Experimental Aspects of Continuum Mechanics, WSEAS Cambridge, UK, Febr., ISBN 978-960-6766-38-1, ISSN 1790-2769.

[105] Stanciu, A.E., (2008), Simulation with Catia a Fibre Reinforced, Composite Materials, 2nd International Conference, Advanced Composite Materials Engineering, COMAT 2008,9 – 11 October 2008, Braşov, Romania,

[106] Stanciu, A.E., Teodorescu Draghicescu H., Cândea I., Secara E., (2009), Experimental Approaches Regarding the Elastic Properties of a Composite Laminate Subjected to Static Loads, The 3rd International Conference On International Conference Computational Mechanics And Virtual Engineering, COMEC 2009, 29 – 30 October, Braşov, Romania, ISBN 978-973-598-572-1, pag. 890-893.

[107] Stanciu, A.E., (2009), Purcărea R., Munteanu M.V., Guiman M.V., Finite Element Method Used for Modeling a Glass Fibrereinforced Composite Tank, The 3rd International Conference On International Conference Computational Mechanics and Virtual Engineering, COMEC 2009,29 – 30 October, Braşov, Romania, ISBN 978-973-598-572-1, pag. 894-899.

[108] Stanciu, A.E., Cotoros D., (2009), Study Concerning the Mechanical Tests of Mat&Roving Fiber Reinforced Laminated Composites, 5th Wseas International Conference on Applied and Theoretical Mechanics (MECHANICS '09) Puerto De La Cruz, Tenerife, Canary Islands, Spain December 14-16.

[109] Stanciu, A.E., Bencze, A., Munteanu, M.V., Vlase, S., Purcărea, R., (2010), Constructive Solution, Using Finite Element Method For Optimization Of Tanks, 3nd Int. Conf. COMAT, 27-29 octombrie, ISSN 1844-9336, vol. II, pp. 273-278.


73

[110] Stanciu, A.E., Cotoros, D., Purcărea, R., Teodorescu-Draghicescu, H., (2010), Studies Upon The Mechanical Properties Of Roving And Mat-Roving Composites Subjected To Traction, 3nd Int. Conf. Advanced Composite Materials Engineering COMAT, 27-29 octombrie, ISSN 1844-9336, vol. II, pp. 283-287.

[111] Stanciu, A.E., Purcărea, R., Curtu, I., Cotoros, D., (2010), Analysis Of Mechanical Properties Of Roving And Mat-Roving Composites Subjtected To Bending, 3nd Int. Conf. Advanced Composite Materials Engineering COMAT, 27-29 octombrie, ISSN 1844-9336, vol. II, pp.288-292.

[114] Tabacu, St., Hadăr, A., (2009), Marinescu, D., Ivanescu, M., Balasoiu, V. Numerical Procedures for the Improvement of the Structural Response of Thermoplastic Manufactured Parts. Mat. Plast. , 46 (2), pp. 192-197.

[115] Teodorescu-Drăghicescu Horatiu, (2007), Fundamentele şi mecanica materialelor compozite polimerice, Editura Universităţii Transilvania, Braşov.

[116] Teodorescu, H., (2001), Contribuţii privind creşterea capacităţii de încărcare a tuburilor din materiale compozite armate cu fibre, prin introducerea de tensiuni interne suplimentare, Teză de doctorat. Universitatea Transilvania Braşov.

[117] Teodorescu, F., (2001), Contribuţii la modelarea structurilor materialelor compozite armate cu fibre, Teză de doctorat. Universitatea Transilvania Braşov.

[118] Teodorescu, H., Stanciu (Pătrănescu), A.E., Munteanu, V., Roşu, D., Teodorescu, F., (2006), Computing Model To Determine The Homogenized Coefficients Of A SMC Composite Material Using The Homogenization Method, 2nd Int. Conf. IC-SCCE, Athens, 5-8 July, 30.

[119] Teodorescu, H; Munteanu, V; Stanciu, A.E., (2007), On Upper and Lower Limits of Elastic Coefficients of SMC Composite Materials, 7th WSEAS Int Conf on Simulation, Modelling and Optimization, Beijing China.

[120] Teodorescu, D.H., Vlase, S., Scutaru, L., Stanciu, A.E., (2007), On the Mechanical Behaviour of Some Filament Winding Composite Tubes Subjected to Internal Pressure, The 2nd Int. Conf. Computational Mechanics and Virtual Engineering COMEC 2007, 11 – 13 October, Braşov, Romania, ISBN 978-973-598-117-4.

[121] Teodorescu, D.H., Vlase, S., Scutaru, L., Stanciu, A.E., (2007), Vasii, M., Tensile Behaviour of Composite Specimens Made From Chopped Strand Mat Reinforced Polyester Resin, 24th Danubia – Adria Symposium on Developments in Experimental Mechanics, 19 – 22 september, Sibiu, Editura Universităţii Lucian Blaga Sibiu, ISBN 978-973-739-456-9, 255-256.

[122] Teodorescu, H., Vlase, S., Scutaru, L., Stanciu, A.E., Purcărea,R., (2007), On the pre-tensioning glass fibers reinforced composite tubes. Proceedings Technical University Varna, ISSN 0861-9727, 31-02 July, Sliven , Bulgaria, pp.75-80.

[123] Teodorescu,H., Stanciu, A.E., Purcărea, R., Munteanu,M.V., (2007), An original Pre-Tensioning Technique of PMC Tubes for Dynamic Applications, 2007 WSEAS International Conferences, Archachon France, October, ISBN:978-960-6766-08-04, ISSN: 1790-5117, pp 218-223.

[124] Teodorescu-Draghicescu, H.; Vlase, S., Motoc, L.D., Scutaru, M.L.; Stanciu, A.E., Rosu, D., (2008), New Ultra Lightweight and Extreme Stiff Sandwich Composite Structure for Multiple Applications, 19th Daaam International Symposium. Intelligent Manufacturing & Automation, 22-25th October, Trnava, Slovakia, ISBN 978-3-901509-68-1, ISSN 1726-9679.

[125] Teodorescu, D.H., Vlase, S., Stanciu, A.E., Guiman, V., Munteanu, V., Vasii, M., (2008), The Increase of Loading Capability of Glass Fibers Reinforced Composite Tubes, 6th International Conference of Daaam Baltic Industrial Engineering 24-26 April, Tallinn, Estonia, ISBN 978-9985-59-783-5.

[126] Teodorescu-Draghicescu, H., Vlase, S., Scutaru, M.L., Stanciu, A.E., Serbina, L., (2008), Stiffness Evaluation of Some Advanced Composite Laminates un Der Off-Axis Loading System, 2nd Int. Conf. COMAT2008, 9-11 October, Braşov, Romania, Vol. 1A, ISSN 1844-9336, pag. 213 – 218.


74

[127] Teodorescu, D.H., Vlase, S., Guiman, V., Munteanu, V., Stanciu, A.E., (2008), The Influence of Temperature and Humidity Variation in the Modeling of Composite Laminates, 3rd Ic-Scce Int. Conf. From Scientific Computing to Computational Engineering, Athens, 9-11 July, 2008.

[128] Teodorescu-Draghicescu H., Vlase S., Stanciu, A.E., Guiman V., (2009),Energetically Efficient Heating Radiant Systems Using Advanced Composite Materials, 2nd Int.Conf. on Environmental & Geological Science & Engineering (EG'09), Transilvania University of Braşov, Romania, September 24-26, ISBN: 978-960-474-119-9.

[129] Teodorescu Draghicescu H, Vlase S, Scutaru L, Stanciu, A.E., (2009), Guiman V, Purcărea R., Experimental Approaches on Fibre-Reinforced Composite Laminate for Pressure Tanks Applications, Annals of DAAAM FOR 2009 & Proceedings of the 20th Int. DAAAM Symposium, 25-28 November, Vienna, Austria, ISBN 978-3-901509-71-1.

[132] Turner, M. J., (1956), Stiffness and deflection analysis of complex structures, J. Aero Sci., nr. 23, p. 805-823.

[133] Vlase, S., (1988), Contribuţii la analiza elastodinamică a mecanismelor cu metoda elementelor finite. Teză de doctorat, Universitatea din Braşov.

[134] Vlase, S., Teodorescu, H., Goia, I., Modrea, A., Scutaru, M.L., (2007), Materiale compozite – Metode de calcul, Editura Universităţii Transilvania , Braşov.

[135] Vlase, S., Teodorescu, H., Purcărea R., Modrea, A., (2008), Mecanica materialelor compozite armate cu fibre, Editura Infomarket.

[136] Vlase, S., Stanciu, A.E., Guiman, V., Vasii, M., (2005), On The Coriolis Effects on the Motion of the Elastic Multibody Systems, 1st International Conference. Computational Mechanics And Virtual Engineeering. 0ct., Braşov, ISBN 973-635-593-4.

[137] Vlase, S., Teodorescu, H., Nan, N., Apopei(Purcărea), R., Stanciu, A.E., (2006), On the motion equations of the three-dimensional mechanical systems with elastic elements,Proceedings Technical University Varna, ISSN 0861-9727, 31 June – 02 July, Jrebchevo, Bulgaria , pp 89-92.

[138] Vlase S., Scutaru L., Stanciu, A.E., (2007), On The Topological Description Of The Multibody Systems, ECCOMAS, Iunie, pag. 279.

[139] Vasii,M., Stanciu, A.E, Nan,N., (2006), Calculul reacţiunilor în sisteme multicorp, Simpozion AGIR, Braşov, iunie.

[152] ***Departament Metallurgy and Materials Engineering. [153] ***Federal Intitute for materials research and testing, Departamentul III, Contaiment

systems for dangerous goods, BAM, Germania, JEC, 2006. [154] ***Hanghou mingda glass fibre CO., LTD, China, JEC 2007. [155] ***JEC gazette nr. 20, Asia pacific composites, 27 septembrie 2010. [156] ***Metyx composites, Turcia, JEC 2007. [157] ***Military Handbook, (1996), - Polymer Matrix Composites - Volume 1 - Guidelines for

Characterisation of Structural Materials, MIL-HDBK-17-1E. [158] ***MSC/NASTRAN for WINDOWS, Version 2.0, Users manuals. [159] ***Materiale_compozite_sustenabile.pdf [161] ***SR EN ISO 14125, (2000), Compozite de materiale-plastice armate cu fibre,

Determinarea proprietăţilor de încovoiere. [162] ***SR EN ISO 527-1, (2000), Determinarea proprietăţilor de tracţiune, fiind impuse

anumite condiţii şi determinarea anumitor parametrii. [167] ***www.composite.about.com [168] ***www.compozite.net [170] ***www.fibrexo.ro


75

Curriculum vitae

Date personale: Nume PĂTRĂNESCU (căs. STANCIU) Prenume Anca Elena Data şi locul naşterii 12.02.1977, Călăraşi Naţionalitatea română E-mail [email protected],

Studii: 1991-1995 Grup şcolar de Administraţii şi servicii, Călăraşi 1996-1998 Şcoala postliceală finanţe contabilitate, diplomă 2000-2005 Universitatea Transilvania Braşov, Facultatea de Inginerie

Tehnologică, Productică 2005-2006 Universitatea Transilvania Braşov, Facultatea de Inginerie Mecanică –

Catedra de Mecanică, Masterat Mecanică computaţională 2005-prezent Universitatea Transilvania Braşov, Facultatea de Inginerie Mecanică,

doctorat fără frecvenţă Specializări: 2007 “Simulation Techniques for Appelied Dynamics”, CISM, Udine, Italia 2008 Job School lb. engleză Activitatea profesională: 2005-2007 Preparator, Universitatea Transilvania Braşov, Facultatea de Inginerie

Mecanică – Catedra de Mecanică 2007- prezent Asistent, Universitatea Transilvania Braşov, Facultatea de Inginerie

Mecanică – Catedra de Mecanică 2008- prezent Secretar ştiinţific, Catedra de Mecanică, Facultatea de Inginerie

Mecanică Activitatea ştiin ţifică: Articole publicate - 42 11 articole cotate ISI 25 articole publicate în volumele conferinţelor internaţionale (Grecia,

Italia, Spania, Portugalia, Marea Britanie, Malta) 6 articole publicate în reviste naţionale Monografii - 2 Enescu I., Stanciu A.E., (2007) Elemente finite. Editura Universităţii

Transilvania, Braşov, ISBN 978-973-635-974-7 Vlase, S., Teodorescu, D.H., Scutaru, L., Guiman, V., Munteanu, V.,

Stanciu, A.E., Purcărea, R., (2009), Cinematică şi Dinamică. Culegere de probleme, Editura Infomarket, ISBN 978-973-1747-16-3

Contracte de cercetare - 13 7 CEEX-uri, cercetător ştiinţific 2 CNCSIS, din care 1 TD 60-2007, director de proiect 1 IDEI, cercetător ştiinţific 1 Impact 2 AK şi prognoza mediu Limbi str ăine cunoscute: engleză şi franceză


76

Curriculum vitae

Personal data: Name PĂTRĂNESCU (married STANCIU) First name Anca Elena Date and place of birth 12.02.1977, Călăraşi Nationality Romanian E-mail [email protected],

Studies: 1991-1995 Administration and services school, Călăraşi 1996-1998 Finance-accounting school, graduation diploma 2000-2005 Transilvania University of Braşov, Technological Engineering

Faculty, Productics 2005-2006 Transilvania University of Braşov, Mechanical Engineering Faculty,

Computational Mechanics-Master 2005-present Transilvania University of Braşov, Mechanical Engineering Faculty,

Ph.D. student Specializations: 2007 “Simulation Techniques for Appelied Dynamics”, CISM, Udine, Italia 2008 Job School English Professional activity: 2005-2007 Trainer, Transilvania University of Braşov, Mechanical Engineering

Faculty – Department of Mechanics 2007- present Assisstant, Transilvania University of Braşov, Mechanical

Engineering Faculty – Department of Mechanics 2008- present Chancellor- Department of Mechanics - Mechanical Engineering

Faculty Activitatea ştiin ţifică: Published papers - 42 11 ISI indexed papers 25 papers in international conferences proceedings (Greece, Italy,

Spain, Portugal, United Kingdom, Malta) 6 papers in national journals Monographies - 2 Enescu I., Stanciu A.E., (2007) Finite Elements. Transilvania

University Publishers, Braşov, ISBN 978-973-635-974-7 Vlase, S., Teodorescu, D.H., Scutaru, L., Guiman, V., Munteanu, V.,

Stanciu, A.E., Purcărea, R., (2009), Kinematics and Dynamics. Applications,Infomarket Publishing House, ISBN 978-973-1747-16-3

Research projects - 13 7 CEEX, researcher 2 CNCSIS, for 1 TD 60-2007, project manager 1 IDEI, reesarcher 1 Impact, researcher 2 AK and environmental prognosis, researcher Foreign languages: English and French

ing. anca elena p Ătr Ănescu (c ăs....

Documents