Primjena homogenizacije prvog reda kod određivanja mehaničkog konstitutivnog modela ponašanja PBT smole

master's thesis

• Title (english): Application of the first-order homogenization in modelling of constitutive mechanical behaviour of PBT resin
• Author: Toni Jelušić
• Mentor: Tomislav Lesičar (mentor)
• Granter: University of Zagreb; Faculty of Mechanical Engineering and Naval Architecture; Zagreb
• Defense date and country: 2019-12-06, Croatia
• Scientific / art field, discipline and subdiscipline: TECHNICAL SCIENCES; Mechanical Engineering

Abstract

U ovom radu pokazana je primjena homogenizacije u modeliranju konstitutivnog mehaničkog
modela PBT smole. Homogenizacija se primjenjuje za modeliranje heterogenih
materijala koji pokazuju nelinearno ponašanje. U tu skupinu spadaju materijali u
kojima je prisutna poroznost i kompozitni materijali. Pri modeliranju ponašanja
tih materijala, promatra se njihova mikrostruktura. Zbog eksplicitnog modeliranja
mikrostrukture na mikrorazini javlja se anizotropija, koja nakon homogenizacije na
markorazini daje izotropno ponašanje. Ovdje se homogenizacija primarno koristi kako
bi se uzeo u obzir utjecaj poroznosti na mehanička svojstva PBT smole.
Nakon uvodnog prvog poglavlja u kojem je dan pregled rada, po poglavljima su
redom opisani: svojstva PBT smole, materijalni model korišten pri modeliranju PBT
smole, homogenizacija i njena primjena, osnove metode konačnih elementa te rezultati
analize mehaničkog ponašanja PBT smole.
U drugom poglavlju je ukratko opisan polibutilen tereftalat (PBT). Zbog svojih
iznimnih mehanickih, termalnih, kemijskih i elektricnih svojstava, PBT se koristi u
raznim granama industrije, a osobito u automobilskoj industriji. PBT se cesto ojacava
staklenim vlaknima i dvije najcešce varijante su PBT ojacan s 20% vlakana (PBTGF20)
i PBT ojacan s 30% vlakana (PBT-GF30).
U trecem poglavlju je opisan materijalni model koji je korišten pri modeliranju ponašanja
PBT-a. U uvodu je dan pregled osnovnih konstitutivnih jednadžbi s naglaskom
na anizotropnost materijala. Potom je opisan elasto-plasticni materijalni model koji se
temelji na von Mises-ovom kriteriju tecenja.
U cetvrtom poglavlju su izložene osnove homogenizacije. Uveden je pojam reprezentativnog
volumnog elementa (RVE). RVE predstavlja uzorak mikrostrukture materijala
cijom se analizom može utvrditi ponašanje cijelog modela. Da bi to bilo moguce, definirani
su periodicni rubni uvjeti. Periodicni rubni uvjeti namecu deformaciju s makro
razine na rubove RVE-a pri cemu se namece kinematicko ogranicenje na polje pomaka
izme.u dviju suprotnih strana RVE-a. Na kraju je opisana Mori-Tanaka metoda koja
se vrlo cesto koristi za homogenizaciju dvofaznih materijala.
U petom poglavlju je ukratko opisana metoda konacnih elemenata. Dan je prikaz
korištenih elemenata pri diskretizaciji simulacijskih modela. Za svaki korišteni elementopisana su njegova osnovna svojstva.
U šestom poglavlju je prikazana analiza mehanickog ponašanja PBT-a te je promatran
utjecaj poroznosti na spomenuta svojstva. Određeni su parametri potrebni
za definiranje materijalnog modela. Prvo je izvršena verifikacija rezultata dobivenih
simulacijom RVE-a. Potom je napravljena usporedba s rezultatima koji su dobiveni
pomoću Mori-Tanaka metode i rezultatima dobivenim direktnom simulacijom epruvete
gdje se u svakom iteracijskom koraku vrši homogenizacija materijalnih svojstava.
Na kraju je za PBT B1305 napravljena usporedba rezultata višerazinske simulacije s
eksperimentalnim rezultatima.
Konacno, u sedmom poglavlju dan je osvrt na prikazanu analizu i rezultate. Objašnjen
je utjecaj razlicitih parametara na dobivene rezultate i dani su prijedlozi za
daljnje istraživanje.

Abstract (english)

The goal of this thesis is to determine the effect of pores on the stiffness of the material used for manufacturing of automotive connectors. A representative material model was generated to account for the nonlinear properties which are a result of the presence of pores in the material used: Polybutylene Terephthalate (PBT). The model was established through the use of a representative volume element (RVE) and periodic boundary conditions. The RVE is a statistically representative sample of the microstructure of the material. The RVE is seen as a composite material, which is composed of an elasto-plastic matrix (PBT) and a certain volume fraction of inclusions (pores). It was shown that the pore fraction affects the strength of the material; with more pores present, the strength of material, together with maximum strain values, was lower for the same loads and boundary conditions. By knowing the fact that the material under investigation has excellent thermal properties, which is one of the reasons why it is used in underhood applications, a thermal analysis was omitted because there is no indication that temperature affects its mechanical properties significantly. For the modeling of the material, the first-order homogenization approach was used, primarily the Mori-Tanaka method. This approach made it possible to obtain macro stresses and strains, which gave an indication of the actual behavior for the material at hand. With this approach, the material response could be predicted with enough accuracy, while lowering the computational cost compared to a direct FE analysis. The obtained results were compared to experimental data.

• Keywords: Polibutilen Tereftalat (PBT); homogenizacija; višerazinsko modeliranje; RVE; poroznost; anizotropija; mikrorazina; makrorazina; kompozitni materijali
• Keywords (english): Polybutylene Terephthalate (PBT); homogenization; multi-scale approach; RVE; porosity; anisotropy; micro-level; macro-level; composite materials
• Language: english
• URN:NBN: urn:nbn:hr:235:536370
• Study programme: Title: Mechanical Engineering; Study programme type: university; Study level: graduate; Academic / professional title: magistar/magistra inženjer/inženjerka strojarstva (magistar/magistra inženjer/inženjerka strojarstva)
• Type of resource: Text
• File origin: Born digital
• Access conditions: Open access; Embargo expiration date: 2024-11-28
• Created on: 2019-11-28 10:26:57