Metoda kaustike u analizi kontaktnih problema kompozitnih materijala

disertacija

• Naslov (engleski): The application of the caustics method in contact problems of composite materials
• Autor: Ante Bakić
• Mentor: Damir Semenski (mentor)
• Član povjerenstva: Stjepan Jecić (predsjednik povjerenstva)
• Član povjerenstva: Damir Semenski (član povjerenstva)
• Član povjerenstva: Dražan Kozak (član povjerenstva)
• Ustanova koja je dodijelila akademski / stručni stupanj: Sveučilište u Zagrebu; Fakultet strojarstva i brodogradnje; Zagreb
• Datum i država obrane: 2009-04-28, Hrvatska
• Znanstveno / umjetničko područje, polje i grana: TEHNIČKE ZNANOSTI; Strojarstvo; Opće strojarstvo (konstrukcije)
• Univerzalna decimalna klasifikacija (UDC): 53 - Fizika ; 620 - Ispitivanje materijala. Elektrane. Ekonomika energije

Sažetak

Mjesta geometrijskih diskontinuiteta (vršak pukotine) i mjesta koncentriranih opterećenja (djelovanje kontaktnih sila) predstavljaju kritična mjesta u konstrukciji. Optička metoda kaustike jedna je od rijetkih eksperimentalnih metoda koja daje dobre rezultate upravo u takvim područjima. Razvijena je za određivanje koeficijenta intenzivnosti naprezanja i J-integrala na vršku pukotine za izotropne i anizotropne materijale. \Naknadno je proširena na kontaktne probleme gdje su veličina i oblik kaustike na zaslonu povezani sa iznosom i nagibom opterećenja. U ovom radu metoda kaustike je proširena na analizu kontaktnih problema anizotropnih materijala čime je zaokružena cjelina njene primjene za mjesta visokih koncentracija naprezanja u konstrukciji. Eksperimenti su provedeni na ugljičnim vlaknima ojačanom kompozitu, a kao referentan izotropan materijal korištena je epoksidna smola tipa Araldit B. Simulacijama optičkog efekta kaustike na zaslonu i eksperimentalnim snimanja potvrdila se pretpostavka da kod anizotropnih materijala veličina i oblik kaustike ne ovise samo o karakteru opterećenja nego i o mehaničkim svojstvima materijala. Kod neprozirnih materijala, kakva je većina tehničkih materijala, moguće je snimanje kaustike samo u reflektiranom svjetlu s površine modela. Posebna pažnja posvećena je formiranju optičkog postava koji daje oštru i čistu sliku na zaslonu. Za mjerenje karakterističnih veličina na snimljenim slikama, napravljeni su posebni programski algoritmi čime se povećala točnost rezultata i smanjio utjecaj subjektivnog očitavanja. Pokazano je da se metodom kaustike mogu mjeriti kritična opterećenja koja dovode do pojave tečenja materijala kao i opterećenja kod kojih dolazi do oštećenja kompozita. Također je pokazano primjerom kako se metoda može primijeniti u određivanju granice između područja ravninskog i prostornog stanja naprezanja u blizini djelovanja kontaktnih sila. Dane su smjernice budućih istraživanja i primjene metode kaustike na rješavanje kontaktnih problema u konstrukciji.

Sažetak (engleski)

Locations of geometric (e.g crack tip) and concentrated load (e.g. vicinity of the contact forces) represent critical places of engineering structures. The optical caustics method is one of the few experimental methods which provide applicable results in the such locations. This method was originally developed for crack-tip measurements of stress intensity factors and Jintegral on isotropic and anisotropic materials. Additionally, it was extended to contact problems where the size and shape of caustics on the screen are related to the amount and the intensity of loading forces. In this paper the caustics method is extended to the analysis of contact problems of anisotropic materials, which makes the caustics method comprehensively applicable to analysis of any high stress locations in a structure. Experiments were performed on carbon fiber reinforced composites, where the epoxy resin Araldit B was used as reference isotropic material. Comparison of the simulations of the optical effect and the experiments indicated that for anisotropic materials size and shape of caustic curve depend not only on the loading conditions but also on the mechanical material properties. In isotropic materials the shape of the caustics curve is unique for all materials and can be expressed by the epicycloids equation. On non-transparent materials, as most of the technical materials usually are, it is possible to record the caustic curve only by utilizing light reflected from the model surface. In this paper special attention was dedicated to forming the optical setup which gives a clear image of the recorded caustics curves. In order to measure curve characteristics on the recorded images, subroutines are written which serve to reduce subjective operator errors during the curve shape measurement. It is shown that method of caustics can be used for the measurement of critical loads which lead to material yielding, as well as loads that lead to failure of composite material. It has been proven by example that the method can be used to determine the transition border between plane and spatial stress conditions in the vicinity of contact forces. The guidelines are given for future research as well as the application of the caustics method for solving contact problems in construction.

• Ključne riječi: optička metoda kaustike; kontaktni problem; koncentracija naprezanja; kompozitni materijali
• Ključne riječi (engleski): optical method of caustics; contact problem; stress concentration; composite materials
• Jezik: hrvatski
• URN:NBN: urn:nbn:hr:235:807266
• Studijski program: Naziv: Strojarstvo i brodogradnja; Vrsta studija: sveučilišni; Stupanj studija: poslijediplomski doktorski; Akademski / stručni naziv: doktor/doktorica znanosti, područje tehničkih znanosti (dr.sc.)
• Vrsta resursa: Tekst
• Način izrade datoteke: Izvorno digitalna
• Prava pristupa: Otvoreni pristup
• Datum i vrijeme pohrane: 2020-11-30 13:19:33