Evaluarea Propagarii Fisurilor In Compozitie Laminate Si Sandwich

Abstract

Materialele compozite ranforsate cu fibre sunt materiale relativ noi, folosite in ziua de azi din ce in ce mai mult in aplicatii structurale. Cel mai mare avantaj al lor este rigiditatea si duritatea in comparatie cu greutatea scazuta. Alegind o configuratie corespunzatoare de ranforsare si material pentru matrice, producatorii pot obtine proprietati care satisfac exact nevoile unei anumite structuri pentru un anumit scop. Aceasta a dus la nevoia din ce in ce mai multor teste pentru determinarea proprietatilor compozitelor ranforsate cu fibre.

Deoarece folosirea compozitelor ranforsate cu fibre este relativ recenta, nu exista inca asa multe carti sau standarde care sa dezbata acest subiect. De aceea este nevoie de teste precum determinarea rigiditatii interlaminare.

Toate testele experimentele prezentate in aceasta lucrare au fost realizate in Laboratorul de Modelare si Simulare a Comportarii si Deteriorarii Materialelor din cadrul Catedrei de Rezistenta Materialelor.

Multumiri

As dori in primul rand sa multumesc D-lui Prof. Dr. Ing. D. M. Constantinescu pentru indrumarea si suportul acordat pe parcursul efectuarii lucrarilor din laborator si de asemenea pentru ocazia oferita de a lucra in Laboratorul de Modelare si Simulare a Comportarii si Deteriorarii Materialelor, unde au fost realizate toate testele si unde a fost definitivata aceasta lucrare.

As dori sa multumesc si intregului Departament de Rezistenta Materialelor pentru ca mi-au ingaduit sa desfasor activitatea experimentala in cadrul catedrei si mi-au oferit suportul tehnic si teoretic necesar.

Nu in ultimul rand as dori sa le multumesc si colegilor mei Matei Miron si Dragos Apostol pentru ajutorul acordat in cadrul experimentelor.

Cuprins

Lista de figuri

Figure 1 Exemple de materiale compozite: a) laminate armate cu fibre si stratificate tip sandwich; b) compozite armate cu fibre si particule [2] 9

Figure 2 Folosirea materialelor compozite la aviane (comparatie intre procentajul de compozite folosite la modelele de Boeing 787 si 777) 10

Figure 3 Exemplu de test de compresiune [4] 14

Figure 4 Exemplu de test de incovoiere [4] 15

Figure 5 Exemplu de test de oboseala [4] 17

Figure 6 Exemple de teste de tractiune [4] 18

Figure 7 Moduri de rupere 24

Figure 8 Zona de la varful fisurii 26

Figure 9 Model de referinta pentru aplicarea vopselei [6] 28

Figure 10 Sistemul ARAMIS [6] 29

Figure 11 Exemplu de fatete de 15×15 pixeli cu o distanta intre ele de 2 pixeli in cadrul initial [6] 31

Figure 12 Imagine reprezentand stagiul initial (0) si stagiul final (5) vazute prin ambele camera [6] 32

Figure 13 Senzorul si volumul de masurare [7] 33

Figure 14 Obiectivul folosit de camerele ARAMIS-ului [7] 34

Figure 15 Exemple de obiecte de calibrare de tip tableta si cruce [7] 35

Figure 16 Pasii necesari pentru procesul de calibrare [7] 37

Figure 17 Exemplu de captura cu ARAMIS [7] 41

Figure 18 Punct de referinta pentru calculul etapelor [7] 42

Figure 19 Incovoiere in 3 puncte [8] 47

Figure 20 Variatia tensiunilor normala si de forfecare la un test de incovoiere in 3 puncte [8] 49

Figure 21 Dispozitiv experimental Lloyd Instruments pe care s-au realizat testele din laborator 49

Figure 22 Diagrama forta-deplasare pentru epruvetele de kevlar-carbon 50

Figure 23 Diagrama forta-deplasare pentru epruvetele de carbon tip 1 51

Figure 24 Diagrama forta-deplasare pentru epruvetele de carbon tip 2 realizata in Nexygen Plus 52

Figure 25 Diagrama forta-deplasare pentru epruvetele de fibra de sticla realizata in Nexygen Plus 53

Figure 26 Analiza fisurii cu ajutorul ARAMIS-ului 53

Figure 27 Example de fisuri si mecanisme de rupere in fibre – compozite ranforsate cu fibre. [9] 56

Figure 28 Diagramele schematizate ale principalelor moduri de rupere Mode I (deschidere), Mode II (lunecare), Mode III (forfecare in spatiu). [10] 58

Figure 29 Delaminarea in Modul I in timpul testelor 60

Figure 30 TIRAtest 2200 folosita la testele de incovoiere (masina se afla in laborator si are o capacitate de 1 tona-forta) 60

Figure 31 Epruveta supusa la incovoiere in 3 puncte; (a)privire frontala; (b)privire marita 61

Figure 32 Achizitia de date folosind LabVIEW (in timpul experimentelor) 62

Figure 33 Citiri in timp real in Labview 62

Figure 34 Curba caracteristica a materialului pentru incovoierea in 3 puncte (epruveta la 0 grade) 63

Figure 35 Cedarea la incovoiere in 3 puncte 64

Figure 36 Schematizarea modurilor de rupere posibile la incovoierea in 3 puncte[8] 64

Figure 37 Cedarea epruvetei la incovoiere in 3 puncte (zoom) 65

Figure 38 Achizitie de date la delaminare cu ajutorul Lloyd – ARAMIS 66

Figure 39 Propagarea fisurii in Modul I pe epruveta tip sandwich analizata cu ARAMIS 67

Lista de tabele

Table 1 Rezultatele testelor pe textura din fibra de Kevlar si Carbon 50

Table 2 Rezultatele testelor pe fibra de Carbon tip 1 50

Table 3 Rezultatele testelor pe fibra de Carbon tip 2 51

Table 4 Rezultatele testelor pe fibra de Sticla 52

Cap.1 Metode de determinare a proprietatilor mecanice pentru compozite

1.1 Scurta descriere a materialelor compozite

Intr-o societate avansata ca a noastra toti ne folosim de materiale compozite intr-un moment al vietii noastre. Fibra de sticla, descoperita in jurul anului 1940, a fost primul matrial compozit modern si inca este cea mai raspandita. Aceasta reprezinta cam 65% din totalul materialelor compozite realizate in ziua de azi si este folosita la barci, placi de surfing, echipamente sportive, delimtatoare de cular pentru bazinele de inot, panouri folosite in constructii, componente in industria auto etc. Se poate sa si folosim un obiect confectionat din fibra de sticla fara sa ne dam seama de acest lucru. [1]

a)

b)

Figure 1 Exemple de materiale compozite: a) laminate armate cu fibre si stratificate tip sandwich; b) compozite armate cu fibre si particule [2]

Ce este acela un material compozit? Materialele compozite sunt “materiale ingineresti” realizate din doua sau mai multe materiale constitutive ce raman separate si dinstincte la nivel macroscopic in timp ce formeaza un singur compus. Diferitele materiale contribuie impreuna la proprietatile unice ale compozitului si totusi in interiorul compozitului acestea se pot deosebi usor – nu se dizolva si nici nu se combina intre ele. Compozitele exista si in natura. De exemplu o bucata de lemn reprezinta un material compozit alcatuit din fibre lungi de celuloza legate intre ele de o substanta mult mai slaba si anume lignina. Celuloza se mai poate intalni si in bumbac si in, insa puterea de lipire a ligninului face ca un lemn sa fie mult mai rigind decat un manunchi de fibre de bumbac [1].

Principalul avantaj al materialelor compozite il constituie raportul ridicat intre rezistenta la rupere si greutatea lor volumica. Din acest motiv compozitele sunt folosite in proportii din ce in ce mai mari in aviatiesi industria auto.

Figure 2 Folosirea materialelor compozite la aviane (comparatie intre procentajul de compozite folosite la modelele de Boeing 787 si 777)

Spre exemplu modelul Boeing 787 foloseste 50% compozite si 20% aluminiu, fata de predecesorul sau Boeing 777, care folosea doar 12% compozite si 50% aluminiu. In acelasi timp a apaurt si problema asamblarilor metal-adeziv-compozit. Acestea se folosesc in mod special in cazul reparatiilor de intretinere a avioanelor, unde “lipirea” se face prin asamblari de tip nituri-adeziv.

1.2 Aspecte cu privire la stadiul actual al problemei determinarii proprietatilor mecanice ale compozitelor

Proprietatile mecanice sunt foarte importante in procesul de fabricatie pentru a obtine o anumita structura cu niste proprietati specifice si cost redus. O etapa foarte importanta o reprezinta testarea de noi materiale. Aici apar diferite probleme cum ar fi: cum se vor efectua testele, cat de precis trebuie efectuate testele, cum se interpreteaza datele, cat de bune sunt rezultatele obtinute, care este diferenta dintre o epruveta de dimensiuni mici si o structura de dimensiuni mari, ce importanta are influenta mediului inconjurator asupra testelor etc. Toate aceste intrebari si-au gasit raspunsul in cazul materialelor izotrope (materiale care au aceleasi proprietati mecanice pe toate directiile. Aceste materiale constituie un nou inceput pentru dezvoltarea metodelor de testare mecanice pentru materiale mult mai complexe cum ar fi compozitele armate cu fibre. [3]

Compozitele sunt materiale ingineresti relativ noi. Aceasta implica faptul ca nu exista inca baze de date bine puse la punct cu proprietatile lor mecanice. Din acest motiv realizarea de baze de date cu proprietati mecanice ale materialelor compozite reprezinta adesea o parte importanta in proiectele ingineresti. Metodele de testare standard pe metale, in cele mai multe cazuri, nu pot fi folosite pe compozite. De aceea Societatea Americana de Testare si Materiale (ASTM) si alte organizatii similare au dezvoltat standarde specifice pentru compozite. Masuratorile si metodele de prindere, dezvoltate initial pentru metale, terbuie modificate si ele pentru a fi aplicate la compozite. Din pacate, multe carti de incercari nu trateaza acest subiect. Majoritatea inginerilor vor trebui sa efectueze mai multe teste de proba de-a lungul carierei lor. Foarte putine compozite au fost caracterizate complet. Chiar si cand exista date, se obisnuieste sa se efectueze cateva teste de verificare [3].

Pentru a face ca o structura sau o componenta sa fie eficienta si sa-si indeplineasca scopul, trebuie sa se decida asupra formei fiecarei subcomponente, tinindu-se cont de materialul din care se va confectiona. Aceasta conduce la concluzia ca trebuie sa se acorde multa atentie asupra relatoolor intime dintre modul in care componenta ar trebui sa functioneze si proprietatile materialului din care este confectionata. Acesta poate fi un lucru destul de greu chiar si in cazul materialelor izotrope omogene si deci mult mai dificil in cazul materialelor aniszotrope si neomogene.

Materialele plastice armate cu fibre (FRP) sau materiale compozite intr-un sens mult mai general sunt o combinatie intre o matrice polimerica palstica (fie o resina termoplastica sau termofixata precum poliesterul, izopoliesterul, vinil esterul, epoxi, fenolul) si un agent de armare cum ar fi sticla, carbonul, aramidele sau alt material de armare, in asa fel incat sa existe o anumita proportie intre componente pentru a da o functie de armare sesizabila pe una sau mai multe directii.

FRP mai paote sa contina si adaosuri si material pentru nucleu care modifica si imbunatateste produsul final. Elementele constitutive dintr-un compozit isi mentin identitatea in timp ce lucreaza impreuna pentru a da o gramada de avantaje ideale pentru aplicatii structurale precum:

Rigiditate si duritate stabila – compozitele pot fi proiectate sa aiba o gama variata de proprietati mecanice incluzind: rezistenta la intindere, incovoiere in trei puncte, impact sau compresiune. Si spre deosebire de celelalte materiale, compozitele pot avea duritatea duritatea adaptata la conditiile specifice pentru o anumita aplicatie

Greutate redusa/Consolidarea compnentelor – compozitele de tip FRP au o rigiditate mai mare pe unitate de masa decat cele mai multe metale. De fapt, acestea reprezinta in general 1/5 din greutatea otelului. Compozitul poate fi de asemenea modelat intr-o componenta complexa, adesea inlocuind ansambluri din mai multe piese sau intaritori. Combinatia dintre aceste beneficii face ca FRP sa fie un material puternic ce poate sa fie partial sau complet prefabricat in intreprinderea producatorului, trimis la locul de montare si instalat in cateva ore.

Fluaj (Deformare permanenta la incarcari de lunga durata) – Adaugarea armaturii la matricea polimerica mareste rezistenta la fluaj a componentei realizate corespunzator din FRP. Fluajul nu va fi foarte accentuat daca incarcarile pe structura sunt mentinute sub nivelul conditiilor de lucru sub tensiune.

Rezistenta la factoriid e mediu – Compoezistenta la factoriid e mediu – Compozitele prezinta o rezistenta excelenta la coroziunea data de:

Inghet: deoarece compozitele nu sunt atacate de coroziunea galvanica si au absorbtie redusa a apei si rezista expansiunii distructive a apei inghetate.

Decolorare si Luminta Ultra-Violeta: compozitele de tip FRP proiectate pentru expunere la conditii de vreme grele, sunt de obicei prvazute cu un strat superficial acoperit cu un gel pigmentat sau are inclus un limitator de Uvca si aditiv la matricea compozitului. Ambele metode ofera o protectie ridicata materialului prin ecranarearazelor UV si minimizarea absorbtiei de apa de-a lungul interfetei de fibra/rasina.

Chimicale si Temperaturi: Compozitele nu ruginesc sau corodeaza si pot fi proiectate pentru a impiedica rezistenta pe termen lung la aproape orice agent chimic sau de temperatura. Un beneficiu special il reprezinta abilitatea compozitului de a rezista la efectele distructive normale ale dezghetarii sarurilor si/sau a vaporilor de apa sarata din ocean.

Performantele ridicate la foc ale compozitelor – FRP pot sa arda sub mai multe conditii Compozitele pot fi proiectate sa indeplineasca si cele mai grele conditii de foc prin folosirea unei rasini si adezivi speciali. Compozitele realizate si formulate corespunzator pot avea rezistenta la foc apropiata de cea a metalelor. [3]

Avand toate aceste proprietati si de asemenea capacitatea de a fi impletite aproape in orice forma dorim, este evident de ce FRP sunt din ce in ce mai folosite azi. Un mare dezavantaj al compozitelor laminate il reprezinta aparitia fisurilor din diferite cauze cum ar fi impacturi cu energie scazuta curgeri din fabricatie. Problema fisurilor din laminate este aceea ca se pot descoperi foarte greu si de exemplu in ambele cazuri a pronit din partea de sus, suprafata compozitului poate fi lipsita de vreo urma de defectiune.

1.3 Tipuri de teste ce se pot realize pe materiale composite:

1.3.1 Teste de compresiune

Materialele se comporta diferit la compresiune fata de tractiune, motiv pentru care paote fi foarte importanta realizarea unor teste mecanice care sa simuleze conditiile de lucru ale materialului [4].

Testul de compresiune este folosit uzual pentru testarea materialelor plastice, spumelor, rocilor, betonului si asfaltului. Se foloseste foarte rar la metale. Testul de compresiune mai este folosit si la testarea produselor pentru a evalua comportamentul produselor finale. De exemplu, un ac hipodermic poate fi introdus intr-un material pentru a vedea cat de usor penetreaza si pentru a deduce cat de ascutit este [4].

Figure 3 Exemplu de test de compresiune [4]

Pentru testele de compresiune exista urmatoarele standarde ASTM:

ASTM D638 Proprietati la tractiune ale materialelor plastice

ASTM D642 Determinarea rezistentei la compresiune ale containerelor transportate pe vase, componente si incarcari unitare

ASTM D695 Proprietati la compresiune ale materialelor plastice rigide

ASTM D1621 Proprietati la compresiune ale materialelor plastice celulozice rigide

ASTM D4169 Teste de eficienta pentru containere transportate pe vase si sisteme de transport

1.3.2 Testare la incovoiere

Aceasta metoda de testare mecanica masoara comportamentul materialelor supuse la forte simple de incovoiere. La fel ca modulul de elasticitate la tractiune, cel la incovoiere (rigiditatea) este calculat din panta fortei de incarcare si deplasarea corespunzatoare [4].

Testul de incovoiere in trei puncte implica incovoierea unui material (mai degraba apasare sau tractiune), pentru a determina cat de mult poate un material sa se incovoaie inainte sa se rupa, precum si relatia dintre tensiunea la incovoiere si deplasare. Aceasta metoda de testare este folosita uzual pe materiale casante cum ar fi ceramicele, piatra, zidarie si sticle. Mai poate fi folosit si penru examinarea comportamentului materialelor care sunt menite sa se incovoaie pe timpul duratei lor de functionare/viata, cum ar fi izolatiile de fire si alte produse elastomerice [4].

Figure 4 Exemplu de test de incovoiere [4]

Cateva exemple de standarde folosite uzual pentru incovoiere sunt:

ASTM C393 Propreitati la incovoiere ale constructiilor de tip sandwich

ASTM C1161 Rigiditatea la incovoiere a ceramicelor avansate la temperatura mediului inconjurator

ASTM D623 Proprietatile cauciucurilor – Generarea de caldura si oboseala la incovoiere in compresiune

ASTM D648 Abaterea de temperatura la materialele plastice supuse la forte de incovoiere

ASTM D790 Proprietatile la incovoiere la materialele plastice cu si fara armare si materialele izolatoare electrice

ASTM D2990 Tractiune, Compresiune si Fluaj la incovoiere si ruperea aferenta la materiale plastice

1.3.3 Test de oboseala

Testarea al oboseala se foloseste pentru a determiana la cate cicluri de incarcare poate rezista un material sau pentru a determina nivelul tensiunii maxime pentru un numar dat de cicluri [4].

Rezultate testelor de oboseala variaza foarte mult in functie de material. De exemplu, cele mai multe oteluri si aliaje de aluminiu se comporta foarte diferit la oboseala. Otelurile au in mod uzual un prag la oboseala, ceea ce presupune ca daca este testat la incarcari mai mici decat acel prag, rezistenta acestuia va fi infinita. Cele mai multe aliaje de aluminiu nu au o limita la oboseala, deci este mult mai dificil sa se judece cand acestea se rup. Chiar si la tensiuni mici, cele mai multe aliaje de aluminiu vor ceda dupa un numar suficient de mare de cicluri. Materialele plastice (polimerii) sunt foarte sensibile la ritmul de deformare sau la viteza de testare. Testarea plasticelor la un ritm mai alert va conduce la diferente mai de rezultate in comparatie cu testele realizate la viteze mici. In mod similar, plasticile sunt materiale termosensibile, adica se comporta total diferit la temperaturi ridicate fata de temperaturile mai scazute. Testarea oboselii este foarte des intalnita in industri auto si aerospatiala. Acest tip de teste mecanice se realizeaza folosind cilcuri sinusoidale de incarcare foarte simple sau pot include reproduceri foarte complexe ale unor profile de lucru reale [4].

Figure 5 Exemplu de test de oboseala [4]

Cateva standarde folosite la testarea la oboseala sunt urmatoarele:

ASTM D623 Proprietatile cauciucurilor – generarea de caldura si oboseala la incovoiere in compresune

SR EN ISO 14125:2000 /AC:2003 Materialele compozitele plastice ranforsate cu fibre. Proprietati la incovoiere

SR EN ISO 14126:2003 Materiale compozite ranforsate cu fibre. Proprietati de compresiune in plan.

1.3.4 Testare la tractiune

Testele de tractiune implica intinderea unei epruvete pentru a determina relatia dintre forta si alungire si forta la rupere. Acesta metoda de testare mecanica se realizeaza pe aproape orice tip de mateial: metale, plastice, hartie, film, foite, sarme, cabluri etc. Exista multe proprietati de material ce pot fi determinate prin teste de tractiune. Cele mai des intalnite sunt:

Modulul de Elasticitate

Acesta masoara rigiditatea unui material – cat de mult se deformeaza elastic pentru o forta datra.

Elongatia

Aceasta reprezinta alungirea totala elastica si palstica (ireversibila) a materialului inainte de rupere.

Tensiunea maxima

Aceasta reprezinta forta maxima suportata de epruveta pana la rupere.

Rezistenta la curgere

Aceasta reprezinta tensiunea (forta/suprafata) la care materialul incepe sa se deformeze plastic.

Testele de tractiune pot fi efectuate atat pe produse finite sau taiate in forme speciale cat si pe forme turnate. Trebuie acordata mare atentie la astfel de probleme cum ar fi viteza de testare, proiectarea prinderilor si aplicarea lor, selectarea modului de incarcare etc. pentru a obtine rezultate precise si credibile [4].

Figure 6 Exemple de teste de tractiune [4]

Dintre standardele folosite in mod uzual in industrie la incercari de tractiune, se remarca:

ASTM D638 Proprietati de tractiune la plastice prin folosirea epruvetelor microsensibile

ASTM D882 Proprietatile la tractiune ale placilor subtiri plastice

ASTM D2256 Proprietatile la intindere ale Yarns prin metoda firului unic. 

Testele folosite pentru evaluarea proprietatilor mecanice sau insusirilor unui material cresc in numar si complexitate odata cu severitatea conditiilor de exploatare dar si odata cu schimbarile majore ce au loc in clasele de materiale, de la izotrop la anizotrop si de la omogen la heterogen. Astfel se dezvolta numeroase metode pentru testarea proprietatilor mecanice ale compozitelor cu fibre lungi. In cele mai multe cazuri acestea reprezinta variante derivate din teste obisnuite pentru alte clase de materiale, cum ar fi de exemplu metaleel si plasticele, acestea fiind descrise in metodele standard de testare [4].

Compozitele cu fibre lungi sunt necesare de obicei ca sa preia rolul de structuri tensionate. Rezulta ca modulul de elasticitate, rigiditatea, ductilitatea si rezistenta la rupere sunt niste proprietati de o importanta deosebita. Valorile acestor proprietati si caracteristicile generale manifestate de compozitele cu fibre lungi si alte materiale similare runt rezultate in urma unor combinatii de reguli ale proprietatilor materialelor constitutive in mod individual. Totusi, realitatea situatiilor practice poate incalca regulile astfel ca niste rezultate de la un o anumita metoda de testare poate fi incalcata [4].

Cap.2 Metode de determinare a parametrilor de mecanica ruperii

2.1 Aspecte generale

Existenta unei fisuri initiale intr-o componenta, poate duce la distrugerea prin fisurare a acelei componente. Din punct de vedere practic s-a obsevat ca propagarea fisurilor deja existente in componente sau ansamble este greu de evitat. Studiul corpurilor fisurate se numeste mecanica ruperii, si vine in ajutorul analizei structurale, folosindu-se pentru a obtine distributia de tensiuni necesara proiectarii.

Prima dovada cantitativa a existentei unui factor de conentrare al tensiunilor a fost prezentata in anul 1913 de Inghs care a analizat comportamentul gaurilor eliptice dintr-o placa. A presupus ca deplasarea gaurii nu este influentata de marginea placii, adica latimea placii este mult mai mare de 2a, si inaltimea placii mult mai mare de 2b. Tensiunile de la varful axei principale (punctul A) sunt date de relatia:

Raportul este definit ca fiind factorul de concentrale al tensiunii, K. Atunci cand a = b atunci fisura este circulara iar K = 3, cu toate acestea este mult mai comod sa exprimam in functie de raza de curbura:

In conditiile in care fisura se aproximeaza ca fiind ascutita si de lungime infinita, tensiunea ce rezulta din ecuatia de mai sus tinde catre infinit ( tinde catre 0). Acest caz reprezinta o abstractizare matematica, care nu are aplicabilitate in realitate. Metalele de exemplu sufera o deformare plastica, care la randul ei produce o tesitura la varful fisurii. In absenta unei deformatii plastice, raza minima de la varful fisurii este de ordinul razei atomice. Se presupune ca propagarea fisurii se produce la o tensiune egala cu tensiunea coeziva. Paradoxul unei fisuri ascutite a fost explicat de Griffith (1920) pentru a dezvolta o teorie a ruperii bazata pe energie, nu pe tensiune locala. Modelul lui Griffith se bazeaza pe bilantul energetic global: pentru ca fisura sa se propage, energia inmagazinata in structura trebuie sa depaseasca energia de suprafata a materialului. Schimbarea de energie din timpul fisurarii nu este perceputa de raza de la varful crestaturii pentru a >> b. Din acest motiv modelul lui Griffith impune ca tensiunea de rupere sa nu fie perceputa in zona apropiata de raza de curbura de la varful fisurii. [5]

Cazul real se situeaza intre aceste doua extreme, tensiunea de propagare depinzand de raza de la baza concetratorului dar nu si de extensie. Definita in analiza tensiunilor data de Inghs. Diferentele aparente dintre criteriul tensiunilor critice si cel al energiei bazat pe termodinamica pot fi rezolvate privind propagarea fisurii ca fiind un proces de initiere si crestere a fisurii. Cand tensiunea globala, si geometria fisurii satisfac conditiile criteriului energetic al lui Giffith, exista suficienta forta activa pentru a se produce cresterea fisurii, dar fisura trebuie sa fie mai intai initiata. Criteriul lui Griffith este valabil doar pentru materiale ideal fragile. Pentru o fisura pe toata grosimea materialului, de lungime 2a pe o placa infinit de lata careia i se aplica ipotezele de stare plana de tensiuni, supusa la tractiune, tensiunea din zona fisurii este de: unde reprezinta energia de suprafata a materialului.

Deoarece ecuatia lui Griffith subestimeaza tenacitatea la rupere a metalelor, Irwin (1948) si Orowan (1948) au modificat ecuatia estimand si capacitatile plastice ale materialelor:

Unde este lucrul mecanic plastic efectuat pe unitatea de suprafata creata, si este in general mai mare decat . [5]

Generalizand modelul lui Griffith pentru a se lua in calcul orice fel de disipare de energie:

Unde reprezinta energia de fisurare care include efecte plastice, viscoelastice, depinzand de material. Cu toate astea, modelul lui Griffith se aplica doar pentru comportamentul liniar elastic. Din aceasta cauza comportamentul global al structurii trebuie sa fie elastic. Orice efect non-linear trebuie sa fie limitat la o regiune mica din jurul varfului fisurii. In plus, ecuatia presupune ca este constant; in multe materiale ductile, energia de fisurare creste proportional cu propagarea fisurii.

In 1956 Irwin a propus o abordare energetica pentru evaluarea fisurii care este echivalenta cu modelul lui Griffith, dar este mult mai convenabila pentru rezolvarea de probleme ingineresti. Irwin a definit o rata de eliberare a energiei G, care cuantifica energia valabila pentru extensia incrementala a fisurii.

Unde este variatia de energie potentiala a corpului fisurat data de energia de deformatie interna si de fortele exterioare pentru o crestere incrementala in zona fisurii dA. Din aceste considerente, reprezinta viteza de variatie a energiei potentiale (considerata cu semnul minus deoarece este eliberata) si se mai numeste forta de extensie a fisurii. [5]

Deschiderea fisurii apare atunci cand G atinge valori critice:

Unde Ws reprezinta lucrul mecanic necesar pentru a creea noi suprafete ale fisurii si Gc este o caracteristica a tenacitatii la rupere a materialului.

Propagarea fisurii poate fi stabila sau instabila, depinzand de modul in care G si wf variaza in functie de dimensiunea fisurii. Pentru a evidentia un comportament stabil sau instabil se prefera inlocuirea lui 2wf cu R, R fiind rezistenta materialului la propagarea fisurii. Graficul dintre R si extensia fisurii se numeste curba de rezistenta, sau cruba R. Graficul dintre G si extensia fisurii se numeste curba de lunecare. [5]

Se considera o placa lata, cu o fisura initiala pe toata grosimea ei, de lungime initiala 2a. La o anumita tensiune, viteza de eliberare a energiei variaza linear cu dimensiunile fisurii.

Uneori, rezistenta materialului este constanta, iar curba de rezistenta este orizontala.

Conditii necesare pentru propagare stabila:

G = R

Propagare instabila:

Cand curba de rezistenta este orizontala, ca in figura 4.2 a, se poate defini valoarea critica a vitezei de variatie a energiei Gc. Un material cu o curba R ascendenta, nu poate avea o singura valoare a tenacitatii. Conform ecuatiei anterioare o structura va ceda atunci cand curba fortei active este tangenta la curba R, dar punctele de tangenta depind de evolutia fortei active, care depinde de geometria structurii.

Materialele cu o curba R ascendenta, pot fi descrise cu valoarea lui G la initierea propagarii fisurii. Desi tenacitatea in momentul initierii fisurii nu este influentata de factori geometrici, este practic imposibil sa se determine momentul exact al initierii fisurii.

Curba R pentru un material ideal fragil este orizontala deoarece energia de suprafata este o proprietate de material. [5]

2.2 Factorul de intensitate a tensiunii

Pentru anumite configuratii supuse la actiunea fortelor externe, este posibil sa se deduca expresii pentru distributia de tensiuni din corpul respectiv, in baza ipotezei de material elastic izotrop. Westergaard (1939), Irwin (1946) si Williams (1957) au fost printre primii care au publicat aceste solutii. Daca se defineste un sistem de coordonate polare cu originea la varful fisurii, se poate arata ca distributia de tensiuni in orice material elastic fisurat este data de:

Unde reprezinta notatia generala a tensorului tensiunilor, k este o constanta si este o functie adimensionala de θ. [5]

„Alti termeni” reprezinta raza polara, r, la puteri crescand cu ratia de ½. Termenii de grad mare sunt dependenti de geometrie dar solutia pentru orice fel de configuratie are ca termen o valoare proportionala ca 1/r(1/2). Daca r -> 0, primul termen tinde catre infinit, restul termenilor ramanand finiti sau tinzand catre 0. Tensiunea de la varful fisurii variaza cu 1/(r1/2) independent de configuratia specimenului. Deplasarea la varful fisurii variaza cu r(1/2). Ecuatia anterioara descrie o singularitate, deoarece tensiunea este asimptotica la r = 0. Exista trei moduri de incarcare pentru o fisura

Figure 7 Moduri de rupere

Modul 1: incarcarea principala este aplicata pe directie normala fata de planul fisurii, si tinde sa deschida fisura. Modul 2: corespunde unei incarcari planare, de forfecare (lunecare), tinde sa culiseze cele doua fete ale fisurii unul fata de al doilea. Modul 3: descrie o incarcare de forfecare in afara planului (sfasiere). Orice corp poate fi supus la oricare din aceste 3 moduri, sau la combinari de cate 2 moduri.

Fiecare mod produce o singularitate 1/(r(1/2), dar constanta de proportionalitate k, si fij depind de mod. Este convenabil sa se inlocuiasca k cu factorul de intensitate al tensiunii, K, unde . Factorului de intensitate al tensiunii ii este dat ca indice modul de incarcare. Expresiile aproximative (este luat in considerare doar primul termen) pentru distributiile de tensiuni de la varful fisurii intr-un material linear elastic si izotrop pot fi scrise ca fiind:

Pentru o solicitare mixta, contributiile individuale ale componentelor tensiunilor sunt aditive:

Pentru o placa infinita cu o fisura pe toata grosimea, situata central si de lungime 2a:

Pentru o placa semi-infinita cu o fisura pe margine

2.3 Mecanica rupereii elasto-plastice

2.3.1 Depalsarea deschiderii de la varful fisurii

Deplasarea pe verticala la 180 grade in spatele varfului fisurii poate fi calculata la raza polara si este data de relatia . Corectia pentru zona plastica a lui Irwin

Figure 8 Zona de la varful fisurii

2.3.2 Integrala J

Integrala J reprezinta o modalitate de a calcula lucrul mechanic (energia) din timpul propagarii fisurii pe suprata unui material. J1c defineste punctual incare loc deformatii plastic mari (curgere). Aceasta valoare se obtine greu pe cale experimental, totusi in 1968 Jim Rice a dezvoltat o metoda experimental de aflare a integralei J, care permite calculul tenacitatii la rupere (K1c) pentru materialele in care dimensiunea epruvetei este prea mica ( < 1 metru) pentru determinarea directa a lui K1c. Fizic vorbind, integrala J este legata de suprafata de sub curba data de graficul forta-deplasare. Integrala J poate fi exprimata astfel:

,

unde: F reprezinta forta aplicata al varful fisurii, A este aria de la varful fisurii, reprezinta schimbarea de energie pe unitate de lungime, σ este tensiunea iar reprezinta deformatia data de tensiune. [5]

Tenacitatea la rupere se calculeaza dupa formula:

,

unde K1c reprezinta tenacitatea la rupere in modul I, ste constanta Poisson, iar E este Modulul lui Young.

Cap.3 Determinarea starii de deformatie prin corelarea digitala a imaginii – ARAMIS

2.1 Scurta prezentare a sistemului ARAMIS

ARAMIS este un dispozitiv optic de masurare 3D a deformatiilor, fara contact. Acesta analizeaza, calculeaza si descrie deformatiile. Reprezentarea grafica a rezultatelor masurate ofera o intelegere optima a comportamentului obiectului de masurat. ARAMIS recunoaste structura suprafetei obiectului masurat prin imagini digitale preluate de senzori si aloca coordonate pixelilor imaginilor. Prima imagine din proiectul de masurare reprezinta forma nedeformata a obiectului.

Dupa sau in timpul deformarii obiectului masurat, se inregistreaza alte imagini. Apoi ARAMIS-ul compara imaginile digitale si calculeaza deplasarile si deformatiile caracteristicii obiectului respectiv. In cazul in care obiectul de masurat are doar cateva caracteristici, ca in cazul suprafetelor omogene, trebuie sa pregatiti astfel de suprafete prin metodele adecvate, de exemplu aplicati vopsea intr-un mod aleator. [6]

Figure 9 Model de referinta pentru aplicarea vopselei [6]

ARAMIS-ul se recomanda in special pentru masuratorile tridimensionale ale deformatiilor la incarcari statice sau dinamice pentru a analiza deformatiis I deplasari ale unor componente reale.

Multe dintre functiile sistemului sunt controlate de soft. Masuratorile, evaluarea, imaginile si functia de printare sunt disponibile. Toate functiile pot fi accesate prin meniuri simple, anumite butoane sau ferestre de comunicare.

Domeniile de aplicabilitate ale ARAMIS-ului sunt:

Testarea materialelor

Repartizarea fortelor

Dimensionarea componentelor

Examinarea comportamentului neliniar

Caracaterizarea fenomenelor de gripare si imbatranire

Determinarea curbelor limitelor de turnare

Verificarea modelelor cu elemnt finit

Determinarea caracteristicilor materialelor

Analiza comportamentului materialelor omogene si neomogene in timpul deformatiilor

Calculul deformatiilor

Figure 10 Sistemul ARAMIS [6]

Sistemul ARAMIS este compus din: Senzor cu 2 camere; Stand pentru sustinerea si fixarea senzorului; Sistem de declansare pentru camere si controlul inregistrarii imaginilor; un PC foarte performant si soft v6 impreuna cu GOM Linux 7 sau mai avansat. [6]

Capacitatile ARAMIS-ului sunt:

Folosit ca instrument de masura 2D sau 3D

ARAMIS atribuie detalii patrate sau dreptunghiulare imaginii, asanumitele fatete, in imagini diferite una fata de cealalta

Conditiile de iluminare variabila ale unor imagini diferite sunt compensate automat

Pregatirea simpla a epruvetei intrucat metoda folosita necesita doar aplicarea unei vopsele (cu o textura arpopiata de cea de referinta) pe suprafata epruvetei sau componentei analizate.

Suprafata de masurare mare: atat obiectele mici cat si cele mari (incepand cu dimensiunea de 1 mm si pana la 2000 mm) pot fi masurate cu acelasi senzor. Deformatiile pot fi masurate intr-un interval de la 0,01% pana la 100%.

Reprezentare grafica 3D a rezultatelor masuratorilor efectuate cu densitate mare de puncte de masurare.

Reprezentarea grafica a rezultatelor masuratorilor duce la o intelegere optima a comportamentului materialului.

Mobilitate ridicata intrucat sistemul se poate pune usor in recipientele de transport incluse in pachet. Astfel poate fi transportat cu masina sau cu avionul fara probleme.

Generarea de rapoarte si exportarea rezultatelor masuratorilor.

Automatizare datorita functiilor macro. Comenzile recurente pot fi usor automatizate.

2.2 Principiul masurarii deviatiilor

In general, ARAMIS-ul este asezat pe un stand pentru a pozitiona optim senzorul fata de epruveta. Pentru un ansamblu de masuratori 3D, se folosec doua camere care sunt calibrate inainte de a se face masuratori. Epruveta trebuie sa fie inclusa in volumul de masurare (spatiul 3D calibrat). Dupa crearea proiectului de masurare cu ajutorul soft-ului, se captureza imaginile (monocrom cu am bele camere) in diferite stagii de incarcare ale epruvetei. Dupa ce se defineste zona de masurare (masca de calcul) si se determina un punct initial, se calculeza proiectul de masurare.

In timpul calculelor, ARAMIS-ul monitorizeaza deformarea epruvetei prin intermediul unor repere rectangulare sau patrate (numite fatete). [6]

Figure 11 Exemplu de fatete de 15×15 pixeli cu o distanta intre ele de 2 pixeli in cadrul initial [6]

Marimea fatetelor in pixeli se poate ajusta cu ajutorul soft-ului. In diferite stagii de incarcare, fatetele sunt identificate si monitorizate prin intermediul nivelului nuantelor de gri.

Mai jos se poate observa o pereche de fatete (15×15 pixeli) vazute prin ambele camere, valorile zonelor gri fiind monitorizate in 6 stagii de deformare. Primul stagiu reprezinta structura nedeformata si este luad drept referinta, iar stagiul 5 este stagiul final corespunzator deformatiei maxime. In aceste imagini linia punctata reprezinta structura nedeformatapentru a face cat mai clara relatia dintre fatete si deformatie.

Figure 12 Imagine reprezentand stagiul initial (0) si stagiul final (5) vazute prin ambele camera [6]

Sistemul determina coordonatele 2D ale fatetelor din colturile fatetelor verzi si centrele rezultante. Folosind metode de masurare optice, coordonatele 2D ale unei fatete vazute prin ambele camere duc la obtinerea coordonatelor 3D.

Dupa realizarea corecta a calculelor, datele se pot supune postprocesariipentru a reduce zgomotele sau pentru a inaltura perturbatiile locale. [6]

2.3 Senzorul

2.3.1 Setarea senzorului

Calibrearea senzorilor pentru diferite volume. Ideal este ca obiectul masurat sa incapa in volumul de masura al aparatului. In functie de marimea obiectului ce trebuie masurat, volumul correct de masurat al aparatului se poate gasi in tabelul de setare al senzorului, in Manualul Hardware al Utilizatorului pus la dispozitie de catre ARAMIS. In functie de ce doriti sa masurati, trebuie sa echipati senzorul cu lentilele corespunzatoare. [7]

Figure 13 Senzorul si volumul de masurare [7]

2.3.2 Calibrarea lentilelor

De ce este nevoie de o calibrare a lentilelor? Lentilele ar trebui recalibrate daca:

Ansamblul s-a modificat datorita vibratiilor sau

Daca doriti sa schimbati lentilele pentru a putea avea un alt volum de masuratal aparatului.

2.3.3 Modificarea suportului camerelor

De ce este necesara modificarea suportului camerelor? Daca doriti sa modificati sistemul de masura de la un volum mediu la altul mai mare, aveti nevoie de un support al camerelor mai lung, care sa permita o distanta mai mare intre cele 2 camere. Asadar este nevoie sa modificati suportul camerelor.

2.3.4 Calibrarea camerelor

De ce este necesara o calibrare a camerelor? Unghiul corect intre camere si distanta corecta de masurare sunt necesare pentru a surprinde optim obiectul de masurat in volumul pentru masurat.

Daca, de exemplu, ati calibrat senzorul pentru un nou volum sau ati schimbat suportul camerelor, acestea trebuiesc calibrate din nou. Pasii necesari sunt descrisi in Manualul Hardware al Utilizatorului pus la dispozitie de catre ARAMIS.

Calibrarea. Calibrarea este un procedeu de masura, prin intermediul caruia sistemul de masurare este ajustat, cu ajutorul obiectelor pentru calibrare, pentru a asigura compatibilitatea dimensionala a sistemului de masura. [7]

Figure 14 Obiectivul folosit de camerele ARAMIS-ului [7]

2.3.5 Obiectele pentru calibrare

Pentru sistemul de masura ARAMIS, se folosesc doua obiecte diferite pentru calibrare, tabletele de calibrare pentru volume de masura mici si crucile de calibrare pentru volume de masura mari. Acestea sunt disponibile in diferite dimensiuni. In functie de tipul sistemului de masura si de marime, acestea pot avea mici variatii aspectuale. Obiectele pentru calibrare sunt prevazute cu asa-numitele puncte de referinta.

Obiectul pentru calibrare contine informatii despre diagrama de scala. In functie de tip, o tableta pentru calibrare contine una sau doua diagrame de scala. O diagrama de scala reprezinta o distanta data intre doua puncte precise. O cruce pentru calibrare are intotdeauna doua diagrame de scala (cate una pe fiecare sectiune transversala).

Selectarea Obiectului pentru calibrare. Alegerea obiectului pentru calibrare necesar se face in functie de volumul de masurat pe care doriti sa il utilizati. In manualul hardware al utiliatorului, in capitolul: Configurarea Senzorilor, sunt prezentate volumele ce pot fi masurate, corespunzatoare fiecarui obiect de calibrare.

Figure 15 Exemple de obiecte de calibrare de tip tableta si cruce [7]

Calibrarea sistemului se face numai cu obiectul de calibrare corespunzator volumului de masurare respectiv, pentru a evita obtinerea unor rezutate gresite ale masuratorilor.

Cum se folosesc Obiectele pentru Calibrare. Folositi intotdeauna obiectele pentru calibrare cu cea mai mare grija si impiedicati murdarirea sau zgarierea acestora. Asigurati-va ca nu atingeti suprafata obiectului pentru calibrare, daca este posibil. Dupa fiecare utilizare, asezati tabletele pentru calibrare in locul lor specific.

2.3.6 Conditii pentru Calibrare

Cand este necesara calibrarea?

Inainte de a incepe masuratorile pentru prima data, volumul de masurare respectiv trebuie calibrat.

De asemenea, daca reglarea lentilelor camerelor sau pozitia relativa dintre camere se schimba (ex: cand se modifica lungimea suportului camerelor), sistemul necesita o noua calibrare.

Daca sistemul ARAMIS scoate la iveala multe fatete de culoare galbena in imaginile inregistrate de camere, dupa calcule, sistemul poate sa fie decalibrat.

Sistemul creaza automat zone de culoare galbena (fatete galbene) daca eroarea de intersectie a unui punct 3D (fateta) este mai mare de 0.3 pixeli (dimensiune ajustata din fabrica). Eroarea medie de intersectie a tuturor punctelor 3D nu ar trebui sa depaseasca 0.1 pixeli (vezi butonul de “Info” din sectiunea “Project mode”)

Conditii obligatorii. Se recomanda calibrarea senzorilor sub conditiile reale de functionare. A nu se expune senzorii unor variatii de temperatura inutile. De altfel trebuie sa preveniti ca o posibila aprindere a unui specimen sa incalzeasca prea tare senzorii.

O conditie necesara pentru obtinerea unei calibrari corect este setarea corecta a senzorilor. Obiectul ce urmeaza a fi masurat defineste volumul de masurare si astfel setul de lentile ce trebuie folosite. In functie de volumul de masurare se determina daca trebuie folosita o tableta sau o cruce pentru calibrarea sistemului. Distanta pana la obiectul pentru calibrare trebuie ajustata in functie de capul de senzor folosit

2.3.7 Procesul de calibrare

Pentru procesul de calibrare, trebuie deschis meniul specific al softului si selectat din lista obiectul corect pentru calibrare. Urmariti instructiunile soft-ului.

2.3.7.1 Pozitionarea Obiectelor pentru calibrare

Mai intai, se pozitioneaza obiectul pentru calibrare in centrul volumului de masurare, astfel incat pointerul laser sa cada in centrul obiectului pentru calibrare. Acum, mutati obiectul pentru calibrare in paralel astfel incat linia rosie verticala a tintei sa coincida aproximativ cu pointerul laser in ambele imagini ale camerelor. Dupa aceea urmariti instructiunile soft-ului. [7]

Figure 16 Pasii necesari pentru procesul de calibrare [7]

Pentru a extinde volumul de masurare in directia de vizibilitate a senzorului, trebuie sa mutati obiectul pentru calibrare relativ la fiecare senzor in timpul calibrarii. Pentru aceasta se aplica urmatoarea regula generala:

Mutati obiectul pentru calibrare (in directia vizibilitatii senzorului) cu 1/3 din inaltimea volumului de masurare mai aproape de senzor si cu 1/2 din inaltimea volumului de masurare mai departe – in fiecare caz incepand in centrul volumului de masurare.

Cand se foloseste o cruce pentru calibrare asigurati-va ca aceasta nu atinge podeaua in timpul inclinarii deoarece pot aparea efecte ale deformarii ce conduc la rezultate gresite in timpul calibrarii.

2.3.7.2. Rezultatele Calibrarii

La sfarsitul procesului de calibrare, soft-ul arata rezultatelecalibrarii. Pentru o calibrare corecta, abaterea poate fi intre 0.01 si 0.04 pixeli. In plus la un obiect pentru calibrare (cu informatii de la oua diagrame de scala), abaterea calibrarii ajustate nu trebuie sa fie prea mare (mai putin de 0.005% din diagrama de scala pentru calibrare). O abatere mare indica un obiect pentru calibrare gresit sau defect sau de asemenea parametri de scala gresiti. [7]

2.3.7.3 Calibrarea folosind Seria de Imagini Externe

Pentru cazul special este necesar sa lucrati cu seria de imagini externe, ce au fost inregistrate folosind setari standard pentru senzori ale GOM (ex: pentru aplicatii cu viteze foarte mari) sunt necesare si imagini pentru calibrare. Deoarece in acest caz, soft-ul ARAMIS-ului nu va mai poate ajuta cu etapele necesare calibrarii, trebuie sa simulati personal etapele corespunzatoare calibrarii. Asigurati-va ca manevrati obiectul pentru calibrare in interiorul volumului de masurare corespunzator instructiunilor si inregistrati imaginile respective. Nu este neaparat necesar sa inregistrati imaginile in ordinea etapelor pentru calibrare.

Dupa ce ati incarcat imaginile pentru calibrare in soft-ul ARAMIS-ului, trebuie sa dezactivati optiunea “Instructiuni”, pentru a permite o calibrare indiferent de ordinea imaginilor.

2.3.8 Informatii de baza despre calibrare

2.3.8.1 Teoria Calibrarii

In timpul calibrarii se determina configuratia senzorilor. Aceasta presupune ca distanta si orientarea relativa dintre camere sunt determinate. In plus, caracteristicile de imagine ale lentilelor sunt determinate (ex: focalizarea, distorsiunea lentilelor). Bazandu-se pe aceste setari, soft-ul calculeaza din punctele de referinta ale obiectului pentru calibrare din imaginile 2D ale camerelor, coordonatele 3D ale acestora. Coordonatele 3D calculate sunt apoi readuse la stadiul de imagini 2D ale camerelor. Pentru pozitia punctelor de referinta, aceasta se traduce prin: abaterea punctelor de referinta (eroarea de intersectie). [7]

2.3.8.2 Abaterea de calibrare

Abaterea de calibrare este calculata din abaterea medie de la punctele de referinta a tuturor punctelor inregistrate in timpul procesului de calibrare.

Ce cauzeaza decalibrarea sistemului? Se produce o decalibrare atunci cand se modifica configuratia senzorilor. Aceasta poate fi de exemplu, modificarea unghiului dintre camere sau modificari ale caracteristicilor de imagine ale camerelor (ajustarea gresita a lentilelor). Daca se modifica configurarea senzorilor, se modifica si deviatia calculata de la punctele de referinta, vezi B 2.2. Se poate observa inceputul unei decalibrari a sistemului daca, de exemplu, “Abaterea medie de intersectie” a tuturor punctelor 3D (“Project Mode” butonul “Info – Facet Field”) este mai mare de 0.1 pixeli.

2.3.8.3 Calibrarea rapida

Daca exista indicii ca sistemul ar putea fi decalibrat (ex: daca ati miscat putin camerele), puteti face o “Calibrare rapida”.

In timpul acestui proces, obiectul pentru calibrare trebuie sa fie asezat in 3 pozitii:

in centrul volumului de masurare

mai departe de senzor

mai aproape de senzor

Aceste 3 imagini sunt combinate cu calibrarea initiala si astfel o noua calibrare este calculata pentru urmatoarele masuratori.

Totusi, caracteristicile e imagine ale camerelor nu ar trebui sa se modifice! Daca, de exemplu, niste lentile sunt noi sau gresit ajustate, trebuie sa efectuati o noua calibrare complete. Crucea pentru calibrare nu trebuie sa fi fost data la o parte in timpul ultimei calibrari si calibrarii rapide. [7]

2.4 Crearea unui nou proiect

Pentru a analiza deformatiile materiale le unui obiect, este nevoie de mai multe imagini ale etapelor de deformare. Intrucat toate datele inregistrate in timpul unei masuratori sunt stocate automat intr-un proiect de masurare, trebuie mai intai sa creati un “nou proiect” pentru masuratoarea dumneavoastra. Un scenariu predefinit al soft-ului va ghideaza pas cu pas.

Numele proiectului este in acelasi timp si numele directorului in care vor fi salvate datele proiectului. Este definit odata cu numele proiectului. [7]

2.4.1 Proiect 2D, 3D

ARAMIS-ul face deosebire intre proiectele de masura 2D si cele 3D. Daca dispuneti de un senzor cu 2 camere, in mod normal doar un proiect 3D ar fi potrivit.

Pentru cazul special in care aveti specimene foarte mici (< 3mm), ar putea fi potrivit si un proiect de masurare 2D.

In acest caz, dimensiunile specimenului pot duce la unghiuri mari intre camere. Un punct 3D bazat pe imaginile capturate de camere poate fi calculat numai daca este vizibil pe ambele camere!

Acest lucru nu este general valabil pentru diferite geometrii ale specimenului.

Pentru a obtine informatii despre deplasari intr-un proiect 2D, este necesaradefinirea in parametrii 2D, a scalei 2D (distanta dintre linii) in loc de informatiile din diagrama de scala.

2.4.2 Cuvinte cheie ale proiectului

Cand se creeaza un nou proiect, aveti posibilitatea de a introduce informatii despre proiect specificate de utilizator, asanumitele cuvinte cheie ale proiectului, pe care le puteti folosi ulterior, de exemplu, in rapoarte, pentru a documeta rezultatele masuratorilor (ex.inspector, data, numarul componentei etc). Orice informatie introdusa acolo este automat inregistrata la preferinte si astfel poate fi folosita la noi proiecte.

2.4.3 Parametrii proiectului

Parametrii proectului definesc parametrii importanti ai unui proiect. In mod normal setarile standard sunt suficiente dar pot fi modificate in functie de necesitati. Parametrii modificati folosind “Proiect / Parametru Proiect” afecteaza doar proiectul curent.

A nu se modifica setarile acestor meniuri daca nu aveti cunostinte de baza. Pentru proiecte e masurare standard, folositi setarile standard ale parametrilor proiectului.

Figure 17 Exemplu de captura cu ARAMIS [7]

2.4.3.1 Parametrii fatetelor

ARAMIS-ul detecteaza deformarea specimenului prin imagini, cu ajutorul unor fatete patrate sau triunghiulare. Urmatoarea figura arata setarile standard ale ARAMIS-ului, fatete de 15 x 15 pixeli cu un salt al fatetelor de 13 pixeli (corespunde unei portiuni suprapuse de 2 pixeli).

Din fiecare fateta valida in urma calculelor rezulta un punct de masurare.

2.4.3.2 Deformatii

In mod normal, in proiectele de masura ale ARAMIS-ului se foloseste numai calculul “Deformatiilor Liniare”. Parametrii predefiniti ai deformatiilor liniare sunt calcule de gradul 3 si exactitate apropiata de 55%.

2.4.3.3 Informatii despre etape

Daca este nevoie, puteti defini aici informatii suplimentare despre etape (cum ar fi informatii despre forta si timp) care vor fi apoi afisate in browser la date despre etape sau vor fi incluse intr-un raport. [7]

2.4.3.4 Punct de pornire automat

Un punct de pornire reprezinta fateta de la care porneste procesul de calcul. Functia “Punct de pornire automat” este folosita in cazul unui proiect setat sa mearga automat.

Figure 18 Punct de referinta pentru calculul etapelor [7]

2.4.3.5 Parametrii de stare

In cadrul parametrilor de stare, se determina un model care contine configuratia parametrilor pentru procesarea proiectului dumneavoastra. Modelele standard din fabrica sunt: “Standard”, “Rapid” si “Precizie ridicata”.

De asemenea puteti determina personal parametrii:

“Metoda de calcul”

“Precizie”

“Limita de iteratie”

“Finetea pixelilor”

“Verificarea nivelului culorii gri”

2.4.4 Modul de masurare

Porniti “Start/Stop Mod de masurare” folosind inconita respectiva din meniu.

Apoi faceti toate setarile necesare si porniti masuratorile propriu-zise folosind butonul de start.

2.4.4.1 Ajustarea Timpului de expunere, iluminarii specimenului

Timpul de expunere reprezinta timpul in care cipurile camerelor inregistreaza date despre imagini. Un timp de expunere gresit duce la expunerea slaba (timp de expunere prea mic) sau expunere excesiva (timp de expunere prea mare) a imaginilor.

ARAMIS-ul nu necesita o iluminare speciala. Sursa de lumina (iluminarea specimenului sau lumina zilei) ar trebui sa ilumineze specimenul omogen, iar intensitatea luminii disponibile ar trebui sa fie suficienta pentru expunerea excesiva a imaginilor camerelor cu un timp de expunere mai lung.

Timpul maxim si minim de expunere posibil depinde de camerele folosite si viteza cu care se misca specimenul masurat. [7]

2.4.4.2 Moduri de inregistrare standard

Pentru un proiect de masurare standard, sunt suficiente urmatoarele 2 moduri:

Simplu cu sau fara ispozitiv de actionare. In acest mod se inregistreaza doar o imagine odata si masuratoarea se porneste intotdeauna manual, actionand iconita corespunzatoare. Imaginea este introdusa automat in proiectul dumneavoastra sub forma unei noi etape. In cazul in care este introdus un dispozitiv de actionare, se pot inregistra analog si valorile voltajului existent (ex: pentru forta si deplasare).

Se foloseste acest mod e inregistrare daca de exemplu ati dori sa efectuati o masuratoare cvasi-statica si va sunt suficiente doar cateva imagini pe care ati dori sa le comparati mai tarziu sub forma de etape. Acest mod mai este potrivit si pentru adaugarea de imagini individuale la o serie de imagini deja inregistrate.

Masuratori rapide (Memoria Principala). In acest mod se inregistreaza un sir maxim si echidistant in timp de imagini.

Frecventa maxima posibila depinde de senzorul ARAMIS-ului folosit (camere) si de PC.

Dispozitivul de actionare declanseaza inregistrarea imaginilor si de asemenea inregistreaza in paralel si valorile voltajului analog existent. Dupa inregistrare puteti incarca cateva sau toate imaginile sub forma de etape in proiectul de masurare. [7]

Cap.4 Teste si rezultate

4.1 Incovoierea in 3 puncte

Folosirea testelor de incovoiere in 3 puncte pentru determinarea proprietatilor mecanice ale rasinilor si materialelor compozite din fibre laminate este larg raspandita in industrie datorita modului de testare relativ simplu, echipamentului si pregatirii necesare. De asemenea testul de incovoiere in 3 puncte poate fi folosit si pentru a determina forta de forfecare interlaminara a unui laminat (folosind o bara scurta), si pentru cercetarea proprietatilor mecanice ale barelor de tip sandwich cu fete laminate si nucleu din spume sau de tip fagure de miere. Prin realizarea fina a barei tip sandwich este posibila atat determinarea rigiditatii la incovoiere in 3 puncte si forfecare a structurii, cat si mudulul si forta de forfecare a nucleului, modulul de tensiune si compresiune si rezistenta fatetelor, si la evaluarea adeziunii intre nucleu si fatete. Incovoierea in 3 puncte se mai poate folosi la evaluarea rezistentei la rupere interlaminara a laminatelor si la determinarea rigiditatii, rezistentei la rupere si oboselii la structuri mai complexe. In aceasta parte a lucrarii ne vom axa strict pe testarea la incovoiere in 3 puncte a unor bare simple, laminate din fibra de sticla si rasina si nucleu din spuma epoxidica.[8]

Exista multe standarde formulate de Organizatiile Nationale si Internationale pentru Standardizare, pentru testele de incovoiere in 3 puncte. Detaliile metodelor de testare difera de la organizatie la organizatie, unele fiind foarte precise, altele lasand o mare libertate la efectuarea testelor. Cateva dintre medodele de testare disponibile si recomandate, au fost effectuate in mod special cu ajutorul materialelor composite cu fibre plastice de inalta calitate, propuse initial pentru testarea mecanica a solidelor omogene. Printre exceptii se afla si acele metode descries de Asociatia Americana de Testare si Materiale (ASTM), Asociatia Cercetatorilor de Materiale Compozite (CRAG) si recentul Standard International (SI). Aceste organizatii au incercat sa abordeze necesitatea acestor materiale heterogene si anizotropice.[8]

Desi se deduce adesea ca testele de incovoiere in 3 puncte dau rezultate similare celor din alte teste (intindere si compresiune, de exemplu), care sunt recomandate pentru achzitia de date, se recunoaste ca metodele de testare ce folosesc aplicarea fortei la incovoiere in 3 puncte nu produc rezultate de calitate. Datele obtinure din diverse teste de incovoiere in 3 puncte trebuie folosite cu atentie, deoarece este posibil sa se obtina rezultate ce difera in functie de metoda folosita, iar acestea sa nu reflecte in nici un fel proprietatile materialului ce se urmarea a fi cercetat. In general, metoda incovoiereii in 3 puncte se aplica in controlul calitatii si selectarea materialelor, unde sunt necesare mai mult valori comparative decat absolute. Astfel de teste continua sa fie folosite pentru ca sunt relativ simple, usurind realizarea masuratorilor cu un minim de resurse si experienta tehnica.[8]

La testele de incovoiere in 3 puncte se face abstractie de capete, sau modificarea formei epruvetei, testele fiind efectuate pe bare simplu rezemate si de sectiune constanta. Cele doua metode uzuale pentru testarea proprietatilor la incovoiere a laminatelor sunt de tipul incovoiere in 3 sau 4 puncte. O epruveta plata rectangualra este simplu rezemata cat mai aproape de capete si incarcata fie in centru (la incovoire in 3 puncte), fie in doua puncte simetrice fata de suporti (la incovoiere in 4 puncte).

4.1.1. Testele de incovoiere in 3 puncte

Un test de incovoiere in 3 puncte produce tensiune in partea convexa a epruvetei si compresiune in cea concava. Aceasta creeaza o zona de forfecare in jurul liniei mediene. Pentru a obtine o rupere initiala sub actiunea fortelor de tensiune sau compresiune, se urmareste minimizarea fortei de forfecare. Aceasta se controleaza cu ajutorul raportului deschidere-inaltime; distanta dintre reazeme impartita la inaltime. Pentru cele mai multe materiale S/d = 16 reprezinta o valoare acceptabila. Unele materiale au nevoie de S/d = 32 pana la 64 pentru a pastra valoarea fortei de forfecare la niste valori destul de mici.[8]

Incovoierea in 3 puncte este unul dintre cele mai simple teste mecanice posibile. De aceea este foarte raspindit pentru a determina proprietatile mecanice ale materialelor.

In cazul unui test de incovoiere in 3 puncte, zona de tensiune uniforma este destul de mica si concentrata in punctul de aplicare al fortei. La un test de incovoiere in 4 puncte, aceasta zona se afla intre punctele de aplicare ale celor doua forte (in mod normal cam la jumatatea distantei).

Figure 19 Incovoiere in 3 puncte [8]

Comportamentul la incovoiere in 3 puncte al barei se obtine inregistind valorile fortelor aplicate si ale depalsarilor corespunzatoare. Deplasarile au fost calculate cu teoria de bara simpla si datele obtinute de la un traductor inductiv, plasat in centrul barei (in zona punctului de aplicare al fortei).

Forta la incovoiere in 3 puncte este egala cu forta de pe suprafata epruvetei in momentul initierii fisurii, care ar trebui sa fie urmata de ruperea fibrelor, mai mult interlaminar. Aceasta forta se calculeaza folosind momentul maxim de incovoiere, corespunzator fortei la rupere si mergand pe ipoteza unei dependente liniare intre forta-deplasare pana la rupere. Rezistenta la incovoiere in 3 puncte este diminuata folosind un raport deschidere-grosime cat mai mare, deoarece deschiderea barei nu influenteaza forfecarea interlaminara, pe cand o deschidere mare duce la un moment de incovoiere foarte mare, rezultind intr-o fisura longitudinala. Din pacate un raport mare deschidere-grosime produce devieri mari la incarcarea barei, ceea ce duce mai departe la ideea ca trebuie sa se tina cont de fortele orizontale aparute in punctele de rezemare, cand se calculeaza momentul de incovoiere corespunzator.[14]

Momentul de incovoiere la testul de incovoiere in 3 puncte creste de la valoarea 0 in dreptul reazemelor pana la o valoare maxima in zona de incarcare, centrala, dupa cum se poate vedea in figura si deci forta de forfecare (si forta de forfecare interlaminara in planul median) este uniforma de-a lungul barei.

4.1.2 Calculele

4.1.2.1 Modulul de elasticitate la incovoiere in 3 puncte

In toate standardele modulul de elasticitate la incovoiere in 3 puncte este calculat cu aceeasi formula:

unde Ef este modulul de elasticitate, S este distanta dintre reazeme, m este panta curbei caracteristice a materialului, cu b si h fiind latimea si respective grosima epruvetei. [8]

4.1.2.2 Tensiunea maxima

Tensiunea maxima la fibrele de pe suprafata exterioara a epruvetei la incovoiere in 3 puncte este definite ca:

unde max este tensiunea pe suprafata exterioara a epruvetei si P este forta aplicata. [8]

Figure 20 Variatia tensiunilor normala si de forfecare la un test de incovoiere in 3 puncte [8]

4.1.2.3 Teste realizate pe epruvete din textura de fibra de Kevlar si Carbon

Figure 21 Dispozitiv experimental Lloyd Instruments pe care s-au realizat testele din laborator

Testele s-au realizat folosind un raport deschidere-grosime de 28. In urma testelor efectuate in laborator s-au obtinut urmatoarele rezultate:

Table 1 Rezultatele testelor pe textura din fibra de Kevlar si Carbon

Figure 22 Diagrama forta-deplasare pentru epruvetele de kevlar-carbon

4.1.2.4 Teste realizate pe epruvete din textura de fibra de Carbon tip 1

Testele s-au realizat folosind un raport deschidere-grosime de 31. In urma testelor efectuate in laborator s-au obtinut urmatoarele rezultate:

Table 2 Rezultatele testelor pe fibra de Carbon tip 1

Figure 23 Diagrama forta-deplasare pentru epruvetele de carbon tip 1

In urma testelor s-a observat ca epruvetele din fibra de carbon sunt mai elastice decat cele din textura de kevlar si carbon. Materialul din carbon si kevlar a avut un comportament mai mult ductil, apropiindu-se de cel al metalelor.

4.1.2.5 Teste realizate pe epruvete din fibra de Carbon tip 2

Testele s-au realizat folosind un raport deschidere-grosime de 30. In urma testelor efectuate in laborator s-au obtinut urmatoarele rezultate:

Table 3 Rezultatele testelor pe fibra de Carbon tip 2

Figure 24 Diagrama forta-deplasare pentru epruvetele de carbon tip 2 realizata in Nexygen Plus

4.1.2.6 Teste realizate pe epruvete din fibra de Sticla

In urma testelor efectuate in laborator s-au obtinut urmatoarele rezultate:

Table 4 Rezultatele testelor pe fibra de Sticla

Figure 25 Diagrama forta-deplasare pentru epruvetele de fibra de sticla realizata in Nexygen Plus

Figure 26 Analiza fisurii cu ajutorul ARAMIS-ului

Cap.5 Analiza delaminarii unui compozit cu ajutorul ARAMIS-ului

5.1 Fisura interlaminara si intralaminara

5.1.1 Generalitati

Compozitele pe baza de matrice polimerica ofera imbunatatiri considerabile in comparatie cu metalele, pentru aplicatiile structurale. Greautatea lor redusa, rezistenta si rigiditatea relativ mare, le face sa primeze in special in industria aerospatiala, unde inlocuiesc componente sau structuri metalice. Dar in cazul in care se combina fibre foarte rezistente cu o matrice cu o rezistenta redusa, delaminarea este foarte probabila.

Materialele compozite de obicei sunt formate dintr-o matrice si un material constituent de ranforsare. Matricea este de obicei moale si ductila in comparatie cu materialul de ransforsare, dar nu intotdeauna. Sunt posibile mai multe tipuri de ranforsare, printre care fibre continue, fibre taiate, fibre mustata de pisica, fulgi si particule.

Cand o matrice polimerica este combinata cu un material de ranforsare dur, cu un modul de elasticitate mare, materialul rezultat poate avea rapoarte rezistenta/greutate si rigiditate/greutate mai bune decat cele intalnite la otel si aliminium.

Materialele plastice ranfosrsate cu fibre continue tind sa ofere cele mai bune rezultate dintre materialele compozite pe baza de polimeri. Compozitele se pot realiza folosind diferite tipuri de asezare a laminatelor in straturi individuale. Rezultatele dorite ale compozitului se pot obtine prin alegerea unui material de ranforsare si a unei matrici coresspunzataore, a unui anumit volum al fibrelor si asezazare a straturilor.

Spre deosebire de matale unde fisura dezvoltata sub o incarcare statica se produce intr-un singur mod de rupere, care reprezinta initierea si propagarea unei singure fisuri (ce poate fi descrisa usor cu metode de mecanica ruperii), materialele compozite produc o combinatie de moduri de rupere diferite. Procesul fisurarii este caracterizat de initierea si multiplicarea fisurii in loc de propagarea acestora, incluzind fisuri transversale, longitudinale, sub un anumit unghi, delaminare, ruperea fibrelor si dezlipirea la interfata dintre fibre/matrice.[9]

Un avantaj al compozitelor este acela ca ruperea se produce rar cu proportii catastrofale si dintr-o data, dar tinde sa fie progresiva cu dispersarea fisurilor prin intregul material. Exista doua modalitati de a lua in considerare ruperea unor asemenea materiale:

bazat pe comportamentul individual al straturilor si al interfetei dintre ele

bazat pe laminat ca un intreg

Mai folosit in prima varianta, punctul de initiere a fisurii intr-un compozit laminat este dat de lamina care cedeaza initial. Stratul care cedeaza sub forta exterioara minima initiaza asanumita fisura a primului strat. Aceasta este prin definitie restrictionata de ruperea mai mult in interiorul unui laminat, decat la suprafata. Forta de intindere poate produce ruperea fibrelor, dislocarea fibrelor, suprapunerea lor, dezlipirea dintre fibra si matrice si ruperea matricei. Ruperea la intindere a unui compizit ranforsat cu fibre adesea implica cateva dintre aceste mecanisme. Tensiunile din afara planului pot duce la delaminari din cauza ca fibrele nu contribuie semnificativ la rzistenta pe aceasta directie. Forta de compresiune poate produce micro-flambajul fibrelor. Din moment ce matricea polimerica este moale in comparatie cu fibrele, fibrele sunt instabile la compresiune. Forta de compresiune mai poate duce si la flambaj prin delaminari microscopice, in special daca materialul contine o zona cu delaminare initiala.[9]

Cand epruvete crestate unidirectioale sunt supuse la tractiune, crestatura actioneza ca un concentrator de tensiuni de intindere la varf si concentrator de forte de forfecare intre fisura si fibrele intacte. Concentrator de forta de forfecare produce curgere in cadrul matricei, dezlipire la interfata dintre fibre si matrice daca rezistenta lipiturii este scazuta si ruperea matricei daca forta de forfecare exercitata este mai amre decat rezistenta la forfecare a matricei.[9]

Figure 27 Exemple de fisuri si mecanisme de rupere in fibre – compozite ranforsate cu fibre. [9]

Cresterea regiunii plastice in fibrele unidirectionale poate fi calculata considerind ipoteza ca doar portiunea de matrice dintre crestatura si fibrele intacte sufera curgere. S-a determinat o relatie pentru deplasarea la varful fisurii (COD) pentru compozite unidirectionale din boron-aluminium, considerand COD ca fiind o suma de COD plastic si COD elastic; cand se produce fisurarea in compozite, relatia dintre forta-COD nu mai are un comportament liniar. Fisura se pare ca se initiaza prin strangerea matricei sau dezlipirea longitudinala la interfata (paralel la axa fibrelor) datorita “fortei de tensiune pe directia transversala” pentru cedarea matricei, sau dezlipirea la interfata datorata “fortei de forfecare” la varful crestaturii.

Se pare ca mecanismul de rupere liniar-elastic (LEFM) nu poate fi aplicat la compozite intr-o forma rigida. Unele cercetari au folosit concepte din mecanica ruperii pentru a determian ruperea in placi din materiale compozite care contineau gauri sau crestaturi. Ele presupunc a rupera la un factor de intensitate a ruperii, care este de obicei modificat cu o corectie de zona plastica pentru mecanisme de rupere sub-critice. Daca totusi, daca se introduce un varf ascutit intr-o placa din material compozit, corectitudinea – sau lipsa acesteia – mecanicii ruperii este mai putin clara. In ceea ce priveste aplicabilitatea LEFM la compozite, s-au facut multe eforturi pana acum. Totusi exista inca opinii diferite asupra acestui aspect. Pentru ca metoda LEFM sa fie validata, pentru o fisura ascutita intr-o placa din material compozit, urmatoarele conditii trebuie indeplinite:

distanta dintre fibre trebuie sa fie mica in comparatie cu marimea zonei singulare altfel ipoteza continuitatii nu mai este valida;

distrugerea non-liniara trebuie redusa la o regiune mica din zona singulara.

Diferite tipuri de abordare au fost propuse ca si criteriu de rupere, unele bazate pe LEFM conventional sau modificat si altele mai speciale care sunt departe de conceptul LEFM. Abordarile ulterioare pot fi impartite in doua categorii: abordari macro si micro mecanice. Unele dintre acestea vor fi expuse pe scurt.

In cazul abordarilor micromecanice, se presupune ca ruperea unui compozit unidirectional are loc cand se produce ruperea fibrelor dinaintea zonei de fisurare, iar nivelul rezistentei fibrelor la fisurarea compozitului este dat de raportul dintre rezistenta fibrelor in compozitele fara crapaturi si respectiv factorul de intensitate la rupere din fibrele dinainte varfului fisurii.

In prezent, este dificil sa se przica rezistenta, in cazul exitentei crapaturilor, intr-un mod teoretic datorita complexitatii zonei de ruperede la varful fisurii. Daca morfologia zonei de rupere si distributiei tensiunii in fibre si matrice in fiecare strat, distributia fortei de forfecare la interfata dintre fibre si matrice in fiecare strat si dintre straturi ar putea fi exprimata ca functie de tensiunea in straturi, rezistenta lipirii la interfeta dintre fibra si matrice si dintre straturi, configuratia suprapunerii straturilor si marimea discontinuitatilor, marimea epruvetei, etc, comportamentul la rupere al compozitelor ar putea fi explicat mai in detaliu, iar rezistenta in cazul existentei crapaturilor ar putea fi prezisa teoretic. In aceasta directie mai este nevoie de multe cercetari , mai ales pentru a clarifica comportamentul zonei de distrugere de la varful fisurii in diferite configuratii de strturi si tipuri de compozite unidirectionale. [9]

Exista trei moduri de rupere, cum sunt cele prezentate in figura 37. Aici ele sunt prezentte doar teoretic pentru ca in realitate ruperea se producere intr-o combinatie dintre aceste moduri, de obicei I si II.

Figure 28 Diagramele schematizate ale principalelor moduri de rupere Mode I (deschidere), Mode II (lunecare), Mode III (forfecare in spatiu). [10]

Delaminarea este o mare problema a materialelor compozite chiar si in cazul in care rezistenta la tractiune sau incovoiere in 3 puncte este foarte mare.

5.1.2 Modul I

Standardul mentioneaza o metoda pentru determinarea rezistentei la delaminare (energia critica eliberata sau rezistenta la rupere sunt uneori folosite ca termeni echivalenti) a laminatelor polimerice ranforsate cu fibre unidirectionale sub Modul I de rupere folosind epruveta de tip Double Cantilever Beam (DCB). Aceasta rezistenta la initierea si propagarea unei delaminari se determina dintr-un film non-adeziv (insertie) si dintr-o prefisurare de Modul I (deschidere) obtinuta prin incarcarea initiala din filmul de pornire sau prin deschidrea de tip pana. Energia critica eliberata pentru incarcarea in Modul I poate fi calculata si se poate trasa un grafic al rezistentei (curba-R de exemplu in coordonate energie disipata si lungimea delaminarii).

Metoda se poate aplica pentru laminatele cu fibre de carbon unidirectionale sau fibra de sticla. Scopul nu este neaparat limitat la aceste fibre si dispuneri, dar pentru laminate cu alte tipuri de asezari, nu exista recomandari pentru dimensiunile epruvetei sau volumul fibrelor. Procedura se poate folosi ca un ghid pentru testarea materialelor care nu satisfac strict necesitatile, chiar daca (a) datele pot fi validate folosind o metoda indepenedenta, sau (b) rezultatele sunt considerate a fi in functie de marimea estiamrilor si sunt catralogate folosind specificatiile exterioare ce au fost indicate clar, sau (c) procedura este folosita in scopul unei comparatii relative doar intre materiale. [11].

Acest standard foloste epruveta de tip Double Cantilever Beam (DCB) pentru determinarea rezistentei la delaminare (rata disiparii energiei) a laminatelor unidirectionale ranforsate cu fibre. Fortele de deschidere (Modul I) sunt aplicate prin blocuri de incarcare sau articulatii de tip pian sub controlul deplasarilor la o rata constanta. Se monitorizeaza forma cresterii stabile a delaminarii si propagarea ei dintr-un film de pornire non-adeziv. Citirea initierii delaminarii si propagarea lor sunt inregistrate pe graficul forta-deplasare.[11]

In timpul experimentelor facute in laborator, Modul I de delaminare se poate observa usor in cazul trestelor la incovoiere in 3 puncte. Testele au aratat ca delaminarea are loc in fibrele de fibra de sticla exterioare si continua intralaminar spre nucleul epruvetei de tip sandwich Ruperea tinde sa urmareasca o traiectorie la 45 de grade dupa cum ne spune si teoria.[11]

Figure 29 Delaminarea in Modul I in timpul testelor

5.2 Stadiul actual al testelor

Testele initiale de incovoiere in 3 puncte s-au realizat pe masina TIRAtest 2200, iar achizita de date s-a facut cu placa de achizitie monitorizata cu Labview.

Figure 30 TIRAtest 2200 folosita la testele de incovoiere (masina se afla in laborator si are o capacitate de 1 tona-forta)

(a)

(b)

Figure 31 Epruveta supusa la incovoiere in 3 puncte; (a)privire frontala; (b)privire marita

5.2.1 Achizitia datelor

Dupa conecatarea tuturor aparatelor necesare pentru aceasta activitate (computer, masina de incercari TIRAtest2200 si placa de achizitie de date) avem nevoie de un program simplu in LabVIEW pentru a obtine datele necesare. Programul contine asistentul de achizitie (placa de achizitie USB), un filtru (pentru a elvita oscilatiile sinusoidale ale citirilor, datorate masinii de incercari), unele casute pentru a vedea in timp real datele masurate ale deplasarilor si fortei si un grafic pentru a observa citirea datelor. Programul va da rezultatele sub forma unui fisier excel cu toate citirile ce vor fi calibrate si folosite la determianrea modulului de elasticitate al fiecarei epruvete. Forta si deplasarea maxima vor fi de asemenea inregistrate si cu ajutorul masinii TIRAtest2200 pentru a ne asigura ca datele obtinute cu placa de achizitie sunt bune. Placa de achizitie va fi setata pentru 10 citiri pe secunda. In continuare epruveta este asezata in bacuri si se pornesc simultan atat masina de incercare cat si citirea datelor cu placa de achizitie.

Figure 32 Achizitia de date folosind LabVIEW (in timpul experimentelor)

Figure 33 Citiri in timp real in Labview

Figure 34 Curba caracteristica a materialului pentru incovoierea in 3 puncte (epruveta la 0 grade)

Tabel 5. Date experimentale

5.2.2 Moduri de rupere

Desi pot exista mai multe moduri de cedare sub aciunea unei forte la incovoiere in 3 puncte, in funcctie de o anumita metoda de testare folosita si de modul aranjarii materialului testat, rezultatele sunt similare al incovoierea in 3 puncte si la cea in 4 puncte. Modurile de cedare se pot observa in Fig 26, din care nu toate pot fi considerate moduri de cedare la incovoiere in 3 puncte acceptabile, cele care arata forfecare interlaminara nefiind concludente. Desigur in cazul unei epruvete cu fibre aliniate axial nu se poate astepta sa se vada forfecarea interlaminara ce insoteste ruperea, pentru ca ar insemna ca raportul deschidere-grosime este prea mic. [8]

Figure 35 Cedarea la incovoiere in 3 puncte

Figure 36 Schematizarea modurilor de rupere posibile la incovoierea in 3 puncte[8]

5.2.3 Cedarea epruvetelor testate la incovoierea in 3 puncte

Epruveta a cedat datorita tensiunii din zona extrioara din fibra de sticla. Se poate observa usor ca fibra de sticla a suferit o propagare a fisurii atat interlaminara cat si intralaminara.

Figure 37 Cedarea epruvetei la incovoiere in 3 puncte (zoom)

5.3 Delaminarea corelata cu ARAMIS

Comportamentul compozitelor laminate este o problema foarte complexa, ce include atat rupere interlaminara (cedarea matricei, cedarea fibrelor) cat si interlaminara (delaminare). Delaminarea este una dintre formele predominante de cedare in cazul compozitelor laminate datorita lipsei de ranforsare pe directia grosimii. Analiza delaminarii se imparte de obicei in doua etape: studiul initierii fisurii si monitorizarea propagarii fisurii unui material care are defecte initiale. Initierea delaminarii se bazeaza de obicei pe analiza tensiunilor pe o anumita distanta. Aceasta distanta este functie de geometria epruvetei si proprietatile materialului. Propagarea fisurii poate fi prezisa cu ajutorul teoriilor din Mecanica Ruperii, eliminandu-se astfel erorire de la varful fisurii. Totusi pentru aceste analize este nevoie de existent unei prefisurari a epruvetei.

Figure 38 Achizitie de date la delaminare cu ajutorul Lloyd – ARAMIS

In figura de mai jos se poate observa tranzitia de la momentul o si fisura initiala de 66.968 mm in partea de sus si respectiv 69.952 mm in partea de jos pana la propagarea fisurii. In partea de sus delaminarea ajunge la valoarea de 88.810 mm in partea de sus.

Figure 39 Propagarea fisurii in Modul I pe epruveta tip sandwich analizata cu ARAMIS

Cap.6 Concluzii

In opinia mea inainte de inceperea propriu-zisa a experimentelor ar trebui efectuate niste teste de proba pentru a intelege mai bine comportamentul materialului ce urmeaza a fi testat. De asemenea sunt importante conditiile in care se desfasoara experimental, acestea influentind in mare masura rezultatele finale. Spre exemplu, in cazul testului de incovoiere in 3 puncte, un rol foarte important il are alegerea deschiderii dintre bacuri. Un alt asptect important se refera la tipul bacurilor, cele standardizate fiind de tip role cu arcuri in dreptul suportilor.

Desi testele de incovoiere sunt mai economice si mai usor de aplicat, acestea vor fi tratate intotdeauna cu grija deorece ofera o imagine satisfacatoare asupra comportamentului unui anumit material dar nu destul de precisa. Astfel se poate face diferenta calitativa dintre doua material fara a intra prea mult in detalii.

Pe de alta parte testul de incovoiere in trei puncte ofera rezultate bune atat in plan cat si in spatiu, oferind detalii bune pentru analiza interlaminara a compozitelor.

In cazul analizei cu ARAMIS rezultatele obtinute pentru sageata difera cu pana la 7% fata de rezultatele obtinute din deplasarea traversei, pe masina, la incercarea de incovoiere in trei puncte.

Prin metoda ARAMIS se pot obtine rezultate cu acuratete ridicata atat pentru intreaga suprafata a materialului, cat si pentru efectele locale cum ar fi concentratori de efort si defecte de material.

Desi metoda ARAMIS ofera acuratete ridicata, este necesar un timp foarte mare de calcul pentru a obtine detalii locale. Timpul de calcul este influentat direct de dimensiunile si numarul fatetelor, in acelasi timp, cu cat numarul de fatete este mai mare se pot obtine rezultate locale mai precise.

In zonele in care exista salturi sau discontinuitati majore in suprafata epruvetei (de ex. un nit, sau o margine ascutita) imaginile prelucrate au un zgomot marit; aceste zone de discontinuitate trebuiesc eliminate in post procesare.

Viteza de achizitie a imaginilor a variat de la 1 cadru la 5 secunde pana la 1 cadru pe secunda, ne observandu-se variatii semnificative ale rezultatelor. In conditiile in care solicitarea nu este dinamica, viteza de achizitie a imaginilor poate fi cu mult peste 1 cadru pe secunda.

Bibliografie

[1] http://www.mse.mtu.edu/~drjohn/my4150/class1/class1.html – The design of Composie Materials and Structures

[2] http://info.lu.farmingdale.edu/depts/met/met205/frcstructural.JPG – Structural Composites

[3] Bogdan Bocaneala, Diploma Thesis, 2005 – Experimental Analysis and Numerical Prediction of Crack Propagation in Composite Materials

[4] http://www.testedandproven.com/standards_mechanical.html – Mechanical Testing Industry Standards

[5] http://info.lu.farmingdale.edu/depts/met/met205/fiberorient.JPG – Fiber orientation

[6] Manual Hardware – ARAMIS

[7] Manual Software ARAMIS

[8] J.M. Hodgkinson – Mechanical Testing of Advanced Fiber Composites, WOODHEAD PUBLISHING LIMITED CAMBRIDGE ENGLAND

[9] [16] D.M. Constantinescu – Structural Integrity

[10] http://www.merl-ltd.co.uk/2003_materials/composites04.shtml –

[11] http://composite.about.com/library/docs/mil-hdbk-23/nfig1-1-1.jpg – Modes of failure