Str. Politehnicii 1 [620624]

Str. Politehnicii 1
500024 – Brașov
tel.: (+40) 268.474.761 | fax: (+40) 268.474.761
[anonimizat] | www.unitbv.ro/fim
TITLUL: Modelarea și simularea proprietăților
mecanice ale structurilor compozite
solicitate complex
PROIECT DE DIPLOMĂ
Absolvent: [anonimizat]: Inginerie Mecanică ( I.M. )
Coordonator științific: Prof. dr. abil. ing. Horațiu TEODORESCU
2018

Str. Politehnicii 1
500024 – Brașov
tel.: (+40) 268.474.761 | fax: (+40) 268.474.761
[anonimizat] | www.unitbv.ro/fim
Cuprins

Rezumat………………………………………………………………………………………………………………………………………. 1
1. Descrierea temei și a obiectivelor ………………………………………………………………………………………… 2
2. Stadiul actual al structurilor compozite………………………………………………………………………………..3
2.1. Ce sunt materialele compozite ?…………………………………………………………………………….3
2.2. Clasificare compozite………………………………………………………………………………………………6
2.3. Aplicații ale materialelor compozite…………………………………………………………………………
2.4. Procese de fabricatie a structurilor compozite……………………………………………………….
3. Teorie și resurse ………………………………………………………………………………………………………………………..
3.1. Solicitari complexe/compuse………………………………………………………………………………………….
3.1.1 Generalitati………………………………………………………………………………………………………………
3.1.2 Solicitarea compusa de intindere-compresiune și incovoiere……………………………
3.1.3 Întindere-compresiune excentrică………………………………………………………………………..
3.1.4 Solicitarea compusă de întindere-compresiune și răsucire…………………………………
3.1.5 Solicitarea compusă de încovoiere-răsucire……………………………………………………….
3.1.6 Cazul general de solicitare compusă……………………………………………………………………..
3.2. Detalierea soluției constructive……………………………………………………………………………………..
3.2.1. Introducere în modelarea structurilor mecanice …………………………………………………
3.3. Descrierea modului de lucru/etapelor de proiectare…………………………………………………..
3.3.1 Notiuni de baza privind modelarea în ABAQUS…………………………………………………….
3.3.2. Componentele unui model de analiza în ABAQUS……………………………………………….
3.3.3. Descriere interfata grafica în ABAQUS………………………………………………………………….
3.3.4. Notiunea de modul în ABAQUS……………………………………………………………………………..

Str. Politehnicii 1
500024 – Brașov
tel.: (+40) 268.474.761 | fax: (+40) 268.474.761
[anonimizat] | www.unitbv.ro/fim
3.3.5. Structura de arbor a modelului………………………………………………………………………………
4. Realizarea modelului teoretic …………………………………………………………………………………………………
5. Concluzii finale …………………………………………………………………………………………………………………………
Bibliografie……………………………………………………………………………………………………………………………………..
0

Str. Politehnicii 1
500024 – Brașov
tel.: (+40) 268.474.761 | fax: (+40) 268.474.761
f-im@unitbv.ro | www.unitbv.ro/fim

Rezumat
Scopul lucrarii de diploma este să dezvolte abilitățile practice ale studenților de proiectare
și sintetizare/generalizare a cunoștințelor de mecanică, rezistența materialelor,
tehnologia materialelor și reprezentare grafică în decursul tuturor anilor de facultate ,
precum și modul în care aceștia pot rezolva în mod independent o lucrare, pe baza
algoritmilor, metodelor specifice, și a programelor din domeniu.
Această lucrare își propune rezolvarea problemei urmăririi proprietatilor mecanice ale
structurilor compozite , folosind metodele de calcul cu element finit.
Lucrarea începe cu o prezentare a structurilor compozite și importanța lor, o descriere a
structurilor și a platformei software ( ABAQUS ) folosite pentru efectuarea testelor
necesare.
Capitolul 2 va avea in vedere stadiul actual al structurilor compozite, originea,
aplicatiile ,utilitatea cat si modul/procesul de fabricatie a structurilor compozite in general,
intr-o forma cat mai concisa.
În capitolul 3 sunt prezentate considerații teoretice folosite la proiectarea structurilor
compozite alese cat si de folosirea elementului finit și a softului în cauza ( ABAQUS ). În
aceată secțiune e analizat solicitarea complexa/compusa și posibilitatea folosirii lui in
lucrare.
Capitolul 4 se prezintă pasii realizarii modelelor de structuri la solicitarile compuse in
parte.
În capitolul 5 final sunt prezentate câteva concluzii.
1

Str. Politehnicii 1
500024 – Brașov
tel.: (+40) 268.474.761 | fax: (+40) 268.474.761
f-im@unitbv.ro | www.unitbv.ro/fim
1. Descrierea temei și a obiectivelor
Motivarea lucrarii de diploma
Producția de compozite este un aspect important al economiei și al vieții noastre. Fiecare
țară investește o mulțime de bani, resurse și timp pentru a o îmbunătăți. Cu toate acestea,
nu suntem mulțumiți de sistemul actual și dorim o dezvoltare continua a acesteia.
De exemplu, uneori întâlnim diverse impedimente si defecte in carligele de la macarale,
catargele de la amvbarcatiuni, sau când oamenii isi conduc cateii prin parc cu lesa.
Una dintre soluțiile posibile ar putea fi implementarea directa de structuri compozite, dar
este costisitoare.
Programul urmărește rezolvarea acestei probleme fără nicio reconstrucție a situației
reale, ci simularea comportamentului structurii compozite in general. Simularea ne oferă
informații despre îmbunătățirea structurii. Folosind rezultatul simulării, structura
compozita sau compozitul ar putea fi optimizat. Cu toate acestea, construirea unui model
complet de simulare care intradevar dubleaza viata reala este o sarcină dificilă.
Acest proiect de diploma este o șansă bună de a obține o experiență atât în dezvoltarea
proiectelor, cât și în construirea si rafinarea modelului de simulare.
2

Str. Politehnicii 1
500024 – Brașov
tel.: (+40) 268.474.761 | fax: (+40) 268.474.761
f-im@unitbv.ro | www.unitbv.ro/fim
2. Stadiul actual al structurilor compozite
2.1 Ce sunt materialele compozite ?
Materialelel compozite apar din necesitate si din dorința de a usura greutatea structurilor
și prețul acestora, îmbină avantajele celor doua materiale/constituenti ( fibrele de armare
și matricea ) se obtine un nou material care are valori superioare ale raporturilor de
rezistenta-greutate și rigiditate-greutate.
Profesorul Autar K. Kaw ne ofera scurt și concis o definitie a materialului compozit sub
forma următoare: ”Un compozit este un material structural care constă din două sau mai
multe componente combinate, care sunt combinate la nivel macroscopic și nu sunt
solubile unul în celălalt” [5].
Un constituent se numește faza de întărire, iar cel în care este încorporat se numește
matricea [5], faza de intarire sau mai bine zis, fibrele de armare au rolul de a asigura
rezistenta și rigiditatea iar matricea are rolul de a tine legate fibrele și de a transmite
sarcinile mecanice intre fibre.
Încă din istorie putem observa multitudinea de exemple de structuri compozite atat în
natura cât și cele realizate artificial de om. Printre exemplele semnificative se numără
utilizarea pereților de nămol armat în case cu bambus, lemnul laminat lipit de egipteni
(1500 I.d.C.) și metalele laminate în săpăturile forjate (1800 i.e.n.) [5].
Graeme W. Milton, vestit profesor din Departamentul de Matematica din Universitatea din
Utah, ne poate clarifica cu urmatoarele aspecte in ceea ce priveste natura compozitelor:
3

Str. Politehnicii 1
500024 – Brașov
tel.: (+40) 268.474.761 | fax: (+40) 268.474.761
f-im@unitbv.ro | www.unitbv.ro/fim
Metalele comune sunt compozite. Când cineva rupe o tijă de metal, natura
policristalină devine evidentă în rugozitatea suprafeței pauzei.Materialele de
construcție, cum ar fi lemnul și betonul, sunt compozite.
Oasele sunt compozite poroase. Fibrele din fibră de sticlă și compozitele din fibră
de carbon ușoare au găsit aplicații variind de la industria aerospațială până la
echipamente sportive.
Emulsiile, spumele, nămolurile și argilele sunt toate exemple de compozite Norii,
ceața, ceața și ploaia sunt compozite de aer și apă. Norii de înaltă altitudine sunt
compozite de aer și cristale de gheață.
 Lana si bumbacul sunt compozite de fibra si aer. Ceramica sunt compozite.
Propulsorul pentru rachete solide este un compus din particule de aluminiu într-o
matrice de oxidare. Chiar și înghețata de ciocolată este un compozit.
În esență, compozitele sunt materiale care au neomogenități pe scala de lungime care
sunt mult mai mari decât scara atomică (ceea ce ne permite să folosim ecuațiile fizicii
clasice la scara de lungime a neomogenităților) [3 ].
În secolul XX, compozitele moderne au fost folosite în anii 1930 cu rășini ranforsate prin
fibre de sticlă [2].
4

Str. Politehnicii 1
500024 – Brașov
tel.: (+40) 268.474.761 | fax: (+40) 268.474.761
f-im@unitbv.ro | www.unitbv.ro/fim
Figura 2.1 arată modul în care compozitele și fibrele se raportează cu alte materiale
tradiționale in ceea ce priveste rezistenta specifica ( Specific strength )
Fig. 2.1 Rezistenta specifica a materialelor de-a lungul vremii (Sursa: Eager, T.W., Whither
advanced materials? Adv. Mater. Processes , ASM International, June 1991, 25–29.)
5

Str. Politehnicii 1
500024 – Brașov
tel.: (+40) 268.474.761 | fax: (+40) 268.474.761
f-im@unitbv.ro | www.unitbv.ro/fim
2.2 Clasificarea materialelor compozite
O clasificare mai generala a materialelor compozite, care le prezintă intr-un mod
sintetic, are la baza utilizarea concomitenta a doua criterii si anume: particularitățile
geometrice ale materialului complementar și modul de orientare a acestuia in matrice
(fig. 2.2.).
Fig..2.2 Clasificarea materialelor compozite
Materialele compozite își fac simtita prezenta cu mult interes datorită naturii lor
din partea cercetatorilor și a celor din productie în diverse domenii de exploatare (solicitări
mecanice simple sau complexe și acțiunea mediului).
6

Str. Politehnicii 1
500024 – Brașov
tel.: (+40) 268.474.761 | fax: (+40) 268.474.761
f-im@unitbv.ro | www.unitbv.ro/fim
Materialele compozite se definesc ca fiind sisteme de corpuri solide, deformabile,
obținute prin combinații la scară macroscopică ale mai multor materiale.
R. M. Jones clasifică materialele compozite astfel [6]:
-materiale compozite fibroase , obținute din materiale sub formă de fibre,
introduse într-un material de bază numit matrice;
-materiale compozite laminate , rezultând din straturi suprapuse din diferite
materiale;
-materiale compozite speciale , alcătuite din particule introduse în matrice.
N. Cristescu prezintă o altă clasificare a materialelor compozite [7]:
-materiale compozite armate cu fibre (fibroase) – fibre lungi plasate într-un
aranjament prestabilit sau fibre scurte plasate aleatoriu;
-materiale compozite hibride , alcătuite din mai multe fibre;
-materiale compozite stratificate , realizate din mai multe straturi, lipite între ele;
-materiale compozite armate cu particule .
Materiale compozite fibroase
Aceste materiale sunt obținute din fibre de diverse forme și dimensiuni înglobate într -o
matrice, fiind utilizate într-o largă varietate [5], [6]:
7

Str. Politehnicii 1
500024 – Brașov
tel.: (+40) 268.474.761 | fax: (+40) 268.474.761
f-im@unitbv.ro | www.unitbv.ro/fim
a) fibre naturale (iută și sisal), utilizate cu ani în urmă și înlocuite în prezent cu fibre
sintetice.
b) fibre sintetice organice termoplastice (polipropilenă, nylon, poliester) și termorigide
(aramide) având densitate și rigiditate scăzute, dar rezistență ridicată.
c) fibre sintetice anorganice (sticlă, bor, carbon etc.), fibrele de sticlă fiind cele mai utilizate
datorită prețului scăzut.
Fibrele sunt în general mult mai rezistente la întindere decât același material aflat în
formă masivă, datorită structurii interne a fibrei cât și datorită purității materialului ei.
Spre exemplu, sticla, care în forma sa obișnuită nu rezistă decât la tensiuni de ordinul a
câtorva zeci de MPa, sub formă de fibre rezistă la tensiuni de ordinul a 104 MPa. Uneori, în
locul fibrelor lungi, sunt utilizate fibre scurte "whiskers", în care raportul lungime/diametru
este relativ mic, fibrele fiind fără defecte și deci foarte rezistente la întindere.
Curba caracteristică σ-ε la solicitarea de întindere ( tractiune fig 2.3 ) pentru
aceste fibre este liniară, excepție făcând poliesterul. Această dependență între tensiuni și
deformații nu va mai exista în cazul unui material compozit armat cu astfel de fibre,
datorită răspunsului neliniar al materialului din care este alcătuită matricea.
8

Str. Politehnicii 1
500024 – Brașov
tel.: (+40) 268.474.761 | fax: (+40) 268.474.761
f-im@unitbv.ro | www.unitbv.ro/fim
Fig. 2.3 Curbele de intindere ale compozitelor, M- Matrice, F-Fibra, C-Compozit [8]
Matricea reprezintă al doilea element de bază al materialelor compozite. Aceasta unește
fibrele într-un corp continuu, include fibrele, le protejează, transferă tensiunea,
redistribuie eforturile când unele fibre se rup. Matricea are în general densitate mai mică și
rezistență mult mai mică decât fibrele.
Matricele pot fi organice, metalice și ceramice. Matricele organice au densități și
rezistențe relativ scăzute iar relația dintre tensiuni și deformații este neliniară. Sunt cele
mai utilizate matrice, întrucât au avantajul că pot fi fabricate mai ușor și pot încorpora un
număr mai mare de fibre decât cele metalice sau ceramice.
9

Str. Politehnicii 1
500024 – Brașov
tel.: (+40) 268.474.761 | fax: (+40) 268.474.761
f-im@unitbv.ro | www.unitbv.ro/fim
1.2.2 Materiale compozite stratificate
Materialele compozite stratificate (laminate) sunt constituite din straturi din cel puțin
două materiale lipite împreună printr-un adeziv. Din această categorie fac parte [4], [5]:
a) Materialele stratificate, obținute din materiale care pot fi saturate cu diverse
substanțe plastice și apoi tratate în mod corespunzător.
b) Materialele compozite fibroase și stratificate, cunoscute și sub denumirea de
materiale compozite stratificate și armate cu fibre (stratificate) , realizate dintr-o
succesiune de straturi (lamine) suprapuse astfel încât fibrele unui strat să fie
paralele și fiecare strat să fie orientat în mod corespunzător, pentru a obține o cât
mai bună rezistență și rigiditate.
c) Bimetalele, obținute din două metale diferite, cu coeficienți de dilatare termică
semnificativ diferiți. La schimbarea temperaturii bimetalul se deformează și poate
fi folosit ca mijloc de măsurare a temperaturii.
d) Metalele de protecție, rezultate în urma acoperirii unui metal cu un alt metal,
obținându-se astfel un material compozit cu anumite proprietăți îmbunătățite față
de materialul de bază.
e) Sticla laminată (securitul), material compozit care se obține prin lipirea unui strat
de polivinil între două straturi de sticlă.
10

Str. Politehnicii 1
500024 – Brașov
tel.: (+40) 268.474.761 | fax: (+40) 268.474.761
f-im@unitbv.ro | www.unitbv.ro/fim
1.2.3 Materiale compozite armate cu particule
Această categorie de materiale compozite constă din înglobarea într-o matrice a unuia
sau mai multor materiale. Particulele și matricea pot fi metalice sau nemetalice în
următoarele variante [4], [5]:
a) Particule nemetalice în matrice nemetalică.
Un exemplu din această categorie de materiale îl constituie cel rezultat din particule de
nisip și rocă într-un amestec de ciment și apă, care reacționează chimic și se întărește. Alt
exemplu îl constituie și particulele de mică sau de sticlă, înglobate într-o matrice de
material plastic.
b) Particule metalice în matrice nemetalică.
Un astfel de material compozit îl reprezintă carburantul pentru rachete, alcătuit din pudră
de aluminiu și anumiți oxizi încorporați într-o legătură organică flexibilă (poliuretan sau
cauciuc polisulfid).
c) Particule metalice în matrice metalică.
În această categorie putem include materialul compozit rezultat din înglobarea unor
particule de plumb într-o matrice realizată dintr-un aliaj de cupru sau oțel. Pentru
realizarea unor materiale ductile și rezistente la temperaturi ridicate se recomandă
armarea unei matrice metalice cu particule de tungsten, crom sau molibden.
11

Str. Politehnicii 1
500024 – Brașov
tel.: (+40) 268.474.761 | fax: (+40) 268.474.761
f-im@unitbv.ro | www.unitbv.ro/fim
d) Particule nemetalice în matrice metalică.
Particulele nemetalice (particule ceramice) înglobate într-o matrice metalică dau naștere
unui material compozit numit cermet.
Atunci când în matrice se introduc particule de oxizi se obțin cermeți pe bază de oxizi, ce
au rezistență mare la uzură și temperaturi înalte.
În urma introducerii în matrice metalice a unor particule de carburi de tungstem, crom sau
titan se obțin cermeți pe bază de carburi. Când matricea este din cobalt se obține un
material caracterizat printr-o duritate ridicată și prin rezistență mare la uzură și coroziune.
2.3. Aplicații ale materialelor compozite
Segmentele majore de piată ale compozitelor sunt prezentate în cele ce urmează. Cu toate
acestea, există multe alte aplicații foarte importante și produse noi sunt lansate în fiecare
an.
Aplicațiile aeronautice, spațiale și militare sunt utilizările principale ale materialelor
compozite. O mare varietate de produse de vârf sunt utilizate pentru avantajele
conferite în condiții extreme specific domeniului. Un astfel de produs este
reprezentat de cei de la General Dynamics prin bombardierul F-111 ( fig 2.3.1) [6]
12

Str. Politehnicii 1
500024 – Brașov
tel.: (+40) 268.474.761 | fax: (+40) 268.474.761
f-im@unitbv.ro | www.unitbv.ro/fim
Fig. 2.3.1 ( Bombardier strategic F-111, sursa:
https://en.wikipedia.org/wiki/General_Dynamics_F-111_Aardvark )
Autoturisme
Compozitele oferă alternativa ideală pentru înlocuirea structurilor metalice în
constructia autoturismelor, prin îmbunatătirea performantei structurale,
sigurantei, durabilitătii și proceselor de prelucrare. Utilizarea compozitelor oferă o
performantă ridicată, costuri mai mici, greutate redusă și conformarea cu
reglementările de mediu și de sigurantă. Ele sunt utilizate pe scară largă în
productia de elemente de structură, panouri de caroserie și multe alte
componente. Un astfel de produs o reprezintă plafonul mașinilor de BMW, modelul
M6 Coupe ( fig 2.3.2 ) [4]
13

Str. Politehnicii 1
500024 – Brașov
tel.: (+40) 268.474.761 | fax: (+40) 268.474.761
f-im@unitbv.ro | www.unitbv.ro/fim
Fig. 2.3.2 Plafon din fibra de carbon armat cu rasina epoxidica ( sursa:
https://www.wallpaperup.com/226124/BMW_red_cars_rooftops_vehicles_carbon_fib
er_coupe_BMW_M6.html )

Sport și recreere
Produsele compozite se găsesc în toate sporturile în aer liber, competiții și activități
recreative, deoarece acestea sunt produse compacte, ușoare, rezistente la impact și
aerodinamice. Materialele tradiționale, cum ar fi titan, aluminiu și oțel sunt deja depășite și
înlocuite cu materiale compozite ( fig. 2.3.3 ) [6][4]. Aplicațiile includ:
Rachete de tenis
Cluburi de golf
Snowboard, surfboard
Rame pentru biciclete
14

Str. Politehnicii 1
500024 – Brașov
tel.: (+40) 268.474.761 | fax: (+40) 268.474.761
f-im@unitbv.ro | www.unitbv.ro/fim
Schiuri de apă și zăpada
Bețe de schi, stâlpi de bolțari
Crose hochei
Bâte de baseball
Bărci și caiace
Vîsle
Carene de canoe/caiac
Undite
(Fig. 2.3.3 Undite cu manere din
material
composit,sursa:https://www.pexels.co
m/photo/3-lined-brass-and-black-
fishing-reel-209810/
Săgeți
Sulițe
Căști
Echipament de protecție
Tălpi și tocuri de încălțăminte atletice
15

Str. Politehnicii 1
500024 – Brașov
tel.: (+40) 268.474.761 | fax: (+40) 268.474.761
f-im@unitbv.ro | www.unitbv.ro/fim
2.4. Procese de fabricatie a structurilor compozite
16

Str. Politehnicii 1
500024 – Brașov
tel.: (+40) 268.474.761 | fax: (+40) 268.474.761
f-im@unitbv.ro | www.unitbv.ro/fim
17

Str. Politehnicii 1
500024 – Brașov
tel.: (+40) 268.474.761 | fax: (+40) 268.474.761
f-im@unitbv.ro | www.unitbv.ro/fim
BIBLIOGRAFIE:
[1] Knops, M. Analysis of Faliure in Fibre Polymer Laminates: The Theory of Alfred Puck,
Springer , 2008
[2] Hull, D., Clyne, T.W., An Introduction to Composite Materials, Cambridge University
Press, 2nd edition, 1996
[3] Milton, G.W., The Theory of Composites, Cambridge University Press,2004
[4] Mallik, P.W., Fibre Reinforced Composite Materials. Manufacturing and Design, Dept.
of Mech.Eng., University of Michigan, Dearborn Michigan, Marcel Dekker Inc., New York,
Basel, Hong Kong, 1993
[5] Autar K. Kaw, Mechanics of Composite Materials Second Edition, CRC Press, 2005
[6] Robert, M. Jones, Mechanics of Composite Materials, Second Edition, CRC Press, 1998
[7]. Cristescu, N., Mecanica materialelor compozite, Vol.1, Universitatea București, 1983
[8] I. Carcea, Materiale compozite: fenomene la interfata, Iasi, Editura Politehnium, 2008
18