Analýza jednosměrového vláknového kompozitu z hlediska mikromechaniky

Abstract

Cílem této dizertace bylo analyzovat, jaký vliv má rozložení uhlíkových vláken v jednosměrovém kompozitu na celkové chování materiálu. Je zkoumána a popsána závislost homogenizovaných parametrů kompozitové laminy na stupni nepravidelsosti její struktury.

Protože skutečný kompozitní materiál má nepravidelnou mikrostrukturu, je zjištěno rozložení vláken v různých částech řezu kompozitu složeného z více vrstev prepregu. Fotografie řezu kompozitu byly pořízeny pomocí skenovací elektronové mikroskopie a vlákna identifikována algoritmem v programovacím jazyce Python. Algoritmus byl navržen za účelem automatické detekce vláken. Výsledky byly srovnány s Ground Truth daty získanými v aplikaci, která využívá OpenCV a je určena pro manuální detekci vláken.

Stupeň nepravidelnosti zkoumané mikrostruktury byl vyčíslen navrženým parametrem, který vyjadřuje odchylku analyzované 2D geometrie od pravidelného šestiúhelníkového rozložení vláken. Tímto parametrem lze ohodnotit jak neperiodickou mikrostrukturu skutečného řezu kompozitem, tak geometrie periodických jednotkových buněk použitých v konečnoprvkové analýze. Periodické buňky byly vytvořeny pomocí algoritmu, který byl navržen za účelem generování buněk s náhodným rozložením vláken.

V rámci práce vznikl automatický nástroj, který vykoná veškeré kroky vedoucí k vyjádření výsledků konečnoprvkové analýzy, ty jsou řízeny pomocí skriptů. Analýzy probíhaly v Abaqus/CAE a výsledky byly vykresleny v ploTRA, což je knihovna funkcí napsaná v jazyce Python. Mikromodely s navrženými jednotkovými buňkami byly sestaveny a byly jim předepsány periodické okrajové podmínky. Dále byly složkám kompozitu přiřazeny zvolené kombinace lineárních a nelineárních materiálových modelů. Zatížení bylo definováno podle typu prováděné analýzy. Nakonec byly výsledky konečnoprvkové analýzy zpracovány.

Byly identifikovány homogenizované materiálové parametry 200 navržených mikromodelů s různými stupni nepravidelnosti geometrie. Byla kvantifikována závislost mezi parametrem určujícím tento stupeň nerovnoměrnosti a intervalem, ve kterém se nachází výsledné homogenizované materiálové parametry, tedy mírou anizotropie daného materiálu.