Homogenization

In this study prediction of the strength properties of composites made of polyester resin and continuous glass fiber reinforcement in established grades was performed. Structure modeling based on the numerical homogenization method was conducted using Digimat FE commercial code, taking into account the geometry and properties of all the composite components. In the first stage, analysis was performed for OCF M8610 mat. At the beginning the calculations were done for beam roving from S glass. Preliminary calculations were performed for the virtual composition of glass fibers-air, which allowed calculation of the yarn properties, directly used to build the glass mat model. The second stage of the calculation was carried out for glass mat saturated with polyester resin. For this purpose, roving bundle data and polymer matrix data were implemented. The volume fraction of the glass mat in the composite was also determined, and a random fiber orientation in the plane was defined. The properties of the fabric-resin composite were calculated for polyester resin and Cofab A1118B glass fiber plain weave fabric. The basic properties of the fiber in the analyzed bi-directional fabric were established on the basis of literature. The calculation of some fabric properties was conducted by a different algorithm than in the case of the mat. The last stage of property calculation for the warp and weft was to predict the weave properties based on the manufacturer's data. Only at this stage was the mean field method (MFM) used in the calculations. The geometrical dimensions of the reinforcements were calculated including its grammage, where the value is highly compatible with the grammage given in the literature. For both types of reinforcement visualization of the composite structure was performed. The calculated composite properties were used in strength simulations of a useful product for three variants of composite reinforcement: (a) polyester resin without reinforcement, (b) polyester resin with glass fiber mat, (c) polyester resin with glass fiber fabric, which allowed carrying out a comparative strength analysis. ANALIZA WYTRZYMAŁOŚCIOWA WYROBU Z KOMPOZYTU GFRP Z UWZGLĘDNIENIEM JEGO HETEROGENICZNEJ STRUKTURY DLA RÓŻNEGO ZBROJENIA W pracy przeprowadzono prognozowanie wytrzymałości kompozytów wykonanych z żywicy poliestrowej i tkaniny lub maty z włókien szklanych w ustalonych gatunkach. Modelowanie struktury kompozytów wykonano z wykorzystaniem metody numerycznej homogenizacji z użyciem oprogramowania Digimat FE, biorąc pod uwagę geometrię i właściwości każdego składnika kompozytu. W pierwszym etapie przeprowadzono analizę dla maty w gatunku OCF M8610. Wykonano niezbędne obliczenia dla jednej wiązki rowingu typu S. Wstępne obliczenia dotyczyły wariantu kompozycji: włókna szklane-powietrze. Umożliwiły one obliczenie właściwości przędzy, bezpośrednio wykorzystywanej do budowy modelu maty szklanej. W drugim etapie przeprowadzono obliczenia dla kompozycji: mata-żywica poliestrowa. W tym celu uwzględniono dane wiązki i osnowy polimerowej. Określono także udział objętościowy maty szklanej w kompozycie oraz zdefiniowano, jako losową, orientację włókien w płaszczyźnie. Właściwości kompozycji typu tkanina-żywica obliczono dla tkaniny z włókna szklanego w gatunku Cofab A1118B i żywicy poliestrowej. Podstawowe właściwości włókna w analizowanej dwukierunkowej tkaninie zostały usta-lone na podstawie literatury. Obliczenie niektórych właściwości tkaniny wykonano za pomocą innego algorytmu niż w przypadku maty. Ostatnim etapem obliczania właściwości osnowy i wątku było określenie splotu tkaniny zgodnie z danymi producenta. Obliczono geometryczne wymiary wzmocnienia kompozytu, w tym jego gramaturę, której wartość w dużym stopniu jest zgodna z gramaturą tkaniny określoną przez producenta. Wyłącznie na tym etapie zastosowano w kalkulacjach metodę homogenizacji uśrednionego pola (ang. MFM). Dla obydwóch typów wzmocnienia wykonano wizualizację struktury kompozytów. Obliczone właściwości kompozytu zostały wykorzystane do symulacji wytrzymałości wytworu użytkowego dla trzech wariantów wzmocnienia: a) żywicy poliestrowej bez zbrojenia, b) żywicy poliestrowej z matą z włókna szklanego, c) żywicy poliestrowej z tkaniną z włókna szklanego, co pozwoliło na przeprowadzenie wytrzymałościowej analizy porównawczej.

The paper presents an assessment of the effect of fiber orientation on the strength properties of products made from wood-polymer composites by the injection molding process based on micromechanical analysis. For this purpose numerical analysis was carried out for the product model with geometry of the sample intended for the uniaxial tensile test. To determine the actual fiber orientation after the manufacturing process, the orientation tensor values were calculated using Auto-desk Moldflow Insight 2016 software. The micromechanical calculations were performed using Digimat FE commercial code. The results (stress-strain characteristics) of the numerical simulations taking into account the calculated fiber orientation ten-sor were compared to the experiment. To produce the wood-polymer composite, the polypropylene polymer matrix was Moplen HP 648T. As the filler Lignocel C120 wood fibers made by Rettenmeier & Sohns company were applied. A composite with a 10 vol.% content of wood fibers in the polymer was manufactured in the extrusion process by means of a Zamak EHP 25 extruder. For specimen manufacturing a Dr. Boy 55E injection molding machine equipped with a two cavity injection mold was used. Before the numerical simulations the uniaxial tensile test was performed using a Zwick Roell Z030 testing machine. The specimens were tested at the speed of 50 mm/min according to the PN-EN ISO 527 standard. The obtained stress-strain characteristics were used as a verification criterion for further numerical analysis. Moreover, the mechanical properties of the same composite products were predicted for hypothetical fiber orientation types. It was noted that the selection of fiber orientation has a significant impact on the quality of the obtained results compared to the experiment. PROGNOZOWANIE WPŁYWU ORIENTACJI WŁÓKIEN NA WYBRANE WŁAŚCIWOŚCI WYTRZYMAŁOŚCIOWE KOMPOZYTÓW TYPU DREWNO-POLIMER Przedstawiono ocenę wpływu orientacji włókien na właściwości wytrzymałościowe wyrobów kompozytowych na przyk-ładzie wyrobów z kompozytu typu drewno-polimer formowanych w technologii wtryskiwania. Przeprowadzono analizę numeryczną dla modelu wyrobu o geometrii próbki przeznaczonej do próby jednoosiowego rozciągania. W celu uzyskania danych o powtryskowej orientacji włókien w matrycy polimerowej przeprowadzono analizę numeryczną procesu wtryski-wania za pomocą oprogramowania Autodesk Moldflow Insigth 2016. Uzyskano w ten sposób wartości tensora orientacji włókien dla zadanych parametrów technologicznych procesu wytwarzania wyrobu. Obliczenia mikromechaniczne (analizy właściwości struktury kompozytu) przeprowadzono z wykorzystaniem oprogramowania Digimat FE. Wyniki analizy numerycznej dla obliczonej wartości tensora orientacji włókien porównano z eksperymentem. Ponadto, w celu ułatwienia definiowania w systemach CAE właściwości kompozytu wykonano prognozowanie jego właściwości mechanicznych dla hipo-tetycznych, uproszczonych przypadków orientacji włókien. Potwierdzono, iż dobór orientacji napełniacza (włókien) ma zna-czący wpływ na zgodność prognozowanych właściwości kompozytu z wynikami badań eksperymentalnych.