Validação em múltiplas escalas de experimentos in situ a simulações numéricas

Esticamento in situ e observação SEM

Use o eletroscópio de varredura de mesa Phenom XL em combinação com o banco de amostras de alongamento para observar o processo de alongamento em tempo real e a baixo vácuo. A taxa de carregamento é de 0,033 mm/min e registra a força e o deslocamento em tempo real.

Os resultados mostram:

• A curva de alongamento tem fase elástica - fase não linear - três fases de ruptura rápida;

• Tensão máxima de cerca de 158 N, alongamento correspondente de 0,636 mm, seguido de falha rápida;

• Vídeos de SEM revelam o processo de germinação e expansão de microfissuras e observações de ruptura mostram grandes quantidades de fibras extraídas e desligadas da interface, verificando as características de ruptura frágil do material.

Figura 10: Curva de deslocamento em local

Figura 11: Imagem eletroscópica de varredura da superfície de corte

Figura 12: Campo de tensão axial de sobreposição de quadro de eletroscópio de varredura Eyy

Análise relacionada à imagem digital (DIC)

Implemente a análise DIC 2D de vídeo SEM com o software Avizo para calcular o deslocamento superficial e o campo de tensão.

O resultado foi:

• A tensão do eixo Eyy forma uma faixa de alta tensão com inclinação de 5° aproximadamente na parte superior;

• A rachadura se expande rapidamente na faixa de tensão, levando eventualmente a uma ruptura macro;

• O campo de tensão experimental é altamente consistente com os resultados da simulação de elementos finitos, verificando a precisão do método de modelagem.

Figura 13: Comparação da grade de elementos finitos com a área DIC (caixa vermelha)

Figura 14: Curva de mudança da tensão com o deslocamento

Figura 15: Simulação de elementos finitos de elementos representativos de volume

Modelagem e simulação numérica

Usando a plataforma Ansys Workbench para modelar:

1. Modelo de entrada de tensão orientada para fibra exportado por CT

2. Criar cartões de materiais elásticos heterossexuais no Material Designer

3. Mapeamento de tensões para o sistema de coordenadas locais da grade de elementos finitos para que as propriedades do material mudem com a orientação da fibra

Figura 16: Cartão de material e diagrama de interpolação de tensão orientacional

Figura 17: Diagrama de amostras padrão para calibração de materiais

Figura 18: Modelo de material final (submissão e endurecimento heterossexuais)

Figura 19: Configuração de malha e tracção para modelagem SFRC

Figura 20: Resultados do mapeamento de tensão de orientação de fibra

Figura 21: Resultados da simulação da distribuição da tensão axial

conclusão

O estudo demonstrou abordagens de caracterização em toda a linha, desde a reciclagem de matérias-primas, impressão 3D, microimagem até modelagem numérica. A integração de microCT, eletroscópio de varredura, DIC e análise de elementos finitos permite uma descrição precisa e previsão de desempenho de compostos de fibra de carbono reciclados.

Essa abordagem não só impulsiona a industrialização de materiais compostos sustentáveis, mas também fornece exemplos de design de materiais preditivos e fabricação verde. No futuro, os fabricantes podem projetar com confiança componentes compostos de alto desempenho e ecológicos com análises integradas semelhantes.