23 października 2021


Alternatywą dla powszechnie stosowanych w kolejnictwie materiałów stalowych i aluminiowych są elementy wykonane z kompozytów. Ich analiza, pod kątem wytrzymałościowym prowadzona za pomocą programów numerycznych wymaga zwiększonego zaangażowania wiedzy inżynierskiej. W niniejszym opracowaniu przybliżono ramowy proces obliczeniowy z zastosowaniem specjalnie zaprojektowanego do celów analiz elementów kompozytowych oprogramowania inżynierskiego.

Diana Łukasik, Piotr Harnatkiewicz

Terminem – materiały kompozytowe – określa się tworzywa o strukturze niejednorodnej, które złożone są z co najmniej dwóch komponentów o różnych własnościach. Takie połączenie ma na celu uzyskanie nowego materiału o ściśle określonych właściwościach, lepszych w stosunku do materiałów użytych z osobna lub wynikających z prostego ich sumowania. Struktury kompozytowe, w których składnik wzmacniający jest układany warstwowo zwane są również laminatami. Warstwy wzmocnienia mogą mieć postać włókien ciągłych ułożonych jednokierunkowo, tkanin lub mat z włókna ciętego. Laminaty charakteryzuje anizotropowość własności mechanicznych, czyli zależność wytrzymałości i sztywności laminatu od uformowania i kierunku ułożenia włókien konstrukcyjnych [3].

struktury kompozytowe
Rys. 1  Model geometryczny

Elementy kompozytowe stanowią bardzo liczną i różnorodną grupę materiałów konstrukcyjnych wykorzystywanych szeroko w różnych dziedzinach inżynierii. O ich atrakcyjności decyduje rozmaitość elementów składowych, z jakich mogą być wykonane, oraz łatwość ich kształtowania.
Struktury kompozytowe zapewniają wysoki współczynnik wytrzymałości do wagi, a dodatkowo, umożliwiają produkcję zintegrowanych struktur o dużych gabarytach, oraz gwarantują estetykę wykonania. Wspomniany aspekt wagi odgrywa bardzo ważną rolę. Zastosowanie kompozytów zapewnia cały szereg korzyści umożliwiając projektowanie i finalnie produkcję lżejszych, mniej energochłonnych konstrukcji, przy tych samych wymaganiach wytrzymałościowych. Ponadto, wraz ze wzrostem prędkości taborów, dużego znaczenia nabrała aerodynamika. Kompozyty nadają się idealnie do produkcji dużych, kompleksowych aerodynamicznych elementów, jak np. osłon przednich wagonów, zewnętrznego poszycia, a także elementów wnętrza [2].
Ze względu na wymagania: wytrzymałości doraźnej, wytrzymałości zmęczeniowej, bezpieczeństwa, żywotności, niezmienności kształtu oraz aspektów ekonomicznych, w budowie taboru kolejowego używa się głównie poniższych materiałów kompozytowych [1]:

  • wzmocnienie z włókna szklanego w osnowie z żywicy epoksydowej,
  • wzmocnienie z włókna węglowego w osnowie z żywicy epoksydowej,
  • wzmocnienie z włókna szklanego w osnowie z żywicy poliestrowej;
  • Obliczenia wytrzymałościowe laminatów kompozytowych

Analizowanie konstrukcji wykonanych z materiałów kompozytowych jest złożonym procesem, ponieważ wymagane jest zdefiniowanie wielu elementów: warstw, materiałów, grubości oraz orientacji włókien. Dodatkowo opracowując wyniki symulacji, oprócz stopnia wytężenia oraz deformacji całości konstrukcji rozważyć należy aspekt uszkodzeń poszczególnych warstw, delaminacji, zniszczenia rdzenia oraz odpowiednie kryteria zniszczeniowe. Dlatego też, na potrzeby procesu obliczeniowego, mającego na celu analizę wielowarstwowych kompozytów, przygotowano metodologię obliczeń strukturalnych, która wygląda następująco:

  • przygotowanie geometrycznego modelu powłokowego, w tym: definicja danych materiałowych, dyskretyzacja, nadanie wartości brzegowych;
  • definicja warstw kompozytu, ich orientacji oraz sposobu ułożenia laminatu;
  • przeprowadzenie obliczeń wytrzymałościowych;
  • analiza uzyskanych wyników wraz z wprowadzeniem niezbędnych modyfikacji.


cały artykuł dostępny jest w wydaniu 9 (96) wrzesień 2015