Dr inż. Katarzyna Falkowicz z Katedry Podstaw Konstrukcji Maszyn i Mechatroniki będzie badać zachowanie się struktur wykonanych z kompozytów włóknistych wzmacnianych włóknami ciągłymi, posiadających sprzężenia mechaniczne. Sprzężone materiały kompozytowe oferują ogromny potencjał choćby m. in. jako technologia wykorzystywana w bardzo dużych łopatach morskich turbin wiatrowych, gdzie zastosowanie sprzężeń mechanicznych może służyć jako pasywny mechanizm odciążający podczas ekstremalnego wiatru, gdzie awaria aktywnego układu sterowania może doprowadzić do zniszczenia całej turbiny wiatrowej.
Tzw. „dopasowane laminaty” zaczynają znajdować coraz szersze zastosowanie w nowoczesnych rozwiązaniach konstrukcyjnych, wymagających zazwyczaj niestandardowych właściwości mechanicznych. Na badania Pani doktor otrzymała grant z Narodowego Centrum Nauki, w ramach konkursu OPUS 24, w wysokości ponad 1,2 mln zł.
Badania dr inż. Katarzyny Falkowicz będą dotyczyć analizy stateczności i nośności cienkościennych struktur kompozytowych o niesymetrycznej orientacji warstw laminatu, posiadających sprzężenia mechaniczne. Cienkościenne struktury kompozytowe to takie, których elementy mają niewielką grubość ścianek w porównaniu do ich rozmiarów gabarytowych. Charakteryzują się one wysokimi właściwościami sztywnościowymi i wytrzymałościowymi, przy jednoczesnym zachowaniu stosunkowo niskiej masy własnej. Dlatego są tak szeroko stosowane m.in. w: konstrukcjach lotniczych, rozwiązaniach budowlanych oraz motoryzacyjnych.
Jak zaznacza Pani doktor kompozyty w niesymetrycznych układach warstw względem płaszczyzny środkowej laminatu nie są jeszcze dobrze przebadane m.in. ze względu na komplikacje związane z procesem ich wytwarzania. Dotyczy to przede wszystkim niepożądanych trudności produkcyjnych tych materiałów, jak np. efekt paczenia się laminatu podczas procesu wytwarzania. Dlatego też układy niesymetryczne wymagają bardziej zaawansowanych metod analizy w porównaniu do tradycyjnych płyt izotropowych oraz ortotropowych wykonanych w układach symetrycznych.
Efektem badań eksperymentalnych będzie określenie wpływu dobranych niesymetrycznych układów warstw oraz sprzężeń mechanicznych na lokalną utratę stateczności i zniszczenie cienkościennych konstrukcji kompozytowych pod obciążeniem ściskającym.
– Przeprowadzone w ostatnim czasie przeze mnie, jak i przez innych naukowców badania wykazały, że istnieje ogromna i niezbadana przestrzeń projektowania laminatów, zawierających „egzotyczne” formy sprzężeń mechanicznych, która obejmuje wszystkie interakcje między rozciąganiem, ścinaniem, zginaniem i skręcaniem. Mówiąc o interakcjach mam na myśli interakcję przyczynowo-skutkową i tak np. przy sprzężeniu giętno-skrętnym zginanie powoduje dodatkowo skręcanie, przy czym relacja ta jest odwracalna. Co ważniejsze, szeroki zakres tych mechanicznych reakcji można osiągnąć bez niepożądanych zniekształceń termicznych, które wynikają z procesu utwardzania w wysokiej temperaturze, co z kolei może przyczynić się do zwiększenia zainteresowania potencjałem wykorzystania tych materiałów, szczególnie z punktu widzenia ich produkcji – wyjaśnia dr inż. Katarzyna Falkowicz.
Zadaniem pani doktor jest tak dobrać projektowane sprzężenia mechaniczne, aby uzyskać strukturę o poszukiwanych właściwościach mechanicznych. Dobór odpowiednich sprzężeń mechanicznych ma bowiem istotny wpływ na wartość obciążenia krytycznego oraz nośność cienkościennych konstrukcji kompozytowych.
W pracy wykorzystane zostaną interdyscyplinarne metody badawcze, łączące ze sobą m.in. testy statycznego ściskania badanych struktur kompozytowych z wykorzystaniem uniwersalnej maszyny wytrzymałościowej, czy pomiar przemieszczeń w trakcie procesu odkształcania przy użyciu optycznego systemu pomiarowego Aramis 3D. Działanie systemu pomiarowego ARAMIS opiera się na technice Cyfrowej Korelacji Obrazów, a sam pomiar odbywa się bezdotykowo i jest niezależny od charakterystyki badanych materiałów. Równolegle z badaniami eksperymentalnymi prowadzone będą nieliniowe obliczenia numeryczne z wykorzystaniem metody elementów skończonych. W ramach symulacji numerycznych zastosowane zostaną specjalne techniki modelowania cienkościennych struktur kompozytowych, umożliwiające rozwiązanie zagadnienia nieliniowej stateczności i nośności ściskanych konstrukcji kompozytowych. Do opisu procesu zniszczenia struktury zastosowane zostaną kryteria zniszczenia, umożliwiające przeprowadzenie kompleksowej analizy zniszczenia materiału kompozytowego.
Projekt stanowi kontynuację badań, realizowanych w ramach wcześniej realizowanego pod kierownictwem doktor Falkowicz grantu NCN PRELUDIUM pt. „Badania numeryczne i eksperymentalne ściskanych kompozytowych płyt z centralnym wycięciem”, za który Pani doktor została uhonorowana nagrodą „Naukowiec Przyszłości” w kategorii: „Nauki ścisłe i techniczne dla innowacyjnej przyszłości”, podczas uroczystej gali Forum Inteligentnego Rozwoju w Toruniu 2021 r.
Konkurs OPUS jest skierowany do naukowców na wszystkich etapach kariery. W bieżącej edycji wpłynęło 1921 wniosków na łączną kwotę niemal 2,7 mld zł. Po przeprowadzeniu procesu oceny formalnej i merytorycznej eksperci zakwalifikowali do finansowania 224 wnioski o wartości ponad 364,4 mln zł, w tym 93 wnioski złożone w obszarze „nauki ścisłe i techniczne”.
Dr inż. Katarzyna Falkowicz pracuje w Katedrze Podstaw Konstrukcji Maszyn i Mechatroniki na Wydziale Mechanicznym. Naukowo zajmuje się mechaniką i zniszczeniami materiałów kompozytowych oraz analizą zagadnień stateczności i nośności cienkościennych konstrukcji kompozytowych. Jest autorką i współautorką ponad 50 publikacji naukowych, a także 4 zgłoszeń patentowych.
Źródło: Politechnika Lubelska
