Finite element simulation of self - heating effect and thermal fatigue of viscoelastic polymer composites

The self-heating effect, occurred in the viscoelastic media due to the mechanical energy dissipation during cyclic loading of a structure and its transformation into heat, is one of crucial problems of operation of elements made of polymeric composites. In some special cases of loading parameters the self-heating effect could dominate fatigue process, which results in intensification of structural degradation. The paper deals with finite element formulation of the self-heating effect and thermal fatigue of polymer composites. The definition of material properties was based on experimentally determined dynamic moduli of the material, which were converted to Prony series for implementation in the computational algorithm realized in commercial finite element software. Implementation procedure of the numerical simulation and exemplary results were presented. Obtained numerical results were compared with experimental results and reveal good convergence.

---

Efekt samorozgrzania, występujący w ośrodkach lepkosprężystych ze względu na dyssypację energii mechanicznej podczas obciążeń cyklicznych struktury i jej przemiany w ciepło, jest podstawowym problemem eksploatacji elementów wykonanych z kompozytów polimerowych. W niektórych szczególnych przypadkach parametrów obciążenia efekt samorozgrzania może zdominować proces zmęczenia, co będzie skutkowało intensyfikacją degradacji strukturalnej. Artykuł przedstawia sformułowanie modelu numerycznego efektu samorozgrzania i zmęczenia cieplnego kompozytów polimerowych. Definiowanie właściwości materiałowych jest oparte na modułach dynamicznych materiału wyznaczonych eksperymentalnie, które przekształcono do postaci szeregów Prony'ego w celu ich implementacji w algorytmie obliczeniowym realizowanym w komercyjnym środowisku opartym o metodę elementów skończonych. Przedstawiono procedurę implementacji oraz przykładowe wyniki. Otrzymane wyniki numeryczne porównano z wynikami eksperymentalnymi, wyniki cechują się dobrą zbieżnością.