Analysis of smart aramid fiber reinforced laminar thermoplastic composite material under static loading

Abstract

In order to obtain a composite material with desired improved resistance to penetration of ballistic projectiles, a poly(p-phenyleneterephthalamide) reinforced laminar thermoplastic composite material has been made. This paper describes the procedure of manufacturing such a composite material, as well as the procedure of embedding fiberoptic sensors (FOS) in it, using the hot-melt method. Optical fibers were embedded in specimens of composite materials as intensity-based real-time damage detection sensors. Manufactured composite specimens with embedded FOS were subjected to static loading indentation. The initiation of damage and fracture during testing was detected by observation of the characteristic changing of the optical signal. The results of the experiments confirmed that optical fibers might be applied as intensity sensors in real-time monitoring of structural changes in thermoplastic laminate composite materials. The finite element method (FEM) modeling was used to analyze stress and displacement distributions through the layered composite plate, caused by indentation and to simulate the contact problem - projectile/composite plate. The finite element simulation results of the considered layered composite plate have shown very good agreement with the experimental results.

Sa ciljem dobijanja kompozitnog materijala poboljšane otpornosti na proboj balističkog projektila, napravljen je poli(p-fenilentereftalamidom) ojačan laminarni termoplastični kompozitni materijal. Ovaj rad opisuje postupak izrade ovog kompozitnog materijala, kao i postupak ugradnje fiber-optičkih senzora (FOS) u isti, upotrebom metode toplog presovanja. Optička vlakna su ugrađena u uzorke kompozitnih materijala kao intenzitetni senzori za detekciju oštećenja u realnom vremenu. Izrađeni kompozitni uzorci sa ugrađenim FOS su izlagani statičkom opterećenju utiskivanjem. Inicijalno oštećenje i lom tokom ispitivanja su detektovani padom inteziteta svetlosnog signala propuštenog kroz optička vlakna. Rezultati eksperimenata su potvrdili opravdanost upotrebe optičkih vlakana kao intenzitetnih senzora za praćenje strukturalnih promena u termoplastičnim laminarnim kompozitnim materijalima u realnom vremenu. Za analizu raspodele napona i deformacija po debljini višeslojne kompozitne ploče, pod dejstvom utiskivanja, korišćen je metod konačnih elemenata (MKE). Primenom MKE je simuliran kontaktni problem projektil/kompozitna ploča. Rezultati MKE analize razmatrane kompozitne ploče su pokazali odlično slaganje sa eksperimentalnim rezultatima.