Měření specifické absorbované energie kompozitních materiálů

Měření specifické absorbované energie kompozitních materiálů

Měření specifické absorbované energie kompozitních materiálů Michal Mališ

Obsah 1. Úvod do projektu 2. Pasivní bezpečnost 3. Specifická absorbovaná energie 4. Historický vývoj vzorků pro měření SAE 5. Vlastní experimenty – výroba vzorků měření, výsledky 6. Modelování metodou konečných prvků 7. Materiálové modely 8. Kalibrace materiálových modelů 9. Modely zkoušky pohlcení energie – zpracování a výsledky 10. Vliv nefyzikálních parametrů na výsledky 11. Závěr

Porušování kompozitních materiálů a konstrukcí #3

Projekt „Zvýšení pasivní bezp. letounu“ 1. Návrh prostředků pro ochranu hlavy při havarijním přistání 2. Zajištění ochrany páteře při havarijním přistání 3. Zvýšení odolnosti kabiny proti průrazu částí konstrukce do prostoru posádky


Principy pasivní bezpečnosti CREEP 1. 2. 3. 4. 5.

Container – bezpečný prostor kolem pasažéra Restraint – bezpečnostní pásy Energy Management – deformační člen – zpomalení letounu Environment – design bezprostředního okolí pasažéra Post-crash Factors - požár, snadné opuštění letounu

Kalibrace materiálových modelů Stanoveni SAE


Absorbovaná energie 1. Specifická absorbovaná energie SAE [J/kg] 2. Celková absorbovaná energie [J] – plocha pod křivkou sila vs. posunutí


Specifická absorbovaná energie Obecně mají kompozity velký potenciál k pohlcení energie

15-25 kJ/kg Porušování kompozitních materiálů a konstrukcí #7

40-80 kJ/kg

Mechanismus poškození 1. Křehké tlakové a smykové porušení 2. Ohyb a tření separovaných vrstev 3. Interlaminární poškození

SAE – není materiálová charakteristika !! Porušování kompozitních materiálů a konstrukcí #8

Standardizace vzorků– NASA/ARL fixture 1. 2. 3. 4.

Nutné boční vedení při zkoušce Vedení zamezuje odtékaní materiálu z kontaktu Jednoduchá výroba Výsledky jsou nesrovnatelné s válcovými vzorky Tři typy triggeru


Standardizace vzorků– DLR 1. Částečná stabilita – při zkoušce upnuto v kleštině 2. Jednoduchá výroba 3. Použito při kalibraci PAMCRASH - Airbus

Porušování kompozitních materiálů a konstrukcí # 10

Standardizace vzorků – Feraboli 2007-2009

Projekt: Standardization of numerical and experimental methods for crashworthiness energy absorbtion of composite materials Porušování kompozitních materiálů a konstrukcí # 11

Použitý vzorek Vzorek musí: - být odolný proti ztrátě stability - mít trigger - použitelný bez přídavků - vyrobitelný ve formě - jednoduchý na výrobu


Příprava experimentu Série

Počet vrstev

Počet vzorků Materiál

Vrstvení

1

9

6

Sklo - Interglass 92125

0/90°

2

9

6

Uhlík 200g/m2

0/90°

3

5+4

6

Uhlík 200g/m2

0/90/+-45°

4

9

6

Uhlík 200g/m2

+-45°

5

9

6

Uhlík/aramid 175g/m2

0/90

Požité tkaniny - Skleněná tkanina 92125 - 280 g/m2 - Uhlíková tkanina 200 g/m2 - Hybridní tkanina aramid/uhlík 175 g/m2 Matrice - Epoxid MGS L-285 - Tvrdidlo MGS L-287 Porušování kompozitních materiálů a konstrukcí # 13

Výroba vzorků

Ruční laminace s vytvrzováním za pokojové teploty Porušování kompozitních materiálů a konstrukcí # 14

Měření • Trigger vyroben ručně • Vzorek byl volně postavený bez přípravku mezi dvěma deskami • Rychlost zatížení – 25mm/min


Postup vyhodnocení • Příklad vyhodnocení pro uhlík 200 - 0/90 Sila na posunuti Absorbovana energie na energie posunuti Specifická absorbovaná

4

2.5 1000 90

x 10

vzorek 1 vzorek 2 vzorek 3 vzorek 4 vzorek 1 vzorek 5 vzorek 2 vzorek 6 vzorek 3 střední průběh vzorek 4 vzorek vzorek15 vzorek vzorek26 vzorek střední3 průběh vzorek 4 vzorek 5 vzorek 6 střední průběh

900 80 8002 70 700 60 Energie [J] SAE Sila[J/g] [N]

1.5 600 50

500 40 4001 30 300 20 0.5 200 10 100 00 00

10 10 10

20 20 20


30 30 30 Posunuti[mm] [mm] Posunuti Posunuti [mm]

40 40 40

50 50 50

60 60 60

Vyhodnocení • Vyhodnocení pro uhlík/aramid 175 - 0/90 2.5 90

x 10

Specifická Silaabsorbovaná na posunuti energie

4

vzorek 1 vzorek 2 vzorek 3 vzorek 4 vzorek 5 střední průběh

80 2 70

Sila [N] SAE [J/g]

1.5 60 50 1 40 0.5 30 20 0 10 -0.5 0 0

10

20


30 Posunuti [mm]

40

50

60

Vyhodnocení • Vyhodnocení pro uhlík 200 +-45° Specifická Silaabsorbovaná na posunuti energie

4

603 x 10

vzorek 11 vzorek vzorek 22 vzorek vzorek 33 vzorek vzorek 44 vzorek vzorek 55 vzorek střední průběh průběh střední

50 2.5

SAE Sila [N] [J/g]

402

30 1.5

201

10 0.5

00 00

55

10 10


15

20 Posunuti [mm]

25

30 30

35 35

40 40

Vyhodnocení podle typu materiálu Specifická Silaabsorbovaná na posunuti energie

4

90 2

x 10

uhlik-kevlar175 0/90 sklo280 0/90 uhlik200 0/90

1.8 80 1.6 70

Sila [J/g] [N] SAE

1.4 60 1.2 50 1 40 0.8 30 0.6 20 0.4 10 0.2 0 0

10


20

30 Posunuti [mm]

40

50

60

Vyhodnocení podle vrstveni Specifická Silaabsorbovaná na posunuti energie

4

90 2

x 10

1.8 80 1.6 70 uhlik200 0/90 uhlik200 0/90/45 uhlik200 0/90 uhlik200 45 uhlik200 0/90/45 uhlik200 45

Sila [J/g] [N] SAE

1.4 60 1.2 50 1 40 0.8 30 0.6 20 0.4 10 0.2 0 0

10


20

30 Posunuti [mm]

40

50

60

Vyhodnocení 1. Podmínkou efektivního pohlcení energie je zamezit ztrátě stability vzorku 2. Pevnost a typ materiálu výztuže má malý vliv na výsledné závislosti sila na posunutí a SAE 3. Vliv vrstvení pokud není zdrojem ztráty stability má malý vliv na SAE

Místo konání prezentace # 21

Mechanismus poškození • • • • •

•

Delaminace mode I Ohybová pevnost separovaných vrstev Delaminace mezi separovanými vrstvami Tření mezi zatěžovací deskou a vzorkem Tření mezi drtí a vzorkem

A. G. Mamalis, Crashworthiness of Composite Thin-Walled Structural Components Porušování kompozitních materiálů a konstrukcí # 22

Mechanismus poškození a možnosti modelování • Pokročilé materiálové modely • Modely delaminace mode I, II, mix mode • Tření


Building block approach Standard

B6

B5

B4

B3 Experiments Porušování kompozitních materiálů a konstrukcí # 24

State-of-the-art

Component

Subcomponent

Structural element Coupon level Analyses

Materiálové testy 1. Uhlíková tkanina 200g/m2, epoxy MGS 285/287 2. Objemový poměr ~52% ASTM D 3039 – E11, E22, Xt, Yt, µ12 ASTM D 3518 – G12, S12, průběh


ASTM D 6641 – (E11, E22), Xc, Yc

Materiálové testy - výsledky Skladba 7x 0/90°

Skladba 7x ±45°

Strain vs. stress

C om p re s s iv e s tres s [M P a ]

1000

500

0

-500 -0.02

-0.015

-0.01

-0.005

0 strain [-]

0.005

0.01


0.015

0.02

Použité materiálové modely 1. MSC. Nastran sol 700 (LS-Dyna)– MAT054, MAT058 2. MSC. Dytran – MAT8, MAT8A Dostupné konstitutivní modely uvažují kompozitní materiál jako lineárně- elastický materiál v obálce porušení dané příslušným poruš ovacím kritériem - Progresive failure model (PFM) - Continuum damage model (CDM)


Použité materiálové modely PFM

CDM

MAT054 MAT8, MAT8A MAT058 Porušování kompozitních materiálů a konstrukcí # 28

Single element analysis - Skladba 7x0/90° - Určení kritických parametrů a pro vymazání elementu

tah


tlak

smyk

MSC. Dytran – MAT8 Orientace 0/90° 7

Xt= 848 MPa

1000 6 800

1 1 2c 2c

5 600 Energie [mJ [mJ/mm3]

Napětí [MPa]

test-idealizovany test-idealizovany

-0,015

400 4 200 3 -0,010

-0,005

0 0,000 2 -200

0,005

0,010

0,015

0,020

1 -400 -600 0 -0,015

-0,01

-0,005

0 -800 Deformace [-] Deformace [-]


0,005

0,01

0,015

0,02

MSC. Dytran – MAT8 Orientace +-45° TauMax= 80 MPa

TauMax= 69 MPa

90 80 70

Napětí [MPa]

60 50

Test-idealizovany alfa=0

40

alfa=5e-7 30 20 10 0 0,000

0,050

0,100

0,150

0,200

0,250 Deformace [-]


0,300

0,350

0,400

0,450

0,500

MSC.Nastran 700 – MAT058 Orientace 0/90°

Xt= 848 MPa

1000 1 2-Vysledek napětí 2- Vysledek lin. sila

800

SLIMt= 1

600

3t

Napětí Napětí[MPa]

3c

400

Test - idealizovany 200

0 -0,03

-0,02

-0,01

0

0,01

0,02

-200

E11t= .014 -400

-600 Deformace [-]


SLIMt= 1e-12

0,03

MSC.Nastran 700 – MAT058 Orientace +-45° 90

Sc= 69 MPa

80

SLIMS= 1

70

Napětí [MPa]

60

Tau1= 40 MPa

50

GMS= .25

1

SLIMS= .86

2

40

Řady1 30

Gama1= 40 MPa

ERODS= .35

20 10 0 0,000

0,050

0,100

0,150

0,200

0,250 Deformace [-]


0,300

0,350

0,400

0,450

0,500

Modelování zkoušky 1. Strategie modelování nárazů je „neprediktivní“ 2. Komplexní porucha laminátu nelze modelovat jednoduchým 2000 mm/s modelem 2000 mm/s 3. Zásadní vliv nefyzikálních konstant • • • • • •

Časový krok - deafult Hustota sítě 40x40 Tlumení (DAMPGBL, 10000) Parametry kontaktu – dvě strategie Nefyzikální materiálové konstanty (SOFT) Vyhlazovací filtr SAE CFC


Modelování zkoušky 4

5

Sila na posunutí

x 10

experiment MKP nefiltr MKP filtr

4

Síla [N]

3

2

1

0

-1 0

5

10

15


20

25 Posunutí [mm]

30

35

40

45

50

Vliv parametru SOFT 1. Parametr SOFT součást materiálového modelu MAT054 058 2. MSC. Dytran parametr SOFT nemá

MSC. Dytran; SOFT =1 Porušování kompozitních materiálů a konstrukcí # 36

Kontakt s předepsanou penetrací 4

3 2.5

Sila na posunutí 2500

4 x 10

experiment MKP nefiltr MKP filtr

2000 2.5 2

Síla Síla [N] [N]

Sila [N]

1. RIGID kontakt 2 2. Předepsanou SP křivkou 1.5

1500

1000

1.5

500 1

0

1

0

1

2

experiment SOFT = 0.6 SOFT = 0.5 SOFT = 0.55 3 4

5

Penetrace [mm]

0.5 0.5

0 0 0

5

10

15


20

25 Posunutí [mm]

30

35

40

45

50

Co dál? 1. Zjistit vlivy dalších parametrů simulace: • Časový krok • Hustota a struktura sítě • Rychlost zatěžování • ….. 2. Simulace zkoušky s různým vrstevním 3. Simulace s vícevrstvým modelem • Kohezní kontakt s porušením na základě LLM


Vysoké učení technické v Brně Fakulta strojního inženýrství Letecký ústav Technická 2896/2, Brno 616 69 Czech Republic http://lu.fme.vutbr.cz

Měření specifické absorbované energie kompozitních materiálů

Recommend Documents