Wpływ naprężeń resztkowych powstających w procesie produkcji laminatu na nośność i stateczność cienkościennych konstrukcji kompozytowych
Influence of the curing, residual stresses on the stability of thin-walled, composite structures
Typ projektu: naukowo-badawczy
Słowa kluczowe: materiały kompozytowe laminaty konstrukcje cienkościenne stateczność konstrukcji proces technologiczny naprężenia rezydualne
Słowa kluczowe (angielski): composite materials laminates thin-walled structures manufacturing process residual stresses
Członkowie konsorcjum: Projekt nie był realizowany w ramach konsorcjum
Okres realizacji projektu: 4.10.2017 - 3.09.2022
Instytucja finansująca: Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego
Nazwa programu: Diamentowy Grant
Kierownik projektu: Paweł Czapski
Wartość dofinansowania: 219 945,00 PLN
Wartość projektu: 219 945,00 PLN
Laminaty włókniste to materiały kompozytowe będące połączeniem włókien (np. szklanych albo węglowych) i matrycy (najczęściej żywicy epoksydowej). Używa się ich obecnie w różnych gałęziach przemysłu jak np. lotnictwie czy motoryzacji. Ich główne atuty to przede wszystkim bardzo wysoki współczynnik wytrzymałości do masy dlatego stosowane są w szczególności w konstrukcjach, które z założenia mają być lekkie i wytrzymałe (skrzydła samolotów, łopaty turbin wiatrowych czy śmigła helikopterów). Jednakże, produkcja takich materiałów jest kosztowna ze względu na zaawansowanie procesów technologicznych potrzebnych do ich prawidłowego wytworzenia. Jednym z etapów wytwarzania laminatów włóknistych jest proces autoklawowy. Uformowany materiał zamykany jest w komorze próżniowej (autoklawie) gdzie może być poddawany odpowiednim procesom chemicznym i termicznym. Dzięki stosowaniu takiego procesu można znacząco podwyższyć właściwości materiałowe laminatu takie jak sztywność, parametry niszczące jak i jakość połączenia kohezyjnego między poszczególnymi laminami. Prawidłowo przeprowadzony proces wytwarzania jest kluczem do przyszłej prawidłowej pracy materiału. Dotyczy to zwłaszcza konstrukcji cienkościennych, gdzie defekty w postaci odchyleń grubości od wartości nominalnej lub odchylenia płaskości mogą zdecydowanie zmieniać sztywność konstrukcji. Innym aspektem, będącym głównym tematem tej pracy, są naprężenia resztkowe (rezydualne). Naprężenia te są skutkiem odebrania strukturze odpowiednich stopni swobody podczas procesów termicznych celem uformowania zaprojektowanego kształtu. Przyczyną powstawania takich efektów jest fakt, że rozgrzany materiał (składający się z różnych komponentów o różnych współczynnikach rozszerzalności cieplnej) podczas chłodzenia kurczy się. Połączenie kilku lamin o różnych ułożeniach warstw chcących odkształcać się w różnych kierunkach powoduje powstawanie złożonych stanów naprężeń resztkowych wraz z niedoskonałościami kształtu. Zjawisko to zachodzi zawsze, ale jest ono w szczególności widoczne w przypadku laminatów niesymetrycznych gdzie materiał bez nałożonych więzów odkształcałby się nie tylko w jego płaszczyźnie, ale również prostopadle do niej (w odróżnieniu od laminatów symetrycznych). Oznacza to, że w konstrukcji z niesymetrycznym ułożeniem warstw laminatu podczas procesu produkcji mogą powstawać niesymetryczne (w każdej warstwie inne) naprężenia resztkowe, w wielu wypadkach niezrównoważone na grubości laminatu, co prowadzić może do imperfekcji geometrycznych oraz zmiany charakteru pracy konstrukcji – zarówno dla ułożeń symetrycznych jak i niesymetrycznych. W jednej z prac autorów tego projektu, zauważono że w szczególności laminaty niesymetryczne mają znacząco podwyższoną sztywność w stanie zakrytycznym (po wyboczeniu), w odróżnieniu od laminatów symetrycznych, w przypadku których naprężenia resztkowe również mogą zmieniać charakter pracy konstrukcji. W pracy postawiono tezę, iż naprężenia resztkowe w znaczący sposób mogą wpływać na pracę konstrukcji w zakresie zakrytycznym. W ramach projektu Diamentowy Grant autor chciałby zweryfikować tą hipotezę oraz w przypadku gdy okaże się prawdziwa, określić jakie ułożenia warstw laminatu powodują największe naprężenia rezydualne i jaki ma to wpływ na przyszłą pracę konstrukcji aż do wyczerpania nośności. Pierwszym etapem projektu będzie próba opracowania modelu numerycznego odzwierciedlającego proces chłodzenia laminatu celem oszacowania jakiego rodzaju naprężenia powstają w materiale. Następnym krokiem będzie zaimplementowanie otrzymanych rozkładów naprężeń resztkowych jako imperfekcji w numerycznym modelu cienkościennego słupa ściskanego i przeprowadzeniu nieliniowych analiz stateczności oraz zniszczenia. Tak opracowany model zostanie poddany walidacji i weryfikacji poprzez porównanie otrzymanych wyników z wynikami badań eksperymentalnych. W przypadku otrzymania zgodności modelu numerycznego z eksperymentem planowane jest określenie ułożeń warstw laminatu, które są najbardziej podatne na powstawanie naprężeń resztkowych i określenie wpływu na nośność konstrukcji. Dodatkowymi aspektami pracy miałby być pomiar imperfekcji wykonanych próbek przy pomocy skanera 3D. Wyniki ze wszystkich układów pomiarowych zostaną ze sobą zestawione i porównane celem weryfikacji zbieżności różnych metod pomiarowych oraz modeli numerycznych.
-
Powrót