VPLIV SESTAVE IN TEHNOLOGIJE IZDELAVE NA MATERIALNE ... · materiali sestavljeni iz vsaj dveh...
Transcript of VPLIV SESTAVE IN TEHNOLOGIJE IZDELAVE NA MATERIALNE ... · materiali sestavljeni iz vsaj dveh...
UNIVERZA V MARIBORU
FAKULTETA ZA STROJNIŠTVO
Jasmin VEHABOVIĆ
VPLIV SESTAVE IN TEHNOLOGIJE IZDELAVE NA MATERIALNE LASTNOSTI KOMPOZITNEGA MATERIALA
Magistrsko delo
študijskega programa 2. stopnje
Strojništvo
Maribor, junij 2018
VPLIV SESTAVE IN TEHNOLOGIJE IZDELAVE NA MATERIALNE LASTNOSTI KOMPOZITNEGA MATERIALA
Magistrsko delo
Študent: Jasmin VEHABOVIĆ
Študijski program: študijski program 2. stopnje Strojništvo
Smer: Konstrukterstvo
Mentor: izr. prof. dr. Jožef PREDAN
Somentor: red. prof. dr. Nenad GUBELJAK
Maribor, junij 201
- II -
I Z J A V A
Podpisani Jasmin VEHABOVIĆ , izjavljam, da:
• je magistrsko delo rezultat lastnega raziskovalnega dela,
• predloženo delo v celoti ali v delih ni bilo predloženo za pridobitev kakršnekoli izobrazbe
po študijskem programu druge fakultete ali univerze,
• so rezultati korektno navedeni,
• nisem kršil-a avtorskih pravic in intelektualne lastnine drugih,
• soglašam z javno dostopnostjo magistrskega dela v Knjižnici tehniških fakultet ter
Digitalni knjižnici Univerze v Mariboru, v skladu z Izjavo o istovetnosti tiskane in
elektronske verzije zaključnega dela.
Maribor,_____________________ Podpis: ________________________
- III -
ZAHVALA
Zahvaljujem se mentorju izr. prof. dr. Jožefu Predanu
in somentorju red. prof. dr. Nenadu Gubeljaku ter
podjetju Veplas, d. d., za pomoč in vodenje pri
opravljanju magistrskega dela. Podjetju Veplas, d. d.,
se prav tako zahvaljujem, da mi je omogočilo študij ter
za temo magistrske naloge.
Zahvaljujem se tudi družini in prijateljem za podporo v
času študija.
- IV -
VPLIV SESTAVE IN TEHNOLOGIJE IZDELAVE NA MATERIALNE LASTNOSTI
KOMPOZITNEGA MATERIALA
Ključne besede: kompozitni materiali, steklena mata, tkanina, polimerna smola, RTM, ročna
laminacija, numerične metode, tlačna posoda
UDK: 620.168:536.91(043.2)
POVZETEK
V magistrski nalogi je predstavljen postopek določitve materialnih podatkov kompozitnega
materiala, izdelanega z različnimi tehnologijami in z uporabo različnih ojačitvenih faz.
Predstavljene so osnove kompozitnih materialov, ASTM-standard, natezni preizkus, analitični
pristop, s katerim so primerjani rezultati nateznega preizkusa, ter numerična simulacija tlačne
posode, kjer je z numerično analizo določena razporeditev slojev za dosego optimalne trdnosti
in primerjana z uporabo kovinskih materialov.
- V -
THE INFLUENCE OF THE STRUCTURE AND PRODUCTION TECHNOLOGY ON THE
MATERIAL PROPERTIES OF THE COMPOSITE MATERIAL
Key words: composite materials, glass mat, fabric, polymer resin, RTM, hand lay-up, tensile
test, numerical method, pressure vessel
UDK: 620.168:536.91(043.2)
ABSTRACT
The master's thesis presents a determination process of material data of composite materials
which are made with different technologies and using various reinforcement phases. Basics of
composite materials, ASTM standard and tensile test are presented in this work, including
analytical approach which is compared with results from tensile tests. Numerical simulation of
the pressure vessel is used to determine composite layers for optimal strength and compared
with use of metal materials.
- VI -
KAZALO VSEBINE
1 UVOD ....................................................................................................... 1
1.1 Področje magistrske naloge ................................................................ 1
1.2 Cilji magistrskega dela ........................................................................ 2
2 POLIMERNI KOMPOZITNI MATERIALI ....................................................... 3
2.1 Ojačitvena faza ................................................................................... 4
2.2 MATRICA oz. OSNOVA ........................................................................ 6
3 TEHNOLOGIJA IZDELAVE .......................................................................... 8
3.1 Ročna laminacija (Hand Lay-up) .......................................................... 8
3.2 RTM (Resin Transfer Molding) .......................................................... 10
3.3 Izdelava RTM-orodja ........................................................................ 11
4 ANALITIČNI PRISTOP PRIDOBIVANJA MATERIALNIH LASTNOSTI............. 15
4.1 Mikromehanski pristop določanja materialnih podatkov .................. 15
4.2 Makromehanski pristop določanja materialnih lastnosti .................. 19
4.3 Določanje materialnih lastnosti v primeru naključno orientiranih
vlaken ....................................................................................................... 26
4.4 Izračuni materialnih lastnosti ........................................................... 28
5 EKSPERIMENTALNO PREIZKUŠANJE ....................................................... 31
5.1 NATEZNI PREIZKUS ASTM D 3039 ..................................................... 33
5.2 Interference ..................................................................................... 34
5.3 Oprema ............................................................................................ 34
5.4 Vzorčenje in preizkušanci ................................................................. 36
5.5 Postopek izvajanja preizkusa ............................................................ 38
6 PRIPRAVA PREIZKUŠANCEV ................................................................... 40
6.1 Materiali .......................................................................................... 40
6.2 Tehnologije ...................................................................................... 40
6.3 Preizkušanci ..................................................................................... 43
- VII -
7 IZVAJANJE NATEZNIH PREIZKUSOV ........................................................ 46
7.1 Preverjanje vpliva tehnologije .......................................................... 48
7.2 Preverjanje strukture ojačitvenega materiala ................................... 52
7.3 Primerjava pridobljenih rezultatov z analitičnimi pristopi ................. 56
7.4 Preverjanje in uporaba rezultatov v numeričnem okolju .................. 59
8 PRIMERJAVA NUMERIČNE ANALIZE MED JEKLENO IN KOMPOZITNO
TLAČNO POSODO ......................................................................................... 61
8.1 Opis problema .................................................................................. 62
8.2 Numerična analiza tip 1 .................................................................... 64
8.3 Numerični preračun tip 2 .................................................................. 68
8.4 Primerjava in diskusija ...................................................................... 72
9 DISKUSIJA .............................................................................................. 73
10 LITERATURA ........................................................................................ 74
- VIII -
KAZALO SLIK
Slika 2.1: Aramidna vlakna [8] .................................................................................................... 4
Slika 2.2: Steklena vlakna [8] ...................................................................................................... 5
Slika 2.3: Ogljikova vlakna [8] ..................................................................................................... 6
Slika 2.4: Prikaz ojačitvenega vlakna in matrice v kompozitu .................................................... 6
Slika 3.1: Ročna laminacija ......................................................................................................... 9
Slika 3.2: RTM ........................................................................................................................... 11
Slika 3.3: Načrti razreza kompozitnih plošč, levi vzdolžni in prečni, desno strižni preizkušanci
.......................................................................................................................................... 13
Slika 3.4: CAD-model RTM-orodja ............................................................................................ 14
Slika 3.5: RTM-orodje, pripravljeno za ulivanje ........................................................................ 14
Slika 4.1: Mikromehanski pristop, a - heterogeni material, b - homogeni material ................ 16
Slika 4.2: Trdnost v odvisnosti od deformacije pri vlaknu in matrici ....................................... 18
Slika 4.3: Materialni in laminatni KS ......................................................................................... 20
Slika 4.4: Cauchyev napetostni tenzor ..................................................................................... 20
Slika 4.5: a) vzdolžni natezni preizkus, b) prečni natezni preizkus ........................................... 22
Slika 4.6: Tranformacija koordinatnih sistemov ....................................................................... 24
Slika 5.1: Namestitev merilnih lističev na preizkušanec [6] ..................................................... 36
Slika 5.2: Preizkušanci ............................................................................................................... 37
Slika 5.3: Porušitveni modeli preizkušancev [6] ....................................................................... 39
Slika 6.1: Razrez ojačitvenega materiala na laserskem rezalniku ............................................ 41
Slika 6.2: Postavitev ojačitvenega materiala v orodje .............................................................. 42
Slika 6.3: Orodje, pripravljeno za ulivanje ................................................................................ 42
Slika 6.4: Priprava kompozitne plošče (ročna laminacija) ........................................................ 43
Slika 6.5: Nepopolno prepojena na levi in ustrezno prepojena kompozitna plošča na desni . 44
Slika 6.6: Kompozitne testne plošče ......................................................................................... 44
Slika 6.7: Razrez kompozitne plošče in obtežitev lepljenih vpenjalnih ploščic ........................ 45
Slika 7.1: Preizkušanec, vpet v preizkuševalnem stroju ........................................................... 46
Slika 7.2: Prikaz deformacijskega polja in graf pomikov v programskem paketu ARAMIS ...... 47
Slika 7.3: Napetost v odvisnosti od deformacije ...................................................................... 50
Slika 7.4: Prikaz zlomljenih preizušancev ................................................................................. 51
Slika 7.5: Napetost vzdolžnih in prečnih preizkušancev v odvisnosti od deformacije ............. 54
- IX -
Slika 7.6: Prikaz vlaken prečnega preizkušanca v programskem paketu Aramis ..................... 54
Slika 7.7: Napetost strižnih preizkušancev v odvisnosti od deformacije.................................. 55
Slika 7.8: Prikaz vlaken strižnega preizkušanca v programskem paketu Aramis...................... 56
Slika 7.9: Primerjalne lastnosti v primeru mate ....................................................................... 57
Slika 7.10: Primerjalne lastnosti v primeru tkanine ................................................................. 58
Slika 7.11: Prikaz vpetja in pomika ........................................................................................... 60
Slika 8.1: Vrste tlačnih posod za metan .................................................................................... 62
Slika 8.2: Tlačna posoda, vgrajena v avtomobil ........................................................................ 63
Slika 8.3: Dimenzije tlačne posode ........................................................................................... 64
Slika 8.4: Predpisovanje tlaka ................................................................................................... 66
Slika 8.5: Vpetje ........................................................................................................................ 66
Slika 8.6: Zamrežen element .................................................................................................... 67
Slika 8.7: Napetosti v tlačni posodi ........................................................................................... 67
Slika 8.8: Smer navijanja tlačne posode ................................................................................... 69
Slika 8.9: Razporejanje slojev v programskem paketu Abaqus ................................................ 70
Slika 8.10: Tsai-Hillov kriterij v odvisnosti od orientacije vlaken ............................................. 71
Slika 8.11: Rezultat numerične analize kompozitne tlačne posode ......................................... 71
Slika 8.12: Masa tlačnih posod ................................................................................................. 72
- X -
KAZALO PREGLEDNIC
Preglednica 3-1: Prednosti in slabosti postopka ročne laminacije .......................................... 10
Preglednica 3-2: Področje uporabe ročne laminacije .............................................................. 10
Preglednica 4-1: 6 neodvisnih komponent napetostnega tenzorja ......................................... 21
Preglednica 4-2: 6 neodvisnih komponent deformacijskega tenzorja ..................................... 21
Preglednica 4-3: Tehnični podatki ojačitvenega materiala ...................................................... 28
Preglednica 4-4: Tehnični podatki matrice ............................................................................... 28
Preglednica 4-5: Podatki o laminatih........................................................................................ 29
Preglednica 4-6: Lastnosti steklene mate, ojačane s polimerno smolo ................................... 29
Preglednica 4-7: Lastnosti steklene tkanine, ojačane s polimerno smolo ............................... 30
Preglednica 5-1: Standardi za preizkušanje kompozitih materialov ........................................ 32
Preglednica 5-2: Podatki preizkušancev ................................................................................... 36
Preglednica 5-3: Dimenzije preizkušancev ............................................................................... 37
Preglednica 5-4: Oznake porušitvenih modelov ...................................................................... 39
Preglednica 6-1: Okvirne razlike med RTM-tehnologijo in ročno laminacijo ........................... 40
Preglednica 7-1: Tehnični podatki steklene mate .................................................................... 48
Preglednica 7-2: Tehnični podatki polimerne smole ................................................................ 48
Preglednica 7-3: Tehnični podatki preizkušancev pri preverjanju vpliva tehnologije .............. 48
Preglednica 7-4: Rezultati nateznega prezkusa pri preverjanju vpliva tehnologije ................. 49
Preglednica 7-5: Razlike v materialnih podatkih med tehnologijama...................................... 49
Preglednica 7-6: Klasifikacija preizkušancev ............................................................................ 52
Preglednica 7-7: Tehnični podatki polimerne smole ................................................................ 52
Preglednica 7-8: Tehnični podatki preizkušancev za tkanino ................................................... 52
Preglednica 7-9: Rezultati nateznega preizkusa vzdolžnih in prečnih preizkušancev .............. 53
Preglednica 7-10: Primerjava rezultatov med vzdolžnimi in prečnimi preizkušanci ................ 53
Preglednica 7-11: Rezultati strižnih preizkušancev .................................................................. 55
Preglednica 7-12: Primerjane napetosti med eksperimentom in numeriko............................ 60
- XI -
UPORABLJENI SIMBOLI
𝑉𝑓 volumski delež vlaken
𝑉𝑚 volumski delež matrice
𝐸1 vzdolžni elastični modul
𝐸𝑓 elastični modul vlakna
𝐸𝑚 elastični modul matrice
𝐸2 prečni elastični modul
𝜂 korekcijski faktor
𝜁 empirični parameter z vrednostjo 2 za cilindrična in kvadratna vlakna
𝑣12 Poissonovo število kompozita
𝑣𝑓 Poissonovo št. vlakna
𝑣𝑚 Poissonovo št. matrice
𝐺12 strižni modul kompozita
𝐺𝑚 strižni modul matrice
𝐺𝑓 strižni modul vlakna
𝐹1𝑡 vzdolžna natezna trdnost kompozita
Fft natezna trdnost vlakna
𝜎�� napetost v matriki ob porušitvi
𝐹2𝑡 prečna natezna trdnost kompozita
ʌ220 empirični faktor
𝑡𝑡 prehodna debelina
𝐺𝐼𝑐 lomna žilavost
𝜎𝑆 strižna trdnost
ʌ440 empirični faktor
𝜀 ravninska deformacija
𝜎 ravninska napetost
γ interlaminarna deformacija
𝜏 interlaminarna napetost
- XII -
𝑆 skladnostna matrika
𝑆∗ interlaminarna skladnostna matrika
𝑄 togostna matrika
𝑄∗ interlaminarna togostna matrika
�� tranformirana togostna matrika
θ kot zasuka vlaken
𝐸𝑥 vzdolžni elastični modul laminata (CSM)
𝐸𝑦 prečni elastični modul laminata (CSM)
𝐺𝑥𝑦 strižni modul laminata (CSM)
𝑣𝑥𝑦 Poissonovo število laminata (CSM)
E elastični modul kompozita (CSM)
G strižni modul kompozita (CSM)
v Poissonovo število kompozita (CSM)
ρ gostota
mf masa ojačitve
mc masa matrice
A presek
𝑁𝜃 porazdeljena sila po obodu
𝑁Փ porazdeljena sila v vzdolžni smeri
𝛼 kot med silama
𝜎𝑢 natezna trdnost vlakna
- XIII -
UPORABLJENE KRATICE
RTM Resin Transfer Molding
RL Ročna laminacija
ROM Rule of mixture
CSM Chopped strand mat
ASTM American Society for Testing materials
ACI American Concrete Institute
ISO International Organization for Standardization
VP Vpenjalna ploščica
CNC Computer numerical control
KE Končni element
CAE Computer aided engineering
CNG Compressed natural gas
MKE Metoda končnih elementov
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Magistrsko delo
1
1 UVOD
1.1 Področje magistrske naloge
Materiali že skozi celotno zgodovino igrajo ključno vlogo v razvoju človeštva. Na to kaže že
poimenovanje nekaterih zgodovinskih dob, ki so dobile ime po takrat uporabljanih materialih.
Skupaj z materiali pa napreduje tudi tehnologija, ki nam je omogočila prehoditi dolgo pot od
dojemanja Zemlje kot ravne plošče pa vse do raziskovanja vesolja, ki je zastavilo nove mejnike
za človeštvo. Pomembnost materialov pa igra bistveno vlogo tudi v vsakodnevnem življenju,
kjer so optimiranje izdelkov, reduciranje stroškov in izboljšanje delovanja ključnega pomena
pri doseganju konkurenčnosti na že dokaj nasičenem in svetovno povezanem trgu. Pri tem si
v zadnjem času svojo pot vse bolj utrjujejo kompozitni materiali, ki so sestavljeni iz dveh ali
več različnih materialov, ki se med seboj kemijsko ne povezujejo. Omogočajo nam načrtovanje
optimalnih lastnosti in prilagajanje različnim obratovalnim pogojem.
Posebej je potrebno omeniti polimerne kompozite, ojačane z vlakni, ki so tudi predmet
raziskovanja v magistrski nalogi. Uporabljajo se v mnogih panogah, kjer zaradi svojih dobrih
lastnosti zamenjujejo tradicionalne materiale, kot sta aluminij in jeklo. Ker pa so kompozitni
materiali sestavljeni iz vsaj dveh različnih materialov, je poznavanje in načrtovanje njihovih
lastnosti dokaj zahtevno. Lastnosti se lahko raziskujejo analitično z matematičnimi modeli, ki
so jih v ta namen razvili v zadnjih letih in dajejo sprejemljive rezultate, ali pa z
eksperimentalnimi preizkusi, ki jih izvedemo na standardnih preizkušancih.
V podjetju Veplas, d. d., ki je eno izmed vodilnih na področju kompozitnih materialov v
Sloveniji, je bilo preverjeno obnašanje materialov, ki so izdelani iz dveh različnih vrst
ojačitvene faze in dveh različnih tehnologij izdelave.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Magistrsko delo
2
1.2 Cilji magistrskega dela
V podjetju Veplas, d. d., si prizadevajo za širitev lastnega razvoja, ki ga je potrebno podkrepiti
s poznavanjem materialov, katerih raziskovanje je zaradi kompleksnosti in analize še danes
veliko neraziskano področje. Kljub dostopnim rezultatom različnih raziskav na tem področju je
mogoče opaziti veliko razpršenost podatkov, kar otežuje konstruiranje in izdelavo novih
kompozitnih izdelkov.
V magistrski nalogi je glavni cilj vzpostaviti zagon raziskovanja kompozitnih materialov, ki
zajema izbiro ustreznega standarda ter razumevanje analitičnega pristopa, ki je prehodni
korak pred eksperimentalnimi preizkusi. Cilj naloge je tudi ustvariti bazo podatkov materialov,
ki se največ uporabljajo, ter preveriti, kako na lastnosti materiala vpliva tehnologija izdelave
in tip ojačitvene faze.
Ker se lastnosti materialov s spreminjanjem deležev in drugih faktorjev hitro spreminjajo in
ker izvajanje eksperimentalnih preizkusov ni vedno izvedljivo, je velikokrat edina rešitev
analitični pristop, ki pa mu ne moremo vedno zaupati. V nalogi je zato predstavljen analitični
pristop določitve materialnih podatkov na mikroskopskem in makroskopskem nivoju, ki je tudi
primerjan z rezultati eksperimenta, s katerimi želimo preveriti, ali lahko zaupamo tem
analitičnim rezultatom pri razvoju novih materialov in izdelkov.
Ker so pridobljeni rezultati poleg razumevanja vpliva tehnologije, orientiranosti vlaken in
drugih faktorjev namenjeni tudi za uporabo v numeričnem okolju, so v programskem paketu
Simulia Abaqus simulirani identični natezni preizkusi, s katerim želimo analizirati obnašanje
materialov z numeričnimi simulacijami po metodi končnih elementov (KE). V magistrski nalogi
je poleg nateznih preizkusov opravljena tudi numerična analiza tlačne posode, kjer je
primerjana ustreznost kovinskega in kompozitnega tipa.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Magistrsko delo
3
2 POLIMERNI KOMPOZITNI MATERIALI
Kompozitni materiali [3], ki so danes vse bolj prisotni v industriji, se v grobem delijo glede na
vrsto uporabljene matrice, in sicer na:
− Kovinske kompozite, ki imajo običajno visoko trdnost in žilavost. Večje module elastičnosti oz. togost dosegamo z utrjevanjem z vlakni, ki imajo tudi zelo nizko gostoto.
− Keramične kompozite, ki imajo prav tako visoko trdnost, a so zelo krhki. Njihove prednosti se kažejo v odpornosti na toplotne in mehanske šoke, zaradi katerih se uporabljajo v primerih, ko želimo izboljšati lomno in temperaturno stabilnost.
− Polimerne kompozitne materiale, ki imajo v primerjavi z ostalimi najmanjšo trdnost in
elastični modul, so pa zelo lahki in odporni proti kemikalijam in vodi.
V magistrski nalogi se bomo osredotočili na polimerne kompozitne materiale, ki so danes že
dobro uveljavljeni tehnični materiali in zavzemajo posebno mesto med kompoziti, ki jim poleg
utrjevalne faze in matrice dodajamo še polnila, pospešilce in zaščitne sloje, s katerimi
pospešimo hitrost strjevanja matrice, izboljšamo površinsko kakovost in zmanjšamo stroške
procesa.
Najpogosteje se uporabljajo v vesoljski, avtomobilski, pomorski in gradbeni industriji ter v
športu in pri izdelavi neprebojnih jopičev. Imajo odlično razmerje med togostjo in maso, kar
pomeni, da so nekateri kompoziti močnejši od aluminija in le malo šibkejši od jekla, hkrati pa
so lažji od obeh primerjanih materialov. Poleg dobrega razmerja med trdnostjo in maso, ki je
ena najpomembnejših lastnosti, je kompozitne materiale mogoče oblikovati v zahtevne
neprekinjene oblike z možnostjo spreminjanja debeline posameznih delov glede na trdnostne
potrebe.
Kot pri vsaki stvari se tudi pri kompozitnih materialih pojavljajo slabosti, ki se kažejo v ceni,
slabšem prenašanju tlačne in prečne obremenitve ter procesu proizvodnje, ki je pogojen s
časom strjevanja matrice in je razmeroma mnogo daljši kot npr. proces preoblikovanja
pločevine.
Kompozitni material sestavljajo ojačitvena faza, ki največ doprinese k dobrim mehanskim
lastnostim, ter matrica, ki povezuje ojačitve, porazdeljuje obremenitve in ščiti material pred
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Magistrsko delo
4
zunanjimi vplivi. Lastnosti takšnega umetnega materiala so odvisne od izbire materialov
posameznih faz, orientacije, prostorninskega deleža, interakcije komponent …
2.1 Ojačitvena faza
Za konstrukcijske namene je najprimernejša oblika ojačitvenega materiala vlakno, ki najbolje
pripomore k nosilnosti v smeri vlakna. Po obliki jih lahko razvrstimo v dve skupini. Kontinuirna
oz. neprekinjena vlakna, primerna za nosilne elemente, ter krajša in naključno orientirana
vlakna za manj nosilne elemente. Vlakna so lahko narejena iz različnih materialov in ker je
končna lastnost kompozitnega materiala odvisna predvsem od izbire vlaken, je zato potrebno
poznavanje materialov, iz katerih so vlakna izdelana, in njihovih lastnosti.
Najbolj prisotna vlakna pri izdelavi kompozitnih materialov so steklena, ogljikova in aramidna
vlakna, ki se pojavljajo v različnih izvedbah. Posamezna vlakna se zaradi težavnosti rokovanja
in potrate časa redko uporabljajo v industrijskih aplikacijah, bolj pogosta je uporaba položenih
in prepletenih oblik v tkanine. Njihove lastnosti pa so pogojene z načinom združevanja in
urejenostjo vlaken [8].
ARAMIDNA VLAKNA
Znana so tudi pod imenom kevlar. Sestavljena so iz aromatičnih poliamidov, ki jih odlikujejo
visoka specifična trdnost, žilavost in velika sposobnost absorbiranja energije, zaradi česar se
uporabljajo za izdelavo neprebojnih zaščitnih telovnikov, čelad in blažilcev v avtomobilih.
Zaradi kombinacije relativno visoke cene, visoke absorpcije vlage, nizke temperature taljenja
in relativno slabe tlačne mehanske lastnosti so postala manj priljubljena za uporabo v drugih
inženirskih aplikacijah. So rumene barve in imajo v primerjavi z ogljikovimi in steklenimi vlakni
slabšo sprijemno sposobnost z matrico, moč pa je opaziti tudi povečano lezenje [10].
Slika 2.1: Aramidna vlakna [8]
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Magistrsko delo
5
STEKLENA VLAKNA
Steklena vlakna so v primerjavi z ostalimi vlakni zaradi nizke cene men najbolj uporabljanimi.
Na voljo je veliko vrst steklenih vlaken, ki se med sabo razlikujejo po kemični sestavi.
Ločimo jih v tri osnovne kategorije:
− E- dobra električna izolativnost
− C- boljšo odpornost na kemijsko korozijo
− S- večja vsebnost silicija, odpornejše na visoke temperature
V praksi je zaradi cene med najbolj zastopanimi E-steklo, ki je približno štirikrat nižja od S-
stekla. V primerjavi z ogljikovimi in aramidnimi vlakni pa imajo steklena vlakna nižjo trdnost in
modul elastičnosti. Uporabljamo jih na vseh področjih industrije (avtomobilska, letalska,
gradbena, športna ...). Slabost se kaže v relaksacija pod dolgotrajno obteženostjo in najnižjo
nosilnosti med zgoraj navedenimi vlakni [10].
Slika 2.2: Steklena vlakna [8]
OGLJIKOVA VLAKNA
So umetna vlakna z zelo visokim modulom elastičnosti. Dobiti jih je možno v različnih
kvalitetah in so za razliko od steklenih in aramidnih vlaken zelo odporna na povišane
temperature. Različne kvalitete, ki so na voljo, so odvisne od proizvodnega procesa in čistosti
vlaken. V primerjavi s steklenimi vlakni imajo višji modul elastičnosti, natezno in tlačno
trdnost, odpornost na korozijo ter nižjo gostoto. Slabost se kaže v nizki odpornosti na udarce,
krhkosti in visoki ceni, ki je omejila uporabo ogljikovih vlaken na specialne konstrukcije, ki se
pojavljajo v letalski in avtomobilski industriji [10].
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Magistrsko delo
6
Slika 2.3: Ogljikova vlakna [8]
2.2 MATRICA oz. OSNOVA
Vlakna ne morejo prenašati obremenitve z enega vlakna na drugega, zato je potrebna matrica,
ki vlakna poveže in porazdeli napetosti. Uporaba matrice je odvisna od temperature strjevanja
in temperature taljenja, viskoznosti, združljivosti z vlakni. Vez med vlaknom in matrico mora
biti zelo dobra, zato mora biti matrica takšna, da je sposobna razviti dobro povezanost in ne
sme vplivati na strukturo vlakna. Matrice v polimernih kompozitnih materialih imenujemo tudi
polimerne smole ali samo polimeri in jih ločimo glede na odziv na toploto na termoplaste in
termosete.
Slika 2.4: Prikaz ojačitvenega vlakna in matrice v kompozitu
Zaradi potreb magistrske naloge so v nadaljevanju opisane termosetne smole, ki se vežejo
skupaj s katalizatorjem, s katerim so podvržene nepovratni kemični reakciji, pri kateri se tvori
trd in netaljiv produkt. Pri povišanih temperaturah se smola tako ne stopi, se pa njene
mehanske lastnosti nad določeno temperaturo močno spremenijo, struktura preide iz toge
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Magistrsko delo
7
kristalne v fleksibilnejšo amorfno strukturo. To temperaturo imenujemo temperatura
steklastega prehoda Tg in je odvisna od uporabljene smole, stopnje strjenosti in pravilnosti
mešanja.
Predstavniki termosetnih smol so poliester, epoksi in vinilester.
POLIESTRSKA SMOLA
Je najpogosteje uporabljen tip smole pri ojačitvah s steklenimi vlakni. Je krhka in povzroča
krčenje tudi do 8 % med strjevanjem, zato se ji običajno dodajajo polnila, kot je kalcijev
karbonat, ki zmanjša stroške in reducira krčenje. V kompozitni industriji se uporabljata dve
vrsti poliestrskih smol: ortoftalna ter dražja izoftalna, ki se zaradi dobre vodne odpornosti
uporablja v pomorstvu. Poliestrne smole so večinoma viskozne in sestavljene iz raztopine
poliestra in monomera, običajno stiren, ki omogoča tudi lažje ravnanje, saj zmanjšuje
viskoznost in omogoča strjevanje smole iz tekočega stanja v trdno. Zaradi omejenega časa
shranjevanja se med produkcijo smol dodajajo zaviralci, ki upočasnijo mreženje.
VINILESTRSKA SMOLA
Podobna je poliestrski smoli, vendar je močnejša in odpornejša na vodo in druge kemikalije.
Uporablja se lahko pri povišanih temperaturah, saj se trdnost in togost skoraj ne spremenita.
Zaradi dobre vodne odpornosti se uporablja v ladjedelništvu.
EPOKSIVNA SMOLA
Glavni razlogi za uporabo epoksivne smole so dobra vezljivost z vlakni, kemična in toplotna
odpornost, mehanske lastnosti ter izredna elektroizolacijska sposobnost. Predstavlja eno
izmed najzmogljivejših in najdražjih smol na tržišču. Prav zaradi dobrih lastnosti se največ
uporablja v letalski industriji in ladjedelništvu. Za razliko od poliestrskih smol imajo boljšo
dimenzijsko odpornost in manjše krčenje, za strjevanje pa se namesto katalizatorja uporablja
trdilo, navadno amin.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Magistrsko delo
8
3 TEHNOLOGIJA IZDELAVE
Izbira tehnologije izdelave je odvisna od tipa matrice in ojačitve, potrebne temperature za
strjevanje matrice in tudi stroškovne učinkovitosti. Pogosto je izbira postopka izdelave
ključnega pomena pri konstruiranju kompozitnega izdelka, pri katerem upoštevamo obseg
izdelave, ceno, željene lastnosti, natančnost … Ker ima vsak postopek določene omejitve pri
konstruiranju izdelkov, je za inženirja potrebno poznavanje različnih tehnologij, njihovih
prednosti in slabosti, stroškov, učinkovitosti itd. Za načrtovanje izdelka in njegovega obnašanja
pod obremenitvami je torej potrebno poznavanje obnašanja materiala pri različnih postopkih
izdelave [4].
Kljub različnim tehnologijam izdelave je zaporedje priprave materiala vsem enaka:
− postavitev ojačitev v željeno smer,
− impregnacija vlaken s smolo,
− odstranitev odvečne smole, zračnih mehurčkov in hlapljivih snovi,
− strjevanje smole oz. matice,
− odstranitev iz modela,
− končna obdelava (npr. obrezovanje).
Pri nekaterih tehnologijah izdelave so določeni postopki združeni ali pa opravljeni predčasno,
kot je na primer prepreg, ki je že impregniran ojačitveni material pred uporabo. Na ceno
izdelka kompozitnega materiala tako poleg izbire tehnologije vpliva tudi priprava materiala.
V podjetju Veplas, d. d., obvladujejo številne tehnologije, med katerimi sta zaradi obsega
naloge in stroškov izpostavljena samo ročna laminacija in RTM.
3.1 Ročna laminacija (Hand Lay-up)
Gre za najenostavnejši in najbolj uporaben postopek, ki zajema ročno polaganje suhih ojačitev,
ki se jih kasneje impregnira z matrico oz. smolo. Kompozit se nato zvalja z valjčki, da se
odstranijo zračni mehurčki. Postopek se ponavlja, dokler ne dosežemo željene debeline. Na
koncu se material pusti, da se matica, ki povezuje ojačitve, strdi [3].
Ročno laminacijo lahko razdelimo v 4 osnovne korake:
- priprava modela,
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Magistrsko delo
9
- prevleka gelcoata, - polaganje ojačitev, - strjevanje.
Slika 3.1: Ročna laminacija
Priprava modela je najzahtevnejši korak pri pripravi materiala. Glede na število izdelkov,
temperature strjevanja, tlaka itd. je lahko izdelan iz lesa, plastike ali kovine. Modeli za velike
serije so izdelani iz kovine, medtem ko so za manjše serije leseni in še manjše kompozitni.
Model je sestavljen iz dveh delov, in sicer ženskega in moškega˝. Na model se najprej namaže
odstranitveni sloj, ki služi za lažjo odstranitev končnega izdelka iz modela. Uporabljajo se
vosek, alkohol, silikonski premazi … Prevleka z gelcotom služi za fino površino izdelka.
Zaključna koraka sta polaganje ojačitev in strjevanje matice. Ojačitveni material je lahko v
obliki mate, tkanin, plaščev … Izmerjena količina smole in katalizatorjev je zmešana in
nanešena na ojačitve. Z valjanjem se odstranijo zračni mehurčki in odvečna smola. Strjevanje
matrice in kasnejše odstranitev končnega produkta iz modela potekata pri sobni temperaturi.
Stroški so odvisni od :
− uporabljenega ojačitvenega materiala in matrice,
− oblike izdelka,
− serije izdelkov zaradi priprave modela velike serije – kvalitetnejši model, večje število modelov, več delavcev, več orodja
− stroškov dela
− zahtevane visoke kakovost – usposobljen delovni kader
− zahtevane srednje kakovosti – cenejši delovni kader
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Magistrsko delo
10
Preglednica 3-1: Prednosti in slabosti postopka ročne laminacije
+ -
veliki kosi s kompleksnimi oblikami samo ena površina je gladka
majhni stroški opreme kakovost odvisna od usposobljenosti delavca
majhni stroški orodja intenzivno delo
možnost uporabe ˝sendvič˝ strukture nizka produktivnost
lahko nanašanje ojačitev visoke emisije hlapljivih snovi
lahko zagotavljanje visoke kakovosti težko zagotavljanje enotnosti izdelkov
strjevalne peči niso potrebne čas strjevanja matrice zelo dolg
Preglednica 3-2: Področje uporabe ročne laminacije
ladjedelstvo ladje, bazeni, cisterne
letalstvo šobe raketnih motorjev in ostali deli letal
gradbeništvo filtri za peči, konstrukcijske podpore, cevi
splošno deli za kolesa in avtomobile
3.2 RTM (Resin Transfer Molding)
Pri tem postopku se uporablja kalup (orodje) s kanali za vstop in pretok smole ter kanali, ki
omogočajo izstop zraku. Suhe ojačitve se postavijo v kalup, ki se nato zapre. Tekoča smola se
spusti skozi kanale, ki jih napolni, in namoči ojačitve. Odprtine za vstop in izstop se po
napolnitvi zapečatijo, kalup se nato zapre in po potrebi tudi segreje, da se smola strdi. Ko se
smola strdi, se kalup odpre in iz njega se nato odstrani kompozitni izdelek.
Z RTM-postopkom je mogoče izvesti kompleksne geometrije izdelka v relativno kratkem času.
Od drugih postopkov se razlikuje v tem, da so ojačitve zložene, še preden se doda smola, to
pa omogoča dober nadzor nad orientacijo vlaken. Prav tako je ta postopek čistejši, z manj
hlapljivih snovi in manj nagnjen k nepravilnostim.
Problem se pojavi pri enakomernosti izdelka, saj je težko nadzorovati enakomerno
porazdeljenost snovi skozi kompozit, prav tako pa so robovi bogatejši s smolo kot ostali del
kompozita.
Načrtovanje kalupa je zelo pomembno in zahteva usposobljen kader. Pri načrtovanju imamo
najbolj v mislih zasnovo oblike in lokacijo kanalov za vstop in izstop smole, za katere so v
današnjem času razviti tudi računalniški programi, ki omogoča lažjo in natančnejšo
konstruiranje kalupov.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Magistrsko delo
11
Debelina izdelkov je omejena na 12 mm. Tolerance izdelka je težko nadzorovati, dosežemo
lahko samo ± 0,2 mm. Stopnja proizvodnje je odvisna od tipa in velikosti izdelka.
Pri izdelavi enakega izdelka s postopkom RTM in postopkom oblikovanja z vrečko in
vakuumom je cena za RTM-postopek v razmerju 1 : 3. V primerjavi z ročno laminacijo, skupaj
z upoštevanjem materiala, opreme, orodij, delovne sile, je za 20 % cenejši, v primerjavi z
avtoklavom pa tudi za 70 % cenejši.
Zaradi dobe ekonomičnosti se je uporaba postopka RTM v zadnjem času znatno povečala [3].
Slika 3.2: RTM
3.3 Izdelava RTM-orodja
Za pripravo preizkušancev je izdelano orodje, ki bo služilo tudi za nadaljnje raziskovanje
kompozitnih materialov. Orodje je bilo narisano v programskem paketu Catia V5-R20, v
katerem se je izdelala tudi tehniška dokumentacija, po kateri se je kasneje v modelarni oz.
prototipni delavnici, izdelalo orodje.
V splošnem se za izdelavo RTM-orodij vse začne pri pripravi modela, ki je točna predstavitev
končnega kompozitnega izdelka. Modeli so lahko narejeni ročno ali pri kompleksnejših oblikah
na CNC-rezkalnih strojih. Izdelujejo se iz cenejših materialov, kot so stiropor, iverna plošča,
steklena volna … Priprava modela je zelo pomembna, saj se v primeru prisotnosti določenih
nepopolnosti vse prenese na orodje in posledično na končni izdelek.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Magistrsko delo
12
Pri izdelavi orodja sem upošteval naslednje smernice:
− Ker mora orodje med procesom prenesti določene napetosti, je zahtevana
določena teža, ki je prav tako pomemba pri izdelavi ravnih plošč, saj se med
procesom strjevanja zaradi notranjih napetosti plošče ukrivijo. V ta namen se
orodje izdela iz kovine ali pa se ojača z ojačitvami.
− V orodju mora biti predviden prostor za ojačitve.
− Ostri robovi niso zaželeni.
− Koti površin so odprti v smeri snemanja izdelka.
− Debelina plošče je določena z oddaljenostjo zgornjega in spodnjega dela
orodja.
− Orodje mora imeti luknje in kanale za pritok in pretok smole ter luknje za
vakuum in iztek odvečne smole.
− Za uhajanje smole se morajo vstaviti tesnila v za to namenjene utore v orodju.
− Za pravilno pozicioniranje zgornjega in spodnjega dela orodja je potrebno
vstaviti centrirne elemente.
Dimenzije orodja sem določil glede na število preizkušancev, ki sem jih potreboval za natezne
preizkuse. Število je podano s standardom in znaša pet preizkušancev na preizkus, ki se morajo
zlomiti v območju merilne dolžine. Ker pa se porušitev ponavadi zaradi različnih vzrokov pojavi
izven merilnega območja, preizkušanci niso primerni za analizo, sem pri izdelavi upošteval
rezervo in predvidel 10 preizkušancev za vzdolžne in 10 za prečne preizkušance. Dimenzija
plošče, iz katere je bilo mogoče izrezati 20 preizkušancev, je bila 460 x 335 x 2 mm. Iz
dimenzijsko enake plošče je bil v primeru strižnih preizkušancev mogoč razrez desetih kosov.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Magistrsko delo
13
Slika 3.3: Načrti razreza kompozitnih plošč, levi vzdolžni in prečni, desno strižni preizkušanci
Orodje je izdelano v dveh delih, in sicer iz zgornjega in spodnjega dela, med katerima je zaradi
zahteve po določeni debelini plošče vstavljena 2 mm debela distanca iz aluminija
(slika 3.2, št. 1).
Glede na sliko 3.2 so s številkami označeni še ostali dodatni elementi orodja:
2 – zaradi možnosti ukrivljanja je orodje ojačano s kovinskimi profili,
3 – štirje ročaji, ki služijo za odpiranje in zapiranje orodja,
4 – vložki za pritrdilne elemente (slika 3.3),
5 – tesnilo za preprečevanje uhajanja smole (matrice),
6 – gumijasti priključek, skozi katerega vstopa smola (na vsaki strani en),
7 – gumijasti priključek za vakuum
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Magistrsko delo
14
Slika 3.4: CAD-model RTM-orodja
Slika 3.5: RTM-orodje, pripravljeno za ulivanje
1
2
3
4
5
6
7
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Magistrsko delo
15
4 ANALITIČNI PRISTOP PRIDOBIVANJA MATERIALNIH LASTNOSTI
Načrtovanje lastnosti kompozitnega materiala zajema vse odločitve, potrebne za izdelavo,
uporabo in vzdrževanje materialov, ter obravnavanje kot kasnejši odpadek. Vse se začne pri
določanju potrebe in izbiri primernih materialov za potrebne inženirske aplikacije. Sledi
analitična analiza materialov, ki poda prve rezultate, s katerimi lahko nadaljujemo razvoj
izdelkov. Končne materiale glede na možnosti in zahteve kupcev preverimo še
eksperimentalno.
Kompozitni materiali so, kot je bilo navedeno v prejšnjih poglavjih, sestavljeni iz dveh ali več
materialov, ki se kemično in fizikalno razlikujejo drug od drugega. Konstruiranje kompozitnih
komponent tako zahteva načrtovanje strukture konstrukcije ter konstrukcije materiala, saj mu
lahko glede na potrebe in območja delovanja predpisujemo različne deleže, različne
orientacije, različne tehnologije … S poznavanjem lastnosti posameznih materialov, vgrajenih
v kompozitni material, lahko na analitični način določimo lastnosti materiala. Dobimo lahko
zanesljive rezultate za določanje elastičnih in strižnih modulov, pri določanju napetosti pa je
potrebno rezultate obravnavati z rezervo.
Obstajata dva načina analiziranja kompozitnih materialov. Mikroskopski pristop, ki obravnava
material kot homogen, ter makroskopski pristop, ki material obravnava kot laminat. Prvi korak
pridobivanja materialnih lastnosti je uporaba zakona mešanja (ROM) na nivoju
mikromehanike, kjer obravnavamo material glede na volumske deleže ojačitvene faze in
matrice ter kasneje na nivoju makromehanike z upoštevanjem teorije laminatov določimo
lastnosti poljubnega laminata [1].
4.1 Mikromehanski pristop določanja materialnih podatkov
Mikromehanski pristop določanja materialnih lastnosti kompozitnega materiala upošteva
interakcijo med vlakni in matrico ter omogoča konstrukterju, da heterogeni material
obravnava kot homogeni ali anizotropni material. Določimo lahko togostne lastnosti z dobro
natančnostjo ter z malo manjšo natančnostjo tudi trdnostne lastnosti. Kompozitni materiali se
načrtujejo vzporedno s konstrukcijo in omogočajo, da se za potrebe obratovanja prilagajajo
vrste vlaken, deleži, orientacije [1] …
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Magistrsko delo
16
Slika 4.1: Mikromehanski pristop, a - heterogeni material, b - homogeni material
Lastnosti kompozita se kontrolirajo z volumskim deležem ojačitev in matrice.
𝑉𝑓 =𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑣𝑙𝑎𝑘𝑒𝑛
𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑘𝑜𝑚𝑝𝑜𝑧𝑖𝑡𝑎 (4.1)
𝑉𝑚 =𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑚𝑎𝑡𝑟𝑖𝑐𝑒
𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑘𝑜𝑚𝑝𝑜𝑧𝑖𝑡𝑎 (4.2)
𝑉𝑓 + 𝑉𝑚 = 1 (4.3)
𝑉𝑓 [/] - volumski delež vlaken
𝑉𝑚 [/] - volumski delež matrice
Z upoštevanjem zakona mešanja (ROM) lahko dokaj natančno določimo vzdolžni elastični
modul kompozitnega materiala ob predpostavki, da je vez med vlaknom in ojačitvijo popolna
in da so tako deformacije v kompozitu enake za vlakna in matrico, s čimer določimo, da je
material homogen.
𝐸1 = 𝐸𝑓𝑉𝑓 + 𝐸𝑚𝑉𝑚 (4.4)
𝐸1 [𝑀𝑃𝑎] - vzdolžni elastični modul
𝐸𝑓 [𝑀𝑃𝑎] - elastični modul vlakna
𝐸𝑚 [𝑀𝑃𝑎] - elastični modul matrice
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Magistrsko delo
17
V primeru prečnega elastičnega modula bi lahko za določitev vrednosti prav tako uporabili
ROM, a so ti rezultati nezanesljivi, saj je v tem primeru vrednost elastičnega modula pogojena
z razmerjem med matrico in vlaknom, kjer prevladuje matrica. Zato v ta namen uporabimo
empirično enačbo Hapin-Tsai, ki nam poda zanesljivejše rezultate.
𝐸2 = 𝐸𝑚 [1+𝜁𝜂𝑉𝑓
1−𝜂𝑉𝑓] (4.5)
𝜂 =(𝐸𝑓/𝐸𝑚)−1
(𝐸𝑓/𝐸𝑚)/+𝜁 (4.6)
𝐸2 [𝑀𝑃𝑎] - prečni elastični modul
𝜂 [/] - korekcijski faktor
𝜁 - empirični parameter z vrednostjo 2 za cilindrična in kvadratna vlakna
Podobno kot v primeru vzdolžnega elastičnega modula lahko z uporabo ROM določimo tudi
Poissonovo število in strižni modul.
𝑣12 = 𝑣𝑓𝑉𝑓 + 𝑣𝑚𝑉𝑚 (4.7)
𝑣12 - Poissonovo število
𝑣𝑓 - Poissonovo št. za vlakno
𝑣𝑚 - Poissonovo št. za matrico
𝐺12 =𝐺𝑚
𝑉𝑚+𝑉𝑓𝐺𝑚/𝐺𝑓 (4.8)
𝐺12 [𝑀𝑃𝑎] - strižni modul kompozita
𝐺𝑚 [MPa] - strižni modul matrice
𝐺𝑓 [𝑀𝑃𝑎] - strižni modul vlakna
Natezno trdnost določamo ob naslednjih predpostavkah:
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Magistrsko delo
18
− vsa ojačitvena vlakna imajo enako natezno trdnost
− ojačitveno vlakno in matrica se do porušitve obnašata linearno
− vlakna imajo višjo togost kot matrica
Slika 4.2: Trdnost v odvisnosti od deformacije pri vlaknu in matrici
Ob teh predpostavkah se kompozitni material poruši, ko napetost doseže vrednost Fft. Ko
vlakno popusti, matrica sama ni zmožna prenašati obremenitve.
Natezna trdnost je tako kontrolirana z natezno trdnostjo vlakna in je določena po naslednji
enačbi:
𝐹1𝑡 = 𝐹𝑓𝑡𝑉𝑓 + 𝜎��(1 − 𝑉𝑓) (4.9)
𝜎�� = 𝐹𝑓𝑡𝐸𝑚
𝐸𝑓 (4.10)
𝐹1𝑡 [𝑀𝑃𝑎] - vzdolžna natezna trdnost kompozita
Fft [MPa] - natezna trdnost vlakna
𝜎�� [MPa] - napetost v matrici ob porušitvi
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Magistrsko delo
19
Prečna porušitev kompozitnega materiala nastopi, ko pravokotna razpoka napreduje skozi
material in razsloji laminat. Prečno natezno trdost določimo po enačbi
𝐹2𝑡 = √𝐺𝐼𝑐
1,222𝜋(𝑡𝑡/4)ʌ220 (4.11)
ʌ220 = 2(
1
𝐸2−
𝑣122𝐸2
2
𝐸13 ) (4.12)
𝐹2𝑡 [MPa] - prečna natezna trdnost kompozita
ʌ220 [/] - empirični faktor
𝑡𝑡 [mm] - prehodna debelina
𝐺𝐼𝑐 [J/m2] - lomna žilavost
Ob napredovanju pravokotne razpoke nastopi strižna porušitev.
𝜎𝑆 = √𝐺𝐼𝐼2
𝜋(𝑡𝑡4)ʌ44
0 (4.13)
ʌ440 =
1
𝐺12 (4.14)
𝜎𝑆 [MPa] - strižna trdnost
ʌ440 [/] - empirični faktor
4.2 Makromehanski pristop določanja materialnih lastnosti
Pri tem pristopu je potrebno poznavanje koordinatnega sistema, na katerem so osnovane vse
enačbe za določanje lastnosti. Pri načrtovanju kompozitnih materialov poznamo dva
koordinatna sistema (slika 4.2). Prvi, materialni KS, definiran s številkami 1, 2, 3 (1 – smer
vlaken, 2 – pravokotno na 1 in na ravnino materiala, 3 – pravokotno na ravnino 1-2) in KS
laminata, definiran s črkami x, y, z [1].
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Magistrsko delo
20
Slika 4.3: Materialni in laminatni KS
Napetosti in deformacije
Poleg koordinatnih sistemov je pomembno poznavanje napetosti in deformacij, ki se
pojavljajo v kompozitnem materialu zaradi zunanjih obremenitev.
Napetosti bomo obravnavali s pomočjo Cauchyevega tenzorja napetosti, kjer velja, da je
napetost v poljubni točki v telesu, za katerega predpostavimo, da je kontinuum, popolnoma
določena z devetimi komponentami simetričnega tenzorja, z drugim imenom znanega tudi kot
kartezični napetostni tenzor [5].
𝜎 = [
𝜎11 𝜎12 𝜎13
𝜎21 𝜎22 𝜎23
𝜎31 𝜎32 𝜎33
] = [
𝜎𝑥𝑥 𝜎𝑥𝑦 𝜎𝑥𝑧
𝜎𝑦𝑥 𝜎𝑦𝑦 𝜎𝑦𝑧
𝜎𝑧𝑥 𝜎𝑧𝑦 𝜎𝑧𝑧
] (4.15)
Za vsako komponento napetostnega tenzorja prvi indeks označuje smer normale prereza,
drugi indeks pa smer komponente vektorja.
Slika 4.4: Cauchyev napetostni tenzor
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Magistrsko delo
21
Ker se v statičnem ravnovesju navori izenačijo, velja, da je matrika simetrična, saj so napetosti
𝜎13 = 𝜎31, 𝜎12 = 𝜎21, 𝜎23 = 𝜎32. V tem primeru lahko napetost določimo s tremi normalnimi
in tremi strižnimi napetostmi, ki jih bomo zaradi lažjega razumevanja enačb v nadaljevanju
označevali, kot je prikazano v preglednici.
Preglednica 4-1: 6 neodvisnih komponent napetostnega tenzorja
Tenzor Dogovor
𝜎11 𝜎1
𝜎22 𝜎2
𝜎33 𝜎3
𝜎23 𝜎4
𝜎31 𝜎5
𝜎21 𝜎6
Deformacije lahko prav tako opišemo z devetimi komponentami, ki sestavljajo tenzor majhnih
deformacij.
𝜀 = [
𝜀𝑥𝑥 𝜀𝑥𝑦 𝜀𝑥𝑧
𝜀𝑦𝑥 𝜀𝑦𝑦 𝜀𝑦𝑧
𝜀𝑧𝑥 𝜀𝑧𝑦 𝜀𝑧𝑧
] = [
𝜀11 𝛾12 𝛾13
𝛾21 𝜀22 𝛾23
𝛾31 𝛾32 𝜀33
] (4.16)
Podobno kot napetosti lahko zaradi simetričnosti tudi deformacije zapišemo s samo šestimi
komponentami, ki smo jih prav tako zaradi lažjega razumevanja enačb označili, kot je
prikazano v preglednici.
Preglednica 4-2: 6 neodvisnih komponent deformacijskega tenzorja
Tenzor Dogovor
𝜀11 𝜀1
𝜀22 𝜀2
𝜀33 𝜀3
𝛾23 𝛾4
𝛾13 𝛾5
𝛾12 𝛾6
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Magistrsko delo
22
Razmerje med napetostjo in deformacijo
Kompozitni materiali se pojavljajo v oblikah plošč, ki jih lahko pri analiziranju obravnavamo
kot lupine, ki imajo dve dimenziji (širino in dolžino), ki sta mnogo večji kot tretja (debelina). V
tem primeru je mogoče upoštevati, da je napetost 𝜎3 = 0. V tem primeru je lastnosti materiala
mogoče preprosto pridobiti z upodobitvijo preizkusa, kjer natezno obremenimo material v
smeri vlaken, kjer so napetosti 𝜎2 = 𝜎6 = 𝜎4 = 𝜎5 = 0.
Slika 4.5: a) vzdolžni natezni preizkus, b) prečni natezni preizkus
Deformacijo, ki se pojavi, lahko zapišemo v obliki
𝜀1 =𝜎1
𝐸1 (4.17)
Enako ponovimo z obremenitvijo v prečni smeri, kjer so napetosti 𝜎1 = 𝜎6 = 𝜎4 = 𝜎5 = 0.
Deformacijo zapišemo z upoštevanjem definicije Poissonovega števila 𝑣𝑖𝑗 = −𝜀𝑗/𝜀𝑖, kjer je 𝜀𝑖
deformacija v smeri obremenjevanja materiala in 𝜀𝑗 v pravokotni smeri.
Po kratki izpeljavi dobimo končno deformacijo v vzdolžni (𝜀1) in prečni smeri (𝜀2).
𝜀1 =1
𝐸1𝜎1 −
𝑣21
𝐸2𝜎2 (4.18)
𝜀2 = −𝑣12
𝐸1𝜎1 +
1
𝐸2𝜎2 (4.19)
Strižni pogoji so prevzeti neposredno iz Hookovega zakona:
𝜎6 = 𝐺12γ6 (4.20)
𝜎4 = 𝐺23γ4 (4.21)
𝜎5 = 𝐺13γ5 = 𝐺12γ5 (4.22)
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Magistrsko delo
23
Takšen material imenujemo tranverzno izotropni material, ki ga v primeru, če so napetosti
𝜎33 = 𝜎23 = 𝜎31 = 0 in potrebujemo samo 4 materialne podatke (𝐸1, 𝐸2, 𝐺12, 𝑣12) , v
matrični obliki zapišemo na naslednji način:
{
𝜀1
𝜀2
γ6
} = [
1/𝐸1 −𝑣21/𝐸2 0−𝑣12/𝐸1 1/𝐸2 0
0 0 1/𝐺12
] {
𝜎1
𝜎2
𝜎6
} (4.23)
Če pa so napetosti 𝜎33 = 0 in 𝜎23 = 𝜎31 ≠ 0 , potrebujemo še dodatni strižni modul 𝐺23.
{γ4γ5
} = [1/𝐺23 0
0 1/𝐺13] {
𝜎4
𝜎5} (4.24)
To lahko zapišemo v naslednji obliki:
{𝜀} = [𝑆]{𝜎} (4.25)
{γ} = [𝑆∗]{𝜏} (4.26)
𝜀, 𝜎 - ravninske deformacije in napetosti
γ, 𝜏 - interlaminarne deformacije in napetosti
𝑆, 𝑆∗ - skladnostne matrike
Z inverzom enačb 4.25 in 4.26 dobimo
{𝜎} = [𝑄]{𝜀} (4.27)
{𝜏} = [𝑄∗]{𝛾} (4.28)
𝑄 - togostna matrika
𝑄∗ - interlaminarna togostna matrika
Komponente togostne matrike se izračunajo:
𝑄11 = 𝐸1/𝛥 (4.29)
𝑄12 = 𝑄21 = 𝑣12𝐸2/𝛥 (4.30)
𝑄22 = 𝐸2/𝛥 (4.31)
𝑄66 = 𝐺12 (4.32)
𝑄44∗ = 𝐺23 (4.33)
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Magistrsko delo
24
𝑄55∗ = 𝐺13 (4.34)
𝛥 = 1 − 𝑣12𝑣21 (4.35)
Transformacija materialnega koordinatnega sistema v laminatni
Zaradi slabih prečnih lastnosti kompozitnega materiala je laminat sestavljen iz več slojev, ki so
orientirani v več smeri za doseganje boljših lastnosti. Pri računanju lastnosti materiala je zato
potrebno poznavanje relacij med materialnim in laminatnim KS [1].
Slika 4.6: Tranformacija koordinatnih sistemov
Na sliki 4.4 je prikazan vektor pomika 𝑂𝑃 s komponentami u, v v laminatnem KS in
komponentami u´, v´ v materialnem KS, ki so med seboj v naslednji odvisnosti:
𝑢´ = 𝑢𝑐𝑜𝑠𝜃 + 𝑣𝑠𝑖𝑛𝜃 (4.36)
𝑣´ = −𝑢𝑠𝑖𝑛𝜃 + 𝑣𝑐𝑜𝑠𝜃 (4.37)
ali
{𝑢′
𝑣′} = [𝑚 𝑛−𝑛 𝑚
] {𝑢𝑣} , (4.38)
kjer je m = cos(θ) in n = sin(θ). Kot θ je merjen v nasprotni smeri urinega kazalca od koordinatne
osi x do osi 1.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Magistrsko delo
25
Podobno lahko zapišemo pomike tudi za materialni KS.
{𝑥′
𝑦′} = [𝑚 𝑛−𝑛 𝑚
] {𝑥𝑦} (4.39)
Relacija med materialnim in laminatnim KS je definirana z naslednjo enačbo
{
𝜀𝑥
𝜀𝑦
1
2𝛾𝑥𝑦
} = [𝑇]−1 {
𝜀1
𝜀21
2𝛾6
} (4.40)
{
𝜎𝑥
𝜎𝑦
𝜎𝑥𝑦
} = [𝑇]−1 {
𝜎1
𝜎2
𝜎6
} (4.41)
[𝑇]−1 - transformirana matrika
[𝑇]−1 = [𝑚2 𝑛2 2𝑚𝑛𝑛2 𝑚2 −2𝑚𝑛
−𝑚𝑛 𝑚𝑛 𝑚2 − 𝑛2
] (4.42)
zapišemo jo lahko tudi kot [T(-θ)].
Enačbe 4.25–4.28 so omejene na deformacije in napetosti v materialnem KS, ki jih je za boljšo
analizo potrebno transformirati v laminatni KS, kot je prikazano na sliki 4.4.
{
𝜎𝑥
𝜎𝑦
𝜎𝑥𝑦
} = [
𝑄11 𝑄12
𝑄16
𝑄12 𝑄22
𝑄26
𝑄16 𝑄26
𝑄66
] {
𝜀𝑥
𝜀𝑦
𝛾𝑥𝑦
} (4.43)
{𝜎𝑦𝑧
𝜎𝑥𝑧} = [
𝑄44 𝑄45
𝑄45 𝑄55
] {
𝛾𝑦𝑧
𝛾𝑥𝑧} (4.44)
𝑄𝑖𝑗 - transformirana togostna matrika
[��] = [𝑇]−1[𝑄][𝑇]−𝑇 = [𝑇(−𝜃)][𝑄][𝑇(−𝜃)]𝑇 (4.45)
S pomočjo komponent transformirane togostne matrike lahko nato izračunamo ravninsko
togostno matriko, ki je funkcija debeline, orientacije in materialnih lastnosti lamine.
𝐴𝑖𝑗 = ∑ (𝑄𝑖𝑗)𝑘
(𝑡𝑘); 𝑖, 𝑗 = 1,2,6𝑁𝑘=1 (4.46)
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Magistrsko delo
26
Elastične in strižne module ter Poissonovo število dobimo z naslednjimi enačbami
𝐸𝑥 =𝐴11𝐴22−𝐴12
2
𝑡𝐴22 (4.47)
𝐸𝑦 =𝐴11𝐴22−𝐴12
2
𝑡𝐴11 (4.48)
𝐺𝑥𝑦 =𝐴66
𝑡 (4.49)
𝑣𝑥𝑦 =𝐴12
𝐴22 (4.50)
𝐸𝑥 - vzdolžni elastični modul laminata
𝐸𝑦 - prečni elastični modul laminata
𝐺𝑥𝑦 - strižni modul laminata
𝑣𝑥𝑦 - Poissonovo število laminata
4.3 Določanje materialnih lastnosti v primeru naključno orientiranih vlaken
Z uporabo naključno orientiranih vlaken ustvarjamo cenejše laminate z izotropno naravnanimi
materialnimi lastnostmi. Uporabljajo se za cenejše in manj obremenjene elemente. Primer
takšne ojačitve je steklena mata ali CSM (chopped strand mat), ki je izdelana iz E-steklenih
vlaken nižje kakovosti, v primeru, da so zahtevane malo boljše lastnosti, pa se uporabi tudi
kakovostnejše E- ali S-stekleno vlakno.
Elastične lastnosti se lahko predvidijo s predpostavko, da je naključno orientiran kompozitni
material sestavljen iz velikega števila tankih enosmernih kontinuiranih vlaken, kjer je vsak sloj
drugače orientiran, in sicer od 0 do 180°. Namišljeni sloj kompozita ima togostno matriko, ki
jo na enak način kot pri usmerjenih vlaknih prilagodimo globalnemu koordinatnem sistemu z
uporabo enačbe 4.45 in izračunamo povprečje [1].
[𝑄𝐶𝑆𝑀] =1
𝜋∫ [𝑇]−1𝜋
0[𝑄][𝑇]−𝑇𝑑𝜃 (4.35)
𝑄𝐶𝑆𝑀 – togostna matrika kompozitnega materiala, ojačanega s stekleno mato,
kar vodi do:
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Magistrsko delo
27
𝑄11𝐶𝑆𝑀 =
3
8𝑄11 +
1
4𝑄12 +
3
8𝑄22 +
1
2𝑄66
𝑄12𝐶𝑆𝑀 =
1
8𝑄11 +
3
4𝑄12 +
1
8𝑄22 −
1
2𝑄66
𝑄66𝐶𝑆𝑀 =
1
8𝑄11 −
1
4𝑄12 +
1
8𝑄22 +
1
2𝑄66
𝑄16𝐶𝑆𝑀 = 𝑄26
𝐶𝑆𝑀 = 0
Elastični in strižni modul ter Poissonovo število izračunamo na podlagi enačb 4.36–4.37, ki so
zasnovane na podlagi materiala z usmerjenimi vlakni in enakim volumskim deležem vlaken.
𝐸
1 − 𝑣2=
3
8𝛥(𝐸1 + 𝐸2) +
𝑣12𝐸2
4𝛥+
𝐺12
2
𝑣𝐸
1 − 𝑣2=
𝐸1 + 𝐸2
8𝛥−
𝐺12
2+
3𝑣12𝐸2
4𝛥
𝐺 =𝐸1 + 𝐸2
8𝛥+
𝐺12
2−
𝑣12𝐸2
4𝛥
Z upoštevanjem, da je 𝛥 = 1 − 𝑣12𝑣21, privedemo izpeljavo do končnih enačb, ki dajejo
zanesljive rezultate.
𝐸 =3
8𝐸1 +
5
8𝐸2
𝐺 =1
8𝐸1 +
1
4𝐸2
𝑣 =𝐸
2𝐺− 1
E – elastični modul kompozitnega materiala s stekleno mato
G – strižni modul kompozitnega materiala s stekleno mato
v – Poissonovo število kompozitnega materiala s stekleno mato
Trdnost steklene mate preverjamo s predpostavko, da je kompozitni material kvaziizotropen,
kar pomeni, da so lastnosti v vseh smereh enake. Izračunamo jo lahko na podlagi empiričnih
enačb:
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Magistrsko delo
28
𝛹 = √𝐹1𝑡𝐹2𝑡
𝐹62
𝐹𝑐𝑠𝑚−𝑡 =4
𝜋𝐹6(1 + 𝑙𝑛𝛹)
𝐹𝑐𝑠𝑚−𝑡 =4
𝜋𝐹6𝛹
𝛹 – kriterij napetosti
𝐹𝑐𝑠𝑚−𝑡 – natezna trdnost
4.4 Izračuni materialnih lastnosti
Analitični pristop določanja materialnih podatkov je pri konstruiranju novih izdelkov zelo
pomemben. Omogoča hitro oceno, kateri material bi lahko zadostoval določenim trdnostnim
in togostnim zahtevam. Poljubno lahko spreminjamo ojačitvene materiale in matrico ter
njihove deleže, brez da bi zato morali izvesti celoten postopek testiranja, kot je to potrebno
pri eksperimentalnem določanju.
Na podlagi enačb, predstavljenih v poglavjih 4.1, 4.2 in 4.3, so za naše kompozitne materiale
izračunani materialni podatki na obeh nivojih, ki so kasneje v poglavju 7 primerjani z rezultati
eksperimentalnega preizkusa.
Preglednica 4-3: Tehnični podatki ojačitvenega materiala
OJAČITVENA FAZE
Tip ojačitve usmerjenost vrsta vlaken E1 [GPa] σ1 [GPa] v ρ[g/cm3]
steklena mata naključno E 72,35 (60) 3,45 0,22 2,5-2,9
UNI tkanina 0 E 72,35 3,45 0,22 2,5-2,9
Preglednica 4-4: Tehnični podatki matrice
MATRICA
Tip matrice Vrsta matrice E1 [GPa] σ1 [GPa] v ρ[g/cm3]
Polister Orthophthalic 3,4 55,2 0,38 1,2
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Magistrsko delo
29
Preglednica 4-5: Podatki o laminatih
LAMINAT 1
Tip ojačitve Ploskovna masa [g/m2] št. slojev Masa ojačitvene faze [kg] Skupna masa [kg]
Steklena mata 450 2 0,19 0,44
250 1
LAMINAT 2
UNI tkanina 530 2
0,4 0,62
Usmerjenost [°] 0
LAMINAT 3
UNI tkanina 530 0,4 0,62
Usmerjenost -45 1
45 1
Preglednica 4-6: Lastnosti steklene mate, ojačane s polimerno smolo
OJAČITEV STEKLENA MATA (2 x 450 g/m2 + 1 x 250 g/m2)
MATRICA POLIMERNA SMOLA
Masa ojačitve Masa kompozita Gostota kompozita Volumski deleži
mf [kg] mc [kg] ρ [kg/m3] Vf [%] Vm[%]
0,19 0,44 1554 28 72
MIKROMEHANSKI PRISTOP
ELASTIČNI MODUL [Mpa] 11348
STRIŽNI MODUL [MPa] 1232
POISSONOVO ŠTEVILO 0,38
NATEZNA TRDNOST [MPa] 125
MAKROMEHANSKI PRISTOP
ELASTIČNI MODUL [MPa] 7845
STRIŽNI MODUL [MPa] 2809
POISSONOVO ŠTEVILO 0,38
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Magistrsko delo
30
Preglednica 4-7: Lastnosti steklene tkanine, ojačane s polimerno smolo
OJAČITEV TKANINA E – STEKLO 2 X 350 g/m2
MATRICA POLIMERNA SMOLA
Masa ojačitve Masa kompozita Gostota kompozita Volumski deleži
mf [kg] mc [kg] ρ [kg/m3] Vf [%] Vm[%]
0,4 0,55 1947 55 45
MIKROMEHANSKI PRISTOP
VZDOLŽNI ELASTIČNI MODUL [MPa] 41839
PREČNI ELASTIČNI MODUL [MPa] 13031
STRIŽNI MODUL [MPa] 1232
POISSONOVO ŠTEVILO 0,3
MAKROMEHANSKI PRISTOP
VZDOLŽNI ELASTIČNI MODUL [MPa] 33472
PREČNI ELASTIČNI MODUL [MPa] 10425
STRIŽNI MODUL [MPa] 1483
POISSONOVO ŠTEVILO 0,3
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Magistrsko delo
31
5 EKSPERIMENTALNO PREIZKUŠANJE
Kot je bilo že opisano, se lahko materialne lastnosti kompozitnih materialov načrtujejo, da bi
dosegali optimalne lastnosti za togostne in trdnostne potrebe. Pridobivanje in točnost
podatkov o materialnih lastnostih je zaradi različnih načinov merjenja, izdelave preizkušancev
in strukture zelo težko in predstavlja velik problem pri konstruiranju. Zaželeno je imeti podatke
o kompozitu in ne o vlaknih in matrici posebej, to pa predstavlja izvedbo mnogih preizkusov,
ki jih je potrebno ob vsaki morebitni spremembi razmerja med ojačitvami in matrico,
orientacijo slojev znova ponoviti. [3].
Materialne lastnosti kompozitnih materialov so bistvenega pomena pri konstruiranju novih
izdelkov, ki morajo obratovati določeno življenjsko dobo. Ti podatki, ki so po navadi podani s
strani proizvajalca, so v večini primerov zaradi različnih nivojev obravnavanja materialov
pomanjkljivi za uporabo v različnih aplikacijah. Za konstrukterja je tako bistvenega pomena,
da razume, kako so lastnosti kompozitnega materiala določene, da lahko v primeru potrebe
po določenih podatkih izvede pravilne preizkuse ob upoštevanju vseh omejitev, ki se pri
preizkusih pojavljajo:
- katere preizkuse je potrebno izvesti, da dobimo željene in natančne podatke,
- kako natančno je potrebno izvesti preizkuse,
- ali so podatki, pridobljeni na podlagi malih preizkušancev, primerni za uporabo pri
velikih konstrukcijah,
- kakšen vpliv ima okolica pri izvajanju preizkusov …
Preizkusi, ki se generalno uporabljajo za določanje izotropnih materialov, kot je npr. aluminij,
se ne morejo uporabiti pri kompozitih materialih, ki so anizotropne ali ortotropne narave.
Mnoge organizacije po svetu so objavile standardne testne metode za preizkušanje
kompozitnih materialov, med katerimi so American Society for Testing materials (ASTM) in
International Organization for Standardisation (ISO). V zadnjih letih pa so bile razvite
standardne testne metode, namenjene prav za preizkušanje polimernih materialov, ojačanih
z vlakni za namene inženirskih aplikacij s strani organizacij ACI (American Concrete Institute),
European Committee for standardization, Japan Society for Civil Engineering, Canadian
standards association. Metode omogočajo preizkušanje vlaken, matric, slojev in laminatov.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Magistrsko delo
32
Katero metodo uporabiti, pa je odvisno od tega, kakšne materialne podatke potrebujemo. Za
inženirske aplikacije, kjer je potrebno poznati obnašanje polimera, ojačenega z vlaknom, in
uporabo teh podatkov za nadaljnje numerične raziskave, se večinoma izvajajo preizkusi za
posamezni sloj in laminat.
Za uporabo kompozitnih materialov v inženirskih aplikacijah je opravljenih zelo malo
preizkusov vlaken in matric, podane so s strani proizvajalcev, ki pa niso vedno oprijemljivi.
Mnoge standardne metode za pridobivanje mehanskih, fizikalnih in kemičnih lastnosti
polimernih smol v tekoči in trdni obliki so dostopne v ASTM-standardih in standardih drugih
organizacij.
Številnejše raziskave se opravljajo s preizkušanjem posameznih slojev kompozitnega materiala
v obliki preizkušancev. Preizkus, izveden na preizkušancu, ki vsebuje samo usmerjena vlakna,
je preizkušanje na nivoju sloja (angl. lamina). Če pa je kompozit sestavljen iz tkanin in različno
usmerjenih vlaken, pa je potrebno izvesti preizkus celotne debeline materiala. V primeru, da
je končna konstrukcija izdelana samo z vlakni, usmerjenimi v določeno smer, je dovoljeno
izvesti preizkus na nivoju sloja in končne materialne lastnosti kompozitnega materiala
izračunati na podlagi lastnosti in debeline posameznega sloja. Tudi v primeru laminata,
izdelanega iz slojev, zamaknjenimi pod določenim kotom, se uporabi enak postopek, pri
katerem je potrebno izvesti preizkus vsakega zamaknjenega sloja. Večinoma se uporabljajo
preizkusi v 3 smereh: 0°, 90° in 45°.
Za preizkušanje na nivoju sloja ali laminata so uporabni standardni testi s strani ASTM-
organizacije navedeni v preglednici 5.1.
Preglednica 5-1: Standardi za preizkušanje kompozitih materialov
Lastnosti ASTM
MEHANSKE LASTNOSTI
Vzdolžni natezni preizkus D 3039, D 5083, D 638, D 3916, D 5450
Vzdolžni tlačni preizkus D 3410, D 695, D 6641, D 3410, D 5449
Strižni preizkus D 5379, D 3518, D 4255, D 5448, D 7078, D 5379
Upogibni preizkus D 790, D 6272
Udarna žilavost D 256
FIZIKALNE LASTNOSTI
Volumski delež D 3171, D 2584
Gostota D 792
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Magistrsko delo
33
Temperatura steklastega prehoda E 1356, E 1640, D 648, D 2092
Absorpcija vode D 570
Vzdolžni in prečni temp. koeficient E 831, D 696
Temperatura steklastega prehoda (Tg) E 1356
Zaradi prevelikega obsega preizkušanja je za potrebe magistrske naloge izbran samo natezni
preizkus, s katerimi so izmerjeni in med seboj primerjani materialni podatki dveh materialov.
Za natezne lastnosti smo uporabili standard ASTM D 3039 in za strižne lastnosti ASTM D 3518.
Razlika med standardoma je samo v dimenziji preizkušancev in orientaciji vlaken. Ker bo
magistrska naloga služila tudi kot priročnik za nadaljnje raziskovanje kompozitnih materialov
za podjetje Veplas, je v naslednjem podpoglavju predstavljen standard za izvajanje nateznega
preizkusa. Potrebno je omeniti, da so zaradi prevelikega obsega predstavljene samo
pomembne smernice za izvajanje preizkusa, vse ostalo je dostopno v standardu.
5.1 NATEZNI PREIZKUS ASTM D 3039
Je standardizirana testna metoda za preizkušanje polimernih kompozitnih materialov.
Pravokotni preizkušanci so vstavljeni v prijemala in enakomerno obremenjeni. Maksimalna
sila pred porušitvijo materiala omogoča izračun maksimalne natezne trdnosti. Uporaba
merilnih lističev (strain gauges) ali ekstenziometra pa omogoča merjenje (spremljanje)
raztezka preizkušanca na merilni razdalji [6].
Standard podaja dimenzije preizkušanca, ki so navedene v nadaljevanju, in poudarja uporabo
zavihkov za preprečitev prehitre porušitve in porušitve zaradi vpetja.
Rezultati preizkusa so namenjeni pridobivanju nateznih lastnosti materiala. Te podatke pa
lahko uporabimo za raziskavo in razvoj materiala, zagotavljanje kakovosti in analize. Faktorji,
ki vplivajo na rezultate in jih je potrebno beležiti, so:
- materiali (matrica, ojačitev),
- način priprave materiala,
- zaporedje zlaganja,
- okolje testiranja (npr. temperatura),
- poravnava,
- vpetje,
- hitrost testiranja,
- čas,
- volumski deleže ojačitve in matice.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Magistrsko delo
34
Lastnosti, ki jih lahko pridobimo s preizkusom, so:
- maksimalna natezna trdnost,
- maksimalna deformacija,
- modul elastičnosti,
- Poissonovo število.
5.2 Interference
Priprava materiala in preizkušanca
Slaba priprava materiala, slaba kontrola nad poravnavo vzorca, slaba priprava vzorca in še
drugi vplivi so razlogi za raztros rezultatov.
Poravnava
Prekomerna izvenosna obremenitev pomeni upogibanje. To pa povzroči prehitro porušitev
materiala in nepravilne rezultate, zato je potrebno to preprečiti. Upogibanje se lahko pojavi
kot rezultat neusklajenosti vpenjal ali zaradi drugih vplivov, kot je na primer slaba priprava
vzorca.
Robni vplivi v laminatih z zamaknjenimi sloji pod določenim kotom
Prehitra porušitev in nižje togosti se pojavijo zaradi mehčanja robov v laminatih, ki vsebujejo
različno usmerjenje sloje. To pa lahko povzroči nepravilne rezultate. Pri kvaziizotropnih
laminatih to nima velikega vpliva.
5.3 Oprema
Merilno orodje
Za merjenje debeline preizkušancev, kjer je vsaj ena površina nepravilna, je potrebno uporabiti
mikrometer z nominalnim premerom krogličnega vmesnika od 4 do 7 mm. Pri preizkušancih,
kjer sta obe površini gladki, se lahko uporabi mikrometer, kot je naveden zgoraj, ali pa
mikrometer z nominalnim premerom ploščatega vretena od 4 do 7 mm.
Mikrometer s ploščatim vretenom se bi naj uporabljal tudi za merjenje širine preizkušanca.
Natančnost inštrumenta mora biti primerna za odčitavanje do 1 % natančno. Za tipične
geometrije preizkušancev so tako primerni inštrumenti z natančnostjo ±0,0025 mm za
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Magistrsko delo
35
merjene debeline, za merjenje širine tipičnih preizkušancev pa inštrumenti z natančnostjo
±0,025 mm.
Preizkuševalna naprava
Naprava mora delovati v skladu s standardom E4, po katerem je potrebno zagotoviti naslednje
zahteve:
- Vpenjalne glave: naprava mora imeti stacionarno in premično glavo.
- Pogonski mehanizem: zmožen prenesti kontrolirano hitrost na premično glavo glede na stacionarno. Hitrost premične glave mora imeti možnost regulacije.
- Indikator sile: Senzor zaznavanja sile v napravi mora biti zmožen zaznavati skupno silo, ki jo preizkušanec prenaša. Ta naprava mora biti brez inertnega zastoja pri določeni
stopnji preizkušanja in mora zaznavati silo z natančnostjo ±1 %.
- Prijemala: preizkušanec je vpet v obe glavi naprave za preizkušanje tako, da smer obremenjevanja sovpada z vzdolžno osjo preizkušanca. Prijemala morajo imeti zadosten bočni tlak, da preprečijo drsenje med vpenjalom in preizkušancem. Če se uporabljajo vpenjalne ploščice, morajo biti vpenjala dovolj dolga. Zaželeno je, da se uporabljajo vpenjala, ki se sama poravnavajo z namenom zmanjšanja upogibne napetosti v preizkušancu. Uporabijo se lahko gladka ali groba prijemala.
- Poravnava: slaba poravnava je lahko ključni faktor za prehitro porušitev materiala, raztros podatkov ali oboje. Standard E1012 opisuje smernice za ocenjevanje upogiba in možne vire za neusklajenost med nateznim preizkusom. Upogibanje (krivljenje) preizkušanca je obravnavano posebej v nadaljevanju.
Merilni lističi
Ker je potrebno pridobiti razmerje med napetostjo in pomikom, se na preizkušanca aplicirajo
merilni lističi. Nameščanje merilnih lističev ne sme poškodovati površine preizkušanca. Če
merimo Poissonovo število, je potrebno meriti pomike v vzdolžni in prečni smeri.
- Izbira merilnih lističev: Merilni lističi se izbirajo glede na tip materiala. Za večino materialov so primerni lističi z dolžino 6 mm ali pa vsaj 3 mm. Pri merjenju pletenih materialov pa mora biti dolžina lističa daljša od ponavljajočega se vzorca pletenja.
- Priprava površine: površino, kamor se aplicirajo merilni lističi, je potrebno skrbno pripraviti, da se lahko listič zalepi in da se pri obratovanju kompozit ne poškoduje.
- V standardu ASTM D 3039 so navedene še dodatne smernice pri izbiri in apliciranju merilnih lističev.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Magistrsko delo
36
- Merimo z najmanj tremi merilnimi lističi, z dvema na sprednji strani in enim na zadnji,
kot je prikazano na spodnji sliki. Razlike pri merjenju povejo, koliko se je preizkušanec upognil (ukrivil) v smeri debeline in širine. Merilne lističe je potrebno nastaviti na sredino preizkušanca.
Slika 5.1: Namestitev merilnih lističev na preizkušanec [6]
5.4 Vzorčenje in preizkušanci
Preizkuse je potrebno izvesti na vsaj petih preizkušancih, katerih oblike, dimenzije in tolerance
so podane v preglednicah 5.2 in 5.3. Izbira ustrezne širine in debeline preizkušanca poskrbi za
porušitev materiala v območju merilnih lističev ali merilca raztezka. Uporaba vpenjalnih
ploščic ni nujno potrebna, a je priporočljiva zaradi lažjega in učinkovitejšega prenašanja
napetosti na preizkušanec in preprečitve prehitre porušitve. Izdelane so lahko iz kompozita ali
kovine.
Preglednica 5-2: Podatki preizkušancev
PARAMETRI ZAHTEVE
Preizkušanec
oblika pravokotna s konstantnim prerezom
minimalna dolžina vpenjalni del + 2x širina + del za merilne lističe
širina po standardu
toleranca širine ±1 % širine
debelina po potrebi
toleranca debeline ±4 % debeline
Vpenjalne ploščice
material po potrebi
orientacija vlaken (če so kompozitne) po potrebi
debelina po potrebi
odstopanje med ploščicama ±1 % debeline
kot prehoda 5–90°
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Magistrsko delo
37
Preglednica 5-3: Dimenzije preizkušancev
Orientacija vlaken Širina [mm]
Dolžina [mm]
Debelina [mm]
Dolžin VP [mm]
Debelina VP [mm]
Kot prehoda VP
0° enoosna 15 250 1 56 1.5 7 – 90°
90° enoosna 25 175 2 25 1.5 90°
uravnotežena in simetrična
25 250 2.5
poljubno usmerjena 25 250 2.5
Slika 5.2: Preizkušanci
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Magistrsko delo
38
5.5 Postopek izvajanja preizkusa
Parametri, ki jih je potrebno določiti in podati pred preizkusom:
- metoda vzorčenja
- tip in geometrija preizkušanca
- podatki o prostoru, kjer se bo preizkus izvajal
- materialni podatki
- hitrost testiranja (2mm/min – standard)
Vstavljanje preizkušanca
Preizkušanec se vstavi v vpenjala, kjer je potrebno paziti na poravnavo. Silo, s katero pritrdimo
preizkušanec, je potrebno beležiti. Ko uporabljamo vpenjalne ploščice, je potrebno
preizkušanec vpeti tako, da vpenjalne čeljusti segajo od 10 do 15 mm preko zoženega dela. V
nasprotnem primeru prihaja do prehitre porušitve zaradi povečanja interlaminarne napetosti.
Zajemanje podatkov
Vse do točke zloma se merita in beležita sila ter pomik. Podatke je potrebno beležiti s hitrostjo
od 2 do 3 podatka na sekundo.
Porušitveni modeli
Podati je potrebno lokacijo in tip porušitve. Standard opisuje 9 tipičnih porušitvenih modelov,
prikazanih na sliki 5.3. Modeli so podani glede na tip, področje in lokacijo porušitve. Vsaka
lastnost porušitve ima pripadajočo črko.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Magistrsko delo
39
Slika 5.3: Porušitveni modeli preizkušancev [6]
Prva črka Tip porušitve črka pod kotom A delaminacija po
robu
D na mestu vpetja G ravno L na več mestih M dolg, razcepljen
lom
S eksplozivna X ostalo O
Tretja črka Lokacija porušitve črka spodaj B zgoraj T levo L desno R sredina M različno V neznano U
Preglednica 5-4: Oznake porušitvenih modelov
Druga črka Območje porušitve črka znotraj prijemala I ob prijemalu A <1 w od prijemala W v merilnem
območju
G na več mestih M različno V neznano U
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Magistrsko delo
40
6 PRIPRAVA PREIZKUŠANCEV
Po preučitvi standardov ASTM D 3039 in D 3518 sta sledili priprava orodja za RTM-pripravo
vzorcev in izbira materiala. Odločili smo se, da se bomo zaradi prevelikih stroškov izvajanja
vseh mehanskih preizkusov in števila preizkušancev omejili na natezni preizkus dveh vrst
ojačitvenega materiala in dveh različnih tehnologij, ki se v podjetju največ uporabljajo.
Preverjali smo vpliv tehnologije ter usmerjenosti vlaken na mehanske lastnosti materiala.
6.1 Materiali
Za preizkušanje so za ojačitveni material izbrana E-steklena vlakna, in sicer v obliki mate in
enoosno usmerjene tkanine. Za matrico je uporabljena polimerna smola.
Vsi potrebni podatki ojačitvenega material in smole so podani v prilogah 4.1 , 4.2, 4.3.
6.2 Tehnologije
Za preverjanje vpliva tehnologije na materialne lastnosti smo se odločili za pripravo vzorcev z
ročno laminacijo in RTM. Razlike med tehnologijama so podane v prilogi 6.1. Priprava je
potekala tako, da smo najprej izdelali kompozitno ploščo, iz katere smo kasneje izrezali
standardne preizkušance, in na njih z dvokomponentnim lepilom prilepili vpenjalne ploščice.
Preglednica 6-1: Okvirne razlike med RTM-tehnologijo in ročno laminacijo
RTM Ročna laminacija
nastajanje materiala poteka v orodju nastajanje materiala poteka na ravni plošči
ojačitveni sloji se vstavijo hkrati ojačitveni materiali se vstavljajo sloj po sloj
matrica se dozira v kalup s pomočjo črpalke matrica se ročno nanaša na vsak sloj posebej
strjevanje poteka v orodju strjevanje poteka na odprtem pri sobni temp.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Magistrsko delo
41
RTM
Za izdelavo kompozitne plošče je bilo potrebno izdelati orodje, ki je opisano v podpoglavju 3.3.
Okvirne mere orodja so bile določene na podlagi števila preizkušancev, ki smo jih potrebovali
za preizkuse.
Postopek:
1. razrez in tehtanje ojačitvenega materiala,
2. odstranitev vseh prisotnih nečistoč v orodju,
3. postavitev ojačitvenega materiala v spodnji del orodja,
4. postavitev distančne plošče,
5. zaprtje orodja z zgornjim delom,
6. zatesnitev orodja s spenjalnimi elementi,
7. vstavitev gumijastih vložkov na luknje za smolo in vakuum,
8. pritrditev dveh pretočnih cevi za smolo na orodje in črpalko,
9. pritrditev vakuumske cevi na orodje in posodo za odvečno smolo,
10. injiciranje smole,
11. strjevanje materiala.
Slika 6.1: Razrez ojačitvenega materiala na laserskem rezalniku
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Magistrsko delo
42
Slika 6.2: Postavitev ojačitvenega materiala v orodje
Slika 6.3: Orodje, pripravljeno za ulivanje
Smola, ki je skozi luknje vstopala v orodje, je zaradi vakuuma zapolnila celotno orodje in
prepojila ojačitveni material. Tlak injiciranja je bil zaradi majhne debeline nastavljen na 6
barov, kar je tudi najnižja nastavljiva vrednost. Ko je smola prepojila material, je začela
izstopati skozi luknjo za vakuum, kar je pomenilo tudi, da je postopek končan. S smolo
prepojeni material je ostal v orodju še en dan, da se je vse skupaj ustrezno strdilo.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Magistrsko delo
43
Ročna laminacija
Priprava plošče s postopkom ročne laminacije je potekala na čisti ravni plošči, kjer smo polagali
sloj na sloj s sprotnim nanašanjem smole. Uporabljen je bil enak tip in delež ojačitvenih vlaken
ter smole kot pri postopku RTM. Strjevanje materiala je tudi pri tem postopku potekalo en
dan.
Postopek:
1. razrez in tehtanje ojačitvenega materiala,
2. priprava površine,
3. priprava potrebščin (čopič, valček, rokavice, zaščitna očala, zaščitna maska …),
4. priprava smole,
5. postavljanje ojačitvenega materiala sloj na sloj s sprotnim nanašanjem smole,
6. strjevanje materiala.
Slika 6.4: Priprava kompozitne plošče (ročna laminacija)
6.3 Preizkušanci
Po strditvi materiala je sledila kontrola kompozitnih plošč, saj so se zaradi majhne debeline
plošče pri RTM-postopku med iniciacijo in strjevanjem smole pojavljale napake, ki so se kazale
v nepopolni prepojenosti vlaken, zamaknjenosti ojačitvenega materiala, nagubanosti
ojačitvenega materiala … V tem primeru je bilo potrebno ulivanje ponoviti.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Magistrsko delo
44
Slika 6.5: Nepopolno prepojena na levi in ustrezno prepojena kompozitna plošča na desni
Slika 6.6: Kompozitne testne plošče
Po preverjanju ustreznosti kakovosti kompozitnih plošč je sledil razrez na CNC-obdelovalnem
stroju, kjer smo iz kompozitnih plošč razrezali dimenzijsko različne preizkušance, na katere
smo zaradi boljših pogojev nateznega testiranja z dvokomponentnim lepilom prilepili
aluminijaste vpenjalne ploščice, ki smo jih pred tem zaradi boljšega oprijema rahlo pobrusili
in očistili z acetonom. Med strjevanjem lepila, ki je potekalo približno eno uro, smo vpenjalne
ploščice obtežili z utežmi.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Magistrsko delo
45
Slika 6.7: Razrez kompozitne plošče in obtežitev lepljenih vpenjalnih ploščic
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Magistrsko delo
46
7 IZVAJANJE NATEZNIH PREIZKUSOV
Preizkuse smo izvajali v Laboratoriju za strojne elemente in konstrukcije na Fakulteti za
strojništvo univerze v Mariboru. Preizkušenih je bilo 30 različnih preizkušancev. Preizkusi so
bili izvedeni na večnamenskem servohidravličnem preizkuševalnem stroju Instron 1255. Za
merjenje pomika smo uporabili merilnik raztezka. Za zajemanje deformacij v vzdolžni in prečni
smeri pa je bil uporabljen še stereoskopski merilni sistem ARAMIS proizvajalca GOM. Vsi
preizkusi so bili izvedeni pri sobni temperaturi in s hitrostjo obremenjevanja 2 mm/min in
zajemanja podatkov 3 fotografije/s. Preizkušanci so bili vstavljeni v vpenjalne čeljusti tako, da
je bila razdalja med koncem čeljusti in vpenjalne ploščice 15 mm, da bi zmanjšali možnosti
loma na mestu vpetja. Frekvenca zajemanja slik sistema ARAMIS je bila nastavljena na dve sliki
na sekundo (2 Hz). Računalnik s programskim paketom ARAMIS in preizkuševalni stroj sta bila
povezana, tako da smo lahko ob vsaki zajeti sliki kamere spremljali tudi silo v preizkuševalnem
stroju.
Slika 7.1: Preizkušanec, vpet v preizkuševalnem stroju
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Magistrsko delo
47
Za uporabo optične metode zajemanja podatkov (ARAMIS), je bilo potrebno pred preizkusom
preizkušanec pobarvati s sivo barvo, kar je omogočilo izračun deformacijskega polja merilnega
območja. Glede na smer obremenitve, smo nato na merilnem območju, ki je bilo razdeljeno z
mrežo, za pridobitev vzdolžnih in prečnih deformacij določili črte, po katerih je bila prikazan
deformacija na tem območju. Skupaj s silo smo nato te podatke izvozili v programski paket MS
Excel.
Slika 7.2: Prikaz deformacijskega polja in graf pomikov v programskem paketu ARAMIS
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Magistrsko delo
48
7.1 Preverjanje vpliva tehnologije
Vpliv tehnologije na materialne lastnosti smo preverjali na prvi seriji preizkušancev, ki so bili
izdelani iz steklene mate in polimerne smole. Ker se material zaradi naključne orientiranosti
prekinjenih vlaken obnaša izotropno, smo preverili samo vzdolžne preizkušance, katerih
podatki so navedeni v preglednici 7.1.
Za vsako tehnologijo je bilo izvedenih pet preizkusov, pri katerih smo izolirali tri najboljše
rezultate. Preverjali smo, kakšna razlika se zaradi tehnologije pojavi pri:
− maksimalni doseženi sili,
− napetosti,
− pomiku,
− deformaciji,
− elastičnem modulu,
− Poissonovem številu.
Preglednica 7-1: Tehnični podatki steklene mate
Ojačitveni material Volumski delež [%] Ploskovna masa [g/m2] Št. slojev
Steklena mata 28 450 2
250 1
Preglednica 7-2: Tehnični podatki polimerne smole
Matrica Volumski delež [%]
Polimerna smola 72
Preglednica 7-3: Tehnični podatki preizkušancev pri preverjanju vpliva tehnologije
Preizkušanec Dolžina [mm]
Širina [mm]
Debelina [mm]
A [mm2] Gostota [kg/m3]
Tehnologija
1-1 250 15,08 1,985 29,93 1554 RTM
1-2 250 15,06 1,995 30,04 1554 RTM
1-3 250 14,89 1,950 29,04 1554 RTM
1-4 250 14,85 2,030 30,15 1554 RTM
1-5 250 14,83 1,980 29,36 1554 RTM
1-6 250 15,05 2,050 30,85 1554 RTM
1-7 250 14,97 2,020 30,24 1554 RTM
2-1 250 15,03 1,87 28,11 1554 RL
2-2 250 15,08 1,91 28,80 1554 RL
2-3 250 14,97 1,92 28,74 1554 RL
2-4 250 14,83 1,9 28,18 1554 RL
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Magistrsko delo
49
2-5 250 15,03 1,89 28,41 1554 RL
2-6 250 15,02 1,95 29,29 1554 RL
2-7 250 15,02 1,93 28,99 1554 RL
Rezultati
Po preizkusu sem izbral tri najboljše preizkušance glede na doseženo najvišjo napetost ter
področje zloma, ki je moralo biti znotraj merilnega območja. Trije najboljši preizkušanci za
vsako tehnologijo so podani v preglednici 7.4.
Preglednica 7-4: Rezultati nateznega prezkusa pri preverjanju vpliva tehnologije
Zap. št.
Tip loma
Max. Sila [kN]
Max. pomik [mm]
Napetost [Mpa]
Deformacija [%]
Poissonovo št.
1-3 LGM 3,04 0,91 101,49 1,83 0,29
1-4 LGM 3,32 0,86 110,82 1,73 0,29
1-6 LGM 3,033 0,92 101,32 1,84 0,29
2-2 LGM 4,12 1,06 137,50 2,11 0,33
2-4 LGM 3,595 0,9872 120,11 1,97 0,33
2-6 LGM 3,928 0,9629 131,21 1,93 0,33
Glede na povprečje vseh preizkušancev so primerjave na vseh merilnih področjih prikazane v
preglednici 7.5.
Preglednica 7-5: Razlike v materialnih podatkih med tehnologijama
Tehnologija Max.sila [kN]
Pomik [mm]
Natezna trdnost [MPa]
Deformacija [%]
Elastični modul [MPa]
Poissonovo št.
RTM 3,32 0,92 110,82 1,84 7540 0,29
RL 4,12 1,05 137,50 2,11 7586 0,33
Razliko v obnašanju materialov sem prikazal z grafom napetosti v odvisnosti od deformacije,
ki je prikazan na sliki 7.1. Kot je razvidno iz grafa, je napetost v materialu za oba tipa
preizkušancev naraščala dokaj premosorazmerno z deformacijo do točke porušitve, ki je v
primeru preizkušancev, izdelanih z RL, za skoraj 20 % višja od RTM-ovih. V primeru
preizkušancev, izdelanih z RTM-tehnologijo, je prav tako opaziti tudi mejo proporcionalnosti,
kjer je z nadaljnjim obremenjevanjem razmerje med σ-ε postalo nelinearno. Po doseženi
najvišji možni vrednosti, ki jo imenujemo natezna trdnost, se je material porušil.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Magistrsko delo
50
Slika 7.3: Napetost v odvisnosti od deformacije
Razlike med materialoma ni opaziti samo iz grafa in preglednic, ampak je potrebno nameniti
pozornost tudi zlomljenim preizkušancem ter zvoku pokanja vlaken med obremenjevanjem. V
primeru RTM-preizkušancev, ki so, kot je vidno iz tabele, slabši preizkušanci, so po zlomljenih
primerih poleg glavnega zloma na sredini prisotne tudi male razpoke na številnih mestih po
celotni dolžini preizkušanca. Med obremenjevanjem je bilo skozi celoten preizkus tudi slišati
pokanje vlaken, ki se je stopnjevalo do končne porušitve. Zaradi razpok in stopnjevalnega
pokanja vlaken je verjetno prisoten prehod v nelinearno območje in hitrejša porušitev.
0
20
40
60
80
100
120
140
0,00 0,20 0,39 0,57 0,76 0,94 1,12 1,29 1,47 1,64 1,82
σ[M
Pa]
ε [%]
σ−ε
RTM
ROČNA LAMINACIJA
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Magistrsko delo
51
Slika 7.4: Prikaz zlomljenih preizušancev
Izkazalo se je, da ima tehnologija izdelave le majhen vpliva na lastnosti materiala. V primeru
drugih tehnologij, kot je avtoclav, kjer je material izpostavljen toplotnim vplivom, bi lahko bila
ta razlika višja. Preizkus je pokazal, da v primeru ročne laminacije dosežemo višjo natezno
trdnost. Razlog za to gre pripisati nanašanju smole sloj na sloj s konstantnim valjčkanjem, ki
zagotovi boljšo prepojenost ojačitvenih vlaken. Z boljšo prepojenostjo pa se zmanjša tudi
prisotnost zračnih mehurčkov v laminatu in možnost nastajanja in širjenja razpok.
V primeru steklene mate, ki jo uporabljamo za manj nosilne elemente, razlika slabih 20 % v
natezni trdnosti ne igra velike vloge, a v primeru zahtevnejših in večjih konstrukcij, kjer
uporabimo različne tkanine in pletenja, utegne biti velikega pomena. Na predelih, kjer imamo
koncentrirane napetosti, je potrebno zagotoviti dobro prepojenost vlaken in s tem manjši
delež zračnih mehurčkov, da preprečimo nastajanje razpok, ki nato vodijo v različne napake
laminata.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Magistrsko delo
52
Seveda pa je glavni pogoj za izbiro tehnologije ekonomičnost, ki pa je odvisna od dimenzij
izdelkov, serije in vrste materiala.
7.2 Preverjanje strukture ojačitvenega materiala
Kako se material obnaša pri uporabi usmerjenih kontinuiranih vlaken in kako se ta razlikuje od
steklene mate, smo preverili v drugi seriji preizkusov, kjer smo izvedli natezni preizkus na treh
vrstah dimenzijsko različnih preizkušancih, izdelanih iz steklene tkanine in polimerne smole.
Preglednica 7-6: Klasifikacija preizkušancev
Ojačitveni material Zap. št.
Volumski delež [%]
Ploskovna masa [g/m2]
Št. slojev
Usmerjenost [°]
Steklena tkanina 3 55 530 2 0
Steklena tkanina 4 55 530 2 90
Steklena tkanina 5 55 530 2 + 45/- 45
Preglednica 7-7: Tehnični podatki polimerne smole
Matrica Volumski delež [%]
Polimerna smola 45
Preglednica 7-8: Tehnični podatki preizkušancev za tkanino
Preizkušanec Dolžina [mm]
Širina [mm]
Debelina [mm]
A [mm2] Gostota [kg/m3]
Tehnologija
3-1 250 15,6 2 31,20 1947 RTM
3-2 250 15,6 2 31,20 1947 RTM
3-3 250 15,6 2,05 31,98 1947 RTM
3-4 250 15,62 2,01 31,40 1947 RTM
3-5 250 15,6 2,05 31,98 1947 RTM
4-1 175 25,12 1,95 48,98 1947 RTM
4-2 175 25,12 1,96 49,24 1947 RTM
4-3 175 25,12 1,95 48,98 1947 RTM
4-4 175 25,12 1,98 49,74 1947 RTM
4-5 175 25,15 1,95 49,04 1947 RTM
5-1 250 25,7 1,99 51,14 1947 RTM
5-2 250 25,8 1,97 50,83 1947 RTM
5-3 250 25,85 1,97 50,92 1947 RTM
5-4 250 25,6 1,96 50,18 1947 RTM
5-5 250 25,8 1,97 50,83 1947 RTM
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Magistrsko delo
53
Rezultati
Enako kot pri preizkušanju steklene mate smo tudi v tem primeru za vsak tip preizkušancev
izvedli pet preizkusov in izolirali tri najboljše, iz katerih smo pridobili materialne podatke.
Rezultati preizkusov so podani v preglednici 7.9 in 7.10.
Preglednica 7-9: Rezultati nateznega preizkusa vzdolžnih in prečnih preizkušancev
Zap. št.
Tip loma
Max. Sila [kN]
Max. pomik [mm]
Natezna trdnost [MPa]
Deformacija [%]
3-2 DGM 14 1,5 446,7 3
3-3 DGM 16 1,3 513 2,6
3-5 XGM 15,6 1,3 500 2,5
4-1 DGM 2,5 0,7 71,5 1,3
4-2 DGM 2,4 0,7 72 1,4
4-4 DGM 2,4 0,7 75 1,4
Preglednica 7-10: Primerjava rezultatov med vzdolžnimi in prečnimi preizkušanci
Preizkušanci Max.sila [kN]
Pomik [mm]
Natezna trdnost [MPa]
Deformacija [%]
Elastični modul [MPa]
Poissonovo št.
VZDOLŽNI 15,2 1,4 486,6 2,7 29737 0,19
PREČNI 2,4 0,7 72,8 1,4 14069 0,13
Vzdolžni preizkušanci oz. preizkušanci z vlakni, orientiranimi v smeri obremenitve, so na vseh
področjih raziskovanja, kot je bilo pričakovano, dosegli višje vrednosti, kar je razvidno tudi iz
preglednice 7.10. Vzdolžni preizkušanci so dosegli zelo visoko natezno trdnost, in sicer
487 MPa, kar je višje tudi od številnih jekel, a je zato natezna trdnost v primeru prečnih
preizkušancev dosti nižja in kaže na šibkost kompozitnih materialov in potrebo po uporabi
laminatov z različno orientiranostjo ojačitvenih vlaken.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Magistrsko delo
54
Slika 7.5: Napetost vzdolžnih in prečnih preizkušancev v odvisnosti od deformacije
Slika 7.6: Prikaz vlaken prečnega preizkušanca v programskem paketu Aramis
Obnašanje materiala oz. razmerje med napetostjo in deformacijo je v primeru vzdolžnih
preizkušancev potekalo ves čas linearno do točke zloma oz. do točke, kjer je izmerjena najvišja
natezna trdnost. Prečni preizkušanci, kjer so vso obremenitev prenašala polimerna smola in
šibka sekundarna vlakna, pa so pokazali dokaj nelinearno obnašanje. Da vso obremenitev
prenaša smola, je pokazala tudi vrednost natezne trdnosti, ki je za 20 MPa višja od natezne
trdnosti smole, ki smo jo uporabili. Razlog za to leži v prej omenjenih sekundarnih vlaknih, ki
služijo za urejenost primarnih vlaken.
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
0,00 0,28 0,54 0,78 1,00 1,20 1,39 1,56
NA
PET
OST
[M
Pa]
ε [%]
σ−ε
VZDOLŽNI
PREČNI
a b c
d e f
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Magistrsko delo
55
Prehod krivulje na grafu v primeru prečnih preizkušancev v nelinearno stanje je vzrok
porušitve vlakna, ki je prikazano na sliki 7.4 – c. S pomočjo programskega paketa Aramis, ki je
bil zaporedno povezan s strojem med preizkušanjem, je prikazano, da je po pretrganju vlakna
material prestopil v nelinearno stanje, ki je nato še trajalo, dokler ni zadostno število vlaken
popokalo (slika 7.5 – f), kar je povzročilo porušitev materiala.
V primeru strižnih preizkušancev je sodeč po standardu ASTM D 3518 mogoče upoštevati
napetost samo do točke, kjer nastopi 5 % deformacija. Napetosti, ki jih material doseže, so v
povprečju v vrednosti 52 MPa.
Zap. št.
Tip loma
Max. Sila [kN]
Max. pomik [mm]
Natezna trdnost [MPa]
Deformacija [%]
5-1 XGM 3,09 2,92 49,56 5
5-2 XGM 3,23 2,51 51,75 5 5-3 XGM 3,37 2,52 53,99 5
Preglednica 7-11: Rezultati strižnih preizkušancev
Preizkušanci Max.sila [kN]
Pomik [mm]
Strižna trdnost [MPa]
Deformacija [%]
Strizni modul [MPa]
STRIŽNI 3,4 2,6 52 5 5525
Slika 7.7: Napetost strižnih preizkušancev v odvisnosti od deformacije
0
10
20
30
40
50
60
0,0 0,3 0,7 1,0 1,4 1,8 2,1 2,5 2,8 3,2 3,5 3,9 4,2 4,5 4,9
NA
PET
OST
[M
Pa]
ε [%]
σ−ε
STRIŽNI
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Magistrsko delo
56
Material dosega nižjo napetost v primerjavi z materialom v vzdolžnih in prečnih preizkušancih,
a za razliko od teh dovoljuje najvišje pomike in s tem deformacijo, ki je pokazala vrednost 5 do
5 %. Graf na sliki 7.6 prikazuje prehod iz linearnega stanja pri vrednosti 20 MPa, kar se zgodi
točno v trenutku, prikazanem na sliki 7.7 – b. Vlakna v tej točki se ne porušijo, temveč jih
obremenitev sili v drugo lego, ki pa je zaradi matrice oteženo. Zaradi želje po poravnavi vlaken,
material omogoča doseganje velikih pomikov.
Slika 7.8: Prikaz vlaken strižnega preizkušanca v programskem paketu Aramis
7.3 Primerjava pridobljenih rezultatov z analitičnimi pristopi
Poznavanje in razumevanje analitičnega pristopa določanja materialnih podatkov trdnostnih
lastnosti materiala je zelo pomembno, saj ponavadi izvajanje eksperimentalnih preizkusov
zaradi obsežnosti, časa in ekonomičnosti ni mogoče. Tudi v primeru, ko se razvijajo novi
materiali, je potrebno najprej predvideti okvirne lastnosti in jih nato potrditi z mehanskimi
preizkusi, da bi potrdili predvidene materialne podatke trdnostnih lastnosti.
V tem poglavju so zato primerjani rezultati analitičnih pristopov in eksperimentalnih
preizkusov, kjer je razvidno, katerim podatkom lahko pri razvoju novih materialov zaupamo in
v kolikšni meri.
V poglavju 4 sta bila uporabljena oba pristopa za določitev materialnih podatkov in primerjana
s podatki iz poglavja 7.
a b c
d e f
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Magistrsko delo
57
Steklena mata
V primeru kompozitnega materiala, izdelanega iz steklene mate in polimerne smole, smo
preverjali elastični modul, Poissonvo število ter natezno trdnost. Z uporabo mikroskopskega
in makroskopskega analitičnega pristopa smo, kot je razvidno s slike 7.8, dobili primerljive
rezultate z eksperimentalnim preizkusom.
Analitičnim pristopom napovedovanju lastnosti materiala lahko v tem primeru zaupamo v
veliki meri. Izjema je le elastični modul, ki v primeru mikromehanike odstopa za 30 %.
Slika 7.9: Primerjalne lastnosti v primeru mate
Steklena tkanina
Pri analitičnem določanju materialnih podatkov pri dolgih kontinuiranih vlaknih v obliki
tkanine so se rezultati med obema pristopoma zelo razlikovali v vseh primerih. Natezna
trdnost je v tem primeru izključena, saj je bilo odstopanje od eksperimentalnih rezultatov zelo
veliko. Prav tako so odstopanja, kot je razvidno na sliki 7.9, prisotna v vseh primerih, kjer je
največje odstopanje opazno pri strižnem modulu.
Kljub odstopanjem, še posebej strižnega modula, kjer je potrebno raziskati vzroke za tako
veliko odstopanje, pa je iz rezultatov mogoče potegniti smernice zanesljivosti.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Magistrsko delo
58
Slika 7.10: Primerjalne lastnosti v primeru tkanine
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Magistrsko delo
59
7.4 Preverjanje in uporaba rezultatov v numeričnem okolju
Pridobljeni rezultati z nateznim preizkusom so bili preverjeni tudi z numerično simulacijo, kjer
sem v programskem paketu Abaqus opravil analize nateznega preizkušanja za vseh pet
preizkusov in preveril, če se v modelu pojavijo enake napetosti, kot jih je material dosegel v
linearnem stanju.
Priprava modela
Preizkušance sem pripravil kar v programskem paketu Abaqus. Model je dvodimenzionalna
deformabilna ploskev (shell) in je narisana samo v področju merjenja pomika oz. merilnika
raztezka [2].
Vnos materiala
Materialni podatki za vsak preizkušanec so bili kreirani na podlagi pridobljenih rezultatov v
poglavju 7. Za stekleno mato je uporabljen izotropni tip materiala za tkanino lamina.
Robni pogoji
Preizkušanci so bili obremenjeni v y-smeri s pomiki, ki so jih dosegli pri eksperimentalnem
preizkusu v linearnem območju. Pomik je bil določen po zgornjem robu preizkušanca.
Vpetje je določeno s spodnjim robom, in sicer v smeri y po celotnem robu in v smeri x samo v
točki na sredini, da ni prišlo do horizontalnega vpetja in ravninskega deformacijskega stanja.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Magistrsko delo
60
Slika 7.11: Prikaz vpetja in pomika
Rezultati
Rezultati numeričnih simulacij z izjemo strižnih preizkušancev so pokazali ujemanje z
eksperimentom, saj so bila odstopanja v napetosti zelo majhna, a je potrebno upoštevati, da
je zajeto samo linearno območje.
Preglednica 7-12: Primerjane napetosti med eksperimentom in numeriko
Napetost [MPa] ODSTOPANJE [%]
MATERIAL EKSPERIMENT NUMERIKA
Steklena mata
RTM 60 58 3,4
RL 130 140 7,2
Tkanina
0° 410 416 1,4
90° 40 44 9
±45° 25 40 37,5
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Magistrsko delo
61
8 PRIMERJAVA NUMERIČNE ANALIZE MED JEKLENO IN
KOMPOZITNO TLAČNO POSODO
Onesnaževanje okolja je danes že vsem znan problem, s katerim se borimo že vrsto let.
Poudarek je na področju prometa, ki je postal glavni vir škodljivih emisij, ki vplivajo na kakovost
zraka, vode in zemlje. Ker pa je to področje, ki omogoča gospodarski razvoj, je bilo potrebno
poiskati alternativna pogonska goriva. Eno izmed teh je zemeljski plin (CNG), ki se v Sloveniji
trži pod blagovno znamko Metan. Izkazal se je kot dobra rešitev pri zmanjševanju obremenitve
okolja s toplogrednimi plini in trdimi delci v izpušnih plinih vozil kot tudi v sami ceni v
primerjavi z bencinskim in dizelskim gorivom.
Proizvajalci vozil so zaznali potencial zemeljskega plina v prometu, kar se kaže v pestri ponudbi
vozil, ki iz leta v leto raste. Uporabljene tehnične rešitve so preverjene in zagotavljajo visoko
stopnjo varnosti uporabe. Tovarniško proizvedena vozila na plin so podvržena visokim
standardom varnosti in kakovosti. Večina vozil na metan je opremljena tudi z rezervoarjem za
bencinsko ali dizelsko gorivo. Takšno vozilo lahko uporablja obe vrsti goriva, kar povečuje
domet prevožene poti in rešuje problem v primeru pomanjkljive infrastrukture polnilnic [11].
Prednosti uporabe zemeljskega plina:
− cenovno bolj konkurenčno zaradi enostavnejšega pridobivanja v primerjavi z nafto,
− manjše emisije škodljivih snovi (žveplov dioksid, ogljikov monoksid, trdi delci),
− možna uporaba v kombinaciji z bencinskim motorjem,
− nižji stroški vzdrževanja in dolga življenjska doba motorja,
− nizka stopnja hrupa,
− boljše vozne lastnosti …
Slabosti uporabe zemeljskega plina:
− draga predelava avtomobilov (dragi rezervoarji, ki morajo prenesti 200–250 barov),
− zaradi dodatnega rezervoarja za plin je avto bolj obremenjen,
− investicijski stroški črpalk za zemeljski plin zelo visoki …
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Magistrsko delo
62
8.1 Opis problema
Dodatni rezervoar za zemeljski plin zaradi teže dodatno obremenjuje avtomobil, zato je
potrebno rezervoar izdelati iz materiala, ki je lažji, a vseeno prenese visoke obremenitve.
Obstajajo štiri vrste rezervoarjev za stisnjen zemeljski plin, ki se med seboj razlikujejo v ceni,
teži, korozijski odpornosti …
TIP MATERIAL PRENAŠANJE
OBREMENITVE
LASTNOSTI
1 kovina kovina najcenejši, najtežji, omejujejo domet
avtomobila, korozijsko manj odporni
2 kovina + kompozit kovina in
kompozit
lažji kot 1, korozijsko manj odporen
3 kovinska podloga +
kompozit
kompozit kovinska podloga onemogoča uhajanje
plina, dražja izdelava
4 kompozit kompozit najlažji, najdražji, korozijsko odporni
Slika 8.1: Vrste tlačnih posod za metan
S pomočjo numerične analize je bila izvedena primerjava med 1. in 4. tipom tlačne posode in
kako v primeru kompozitne tlačne posode z različnimi orientacijami hitro najdemo optimalni
laminat.
Potrebno je omeniti, da je v tem primeru geometrijsko in varnostno posplošen primer tlačne
posode, saj gre samo za prikaz možnosti uporabe izmerjenih rezultatov z nateznimi preizkusi
v numeričnem okolju in primerjava razlik obnašanja posode, izdelane iz kovinskega in
kompozitnega materiala. V modelu so izključeni majhni priključki za plin, pri izračunu pa je
upoštevana samo varnost za korozijo v primeru kovinske in višji tlak obratovanja v primeru
kompozitne posode.
Cilindrična tlačna posoda za shranjevanje stisnjenega zemeljskega plina meri v premer 300
mm. Za preprečevanje uhajanja je v notranjosti nastavljena podloga, ki pa pri preračunu ne
igra vloge, saj ne prenaša nobene obremenitve. Posoda je med polnjenjem izpostavljena
cikličnim obremenitvam, a je večino časa obremenjena z delovnim tlakom, ki znaša 200 barov
in ima tudi največji vpliv pri dobi trajanja.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Magistrsko delo
63
Posoda je v primeru avtomobilov, ki imajo tudi bencinski ali dizelski motor, vgrajena v
prtljažnik, kjer je preko dveh pritrdilnih elementov pritrjena tako, da je onemogočen pomik v
vse smeri.
Slika 8.2: Tlačna posoda, vgrajena v avtomobil
Tlačna posoda, uporabljena za analizo v tem poglavju, je pripravljena po dimenzijah,
prikazanih na sliki 8.2. Debelina stene t je za vsak primer posebej izračunana glede na
materialne lastnosti uporabljenega materiala.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Magistrsko delo
64
Slika 8.3: Dimenzije tlačne posode
Za numerično analizo je bil uporabljen programski paket Abaqus/CAE, ki omogoča analizo tako
izotropnih kot tudi ortotropnih materialov, razporejenih po plasteh v primeru kompozitnih
materialov.
Predstavljena je analiza tlačne posode, izdelane iz jekla S235, in tlačne posode, izdelana iz
zgoraj preizkušenega kompozitnega materiala, izdelanega iz steklenih vlaken in polimerne
smole.
8.2 Numerična analiza tip 1
Tlačna posoda je v tem primeru izdelana iz jekla S235, ki ima mejo plastičnosti 235 MPa. Ta
vrednost je tudi kriteriji ali bo posoda zdržala notranji tlak 200 barov, pod katerim je
obremenjena [9].
Debelino stene tlačne posode sem določil glede na napetosti v steni po obodu in v vzdolžni
smeri.
𝜎𝑥 =𝑝𝐷
4𝑡 (8.1)
𝜎𝑜 =𝑝𝐷
2𝑡 (8.2)
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Magistrsko delo
65
𝜎𝑥 - napetost v vzdolžni smeri
𝜎𝑜 - napetost po obodu
𝑝 - tlak
𝐷 - premer tlačne posode
𝑡 - debelina stene
Kot je razvidno, je napetost po obodu dvakrat večja kot vzdolžna, zato v primeru kovinske
tlačne posode debelino določimo na naslednji način:
𝑡 =𝑝𝐷
2𝜎𝑌=
20 𝑀𝑃𝑎∙300 𝑚𝑚
2∙235 𝑀𝑃𝑎= 12,8 ≈ 13 𝑚𝑚 (8.3)
Zaradi izpostavljenosti koroziji se k steni doda 2–4 mm dodatka. Debelina tlačne posode tipa
1 tako znaša 16 mm.
Priprava modela
Model sem pripravil kar v programskem paketu Abaqus po načrtu, prikazanem na sliki 8.2.
Pripravil sem tridimenzionalno (3D) deformabilno telo na volumsko-geometrijski osnovi
(Solid) s pomočjo ukaza revolution. Zaradi simetričnosti sem uporabil samo četrtino modela,
kar je omogočilo uporabo manj končnih elementov v mreži.
Vnos materiala
V bazi sem ustvaril novi material z imenom S235. Ker gre za kovinski material, sem uporabil
izotropni tip, ki sem mu dodal elastične lastnosti, in ga prepisal celotni geometriji.
Robni pogoji
Model je obremenjen z delovnim tlakom 200 barov po notranji steni posode, kot je prikazano
na sliki 8.3. Da sem ustvaril pogoje, da se posoda v prostoru ne premika, sem vsaki stranici
(slika 8.4) onemogočil pomik v smeri normale.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Magistrsko delo
66
Slika 8.4: Predpisovanje tlaka
Slika 8.5: Vpetje
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Magistrsko delo
67
Mreža
Model sem zamrežil z končnimi elementi tipa C348R. Končna mreža je vsebovala milijon
končnih elementov.
Slika 8.6: Zamrežen element
Rezultati
Izračun je pokazal, da je najvišja dosežena napetost v posodi 226 MPa, in sicer na mestu
prehoda iz notranjega dela v predel, kjer se pritrdi ventil. Koncentracija napetosti je verjetno
rezultat radija na tem prehodu, ki znaša 15 mm. Debelina stene 16 mm se je izkazala za
ustrezno, saj je napetost po preostalem delu tlačne posode daleč pod mejo plastičnosti.
Slika 8.7: Napetosti v tlačni posodi
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Magistrsko delo
68
8.3 Numerični preračun tip 2
Tip 4 tlačne posode za shranjevanje stisnjenega zemeljskega plina je izdelan iz kompozitnega
ortotropnega materiala. Prav zaradi te lastnosti materiala ne moremo uporabiti meje
plastičnosti za kriterij ustreznosti modela, ampak je potrebno uporabiti enega izmed
porušitvenih kriterijev kompozitnih materialov.
Porušitveni kriteriji so osnovani na ravninskem napetostnem stanju plasti in najbolj
uporabljeni med njimi so kriterij maksimalne napetosti, kriterij maksimalne deformacije, Tsai-
Wu kriterij ter kriterij Tsai – Hill, ki ga bomo zaradi njegove enostavnosti in dejstva, da je že
vgrajen v programskem paketu Abaqus, tudi uporabili.
𝜎1
𝑋2 −𝜎1∙𝜎2
𝑋2 +𝜎2
𝑌2 +𝜏12
𝑆2 = 1 (8.3)
𝜎1, 𝜎2 - napetosti v glavnih materialnih smereh 1 in 2
X - natezna ali tlačna meja elastičnosti v smeri 1
Y - natezna ali tlačna meja elastičnosti v smeri 2
S - strižna meja elastičnosti v ravnini 12
𝜏12 - strižna napetost v ravnina 12
Priprava modela
V programskem paketu Abaqus sem za razliko od analize kovinske posode uporabil površinski
model (shell), in sicer notranji plašč, na katerega sem kasneje polagal poljubno število slojev.
Debelino stene sem določil z debelino in številom slojev, ki sem jih predpisal v pripravi
materiala v naslednji točki.
Material in materialne plasti
Za vnos materialnih podatkov v bazo sem izbral možnost dvodimenzionalnega materialnega
modela Elastic/Lamina. Vpisal sem 6 elastičnih konstant, ki sem jih pridobil z nateznimi
preizkusi. Zaradi relativno tankih slojev sem predpostavil, da so strižni moduli v vseh ravninah
približno enaki.
Da sem lahko kasneje rezultate obdelal s Tsai–Hillovim kriterijem, sem v podmeniju vnesel še
podatke za natezne in tlačne trdnosti. Ker tlačnih lastnosti uporabljenega materiala nismo
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Magistrsko delo
69
pridobili z eksperimentalnimi preizkusi, sem podatke pridobil s predpostavko, da je razmerje
med natezno in tlačno napetostjo podobnega materiala [1] enako našemu uporabljenemu
materialu.
Orientiranost vlaken sem določil glede na tehnologijo izdelave, s katero se izdelujejo
kompozitne tlačne posode. Optimalni kot navijanja vlaken se lahko določi glede na natezno
trdnost v smeri navijanja vlakna in z upoštevanjem razmerja 2 : 1 med napetostjo po obodu in
napetostjo vzdolž tlačne posode. Kot je razvidno na sliki 8.5 je kot navijanja med napetostima
označen z oznako α.
𝑁𝜃 = 𝐹1𝑡𝑡𝑠𝑖𝑛2𝛼 (8.4)
𝑁Փ = 𝐹1𝑡𝑡𝑐𝑜𝑠2𝛼 (8.5)
𝑁𝜃 - porazdeljena sila po obodu
𝑁Փ¸ - porazdeljena sila v vzdolžni smeri
𝛼 - kot med silama
𝐹1𝑡 - natezna trdnost vlakna
𝑁𝜃
𝑁Փ= 𝑡𝑎𝑛2𝛼 = 2 → 𝛼 = 𝑎𝑟𝑐 tan (√2) = 54,7° (8.6)
Slika 8.8: Smer navijanja tlačne posode
Izračun je pokazal, da je optimalni kot slojev 55°. Da sem to potrdil z numerično analizo, sem
izvedel izračune za 6 različnih kotov navijanja.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Magistrsko delo
70
Uporabil sem simetrične laminate z 32 sloji, kar je naneslo na končno debelino stene tlačne
posode 32 mm.
Koti, pod katerimi so bili orientirani sloji, so:
[30°, -30°]s, [45°, -45°]s, [55°, -55°]s, [60°, -60°]s, [75°, -75°]s, [90°, -90°]s.
Slika 8.9: Razporejanje slojev v programskem paketu Abaqus
Robni pogoji
Model je bil vpet enako kot kovinska posoda s pomikom, ki je bil onemogočen v vse smeri.
Obremenitev je bila v tem primeru zaradi varnostnih ukrepov, ki predpisujejo, da mora
posoda, ki je med obratovanjem obremenjena z delovnim tlakom 200 barov, prenesti tlak 300
barov, kar je povzročilo, da je debelina stene tudi dvakrat večja.
Rezultati
Rezultati vseh laminatov so prikazani na sliki 8.7, kjer je razvidno, da je kot 55° res
najprimernejši za prenašanje notranjega tlaka. Tsai–Hillov kriterij napove porušitev materiala,
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Magistrsko delo
71
če faktor doseže vrednost 1. V tem primeru je faktor Tsai–Hill znašal 0,9, kar je pomenilo, da
je model na varni strani. Z uporabo dodatnih dveh slojev pa bi faktor 0,9 lahko še zmanjšali.
Slika 8.10: Tsai-Hillov kriterij v odvisnosti od orientacije vlaken
Slika 8.11: Rezultat numerične analize kompozitne tlačne posode
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
1,6
30 45 55 60 75 90
Tsai
-H
ill
Orintacija vlaken [°]
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Magistrsko delo
72
8.4 Primerjava in diskusija
Iz rezultatov numerične analize obeh tlačnih posod je razvidno, da bi posodi v obeh primerih
prenesli notranji tlak, ki znaša 200 barov. Razlika pa se je pokazala v masi posod, saj v primeru
kompozitne posode z gostoto 1947 kg/m3 prihranimo pri masi za kar 53 %, kar se pri
obremenitvi avta, še posebej pri polni posodi s plinom, precej pozna.
Slika 8.12: Masa tlačnih posod
Debelina stene v primeru kompozitne posode je dvakrat večja od kovinske, ker smo uporabili
material, ki ni najprimernejši za takšno aplikacijo. V tlačni posodi bi bilo potrebno, če bi želeli
manjšo debelino in tudi maso, uporabiti karbonska vlakna in epoksivno smolo, ki se odlikujeta
po mnogo boljših materialnih lastnostih kot steklena vlakna in polimerna smola.
Numerični pristop je pokazal, da lahko v primeru kompozitnih materialov hitro najdemo
optimalno razporeditev slojev v laminatu.
A ker gre le za prikaz razlike med različnima materialoma, je ta pristop tudi jasno prikazal,
kakšne prednosti nudijo kompozitni materiali v industrijskih aplikacijah. Na žalost pa je
uporaba teh materialov pogojena s ceno, ki je v primerjavi s tradicionalnimi materiali mnogo
višja.
0
20
40
60
80
100
120
140
Mas
a [k
g]
S235 Kompozit
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Magistrsko delo
73
9 DISKUSIJA
V magistrski nalogi smo se dotaknili področja kompozitnih materialov v strojništvu, kjer je še
veliko stvari neraziskanih in nudi prostor za inovacije. Seznanili smo se s postopkom
raziskovanja določenega materiala, od izbire ustreznega materiala za določeno fazo preko
izdelave in vse do eksperimentalnega preizkušanja in uporabe rezultatov merjenja v numerični
simulaciji po metodi končnih elementov. S preučitvijo literature o kompozitnih materialih in
dosegljivih standardih za preizkušanje smo pridobili znanja za razumevanje obnašanja
materialov, postopkov priprave in preizkušanja, ki omogoča nadaljevanje raziskovanja na tem
področju in s tem večjo konkurenčnost na trgu. S pridobljenimi rezultati smo dobili majhno
bazo podatkov, ki jih lahko uporabljamo in tržimo, ter vpogled, kako se materiali obnašajo pri
različnih tehnologijah izdelave, in spoznali, da je potrebno pri resnih strojniških aplikacijah
upoštevati vse faktorje, ki vplivajo na lastnosti kompozitnih materialov. Ker literaturi, v katerih
so navedeni določeni rezultati različnih raziskav, ne moremo popolnoma zaupati, smo s
primerjavo analitičnih, eksperimentalnih in numeričnih rezultatov spoznali medsebojna
odstopanja in tako prišli do smernic, ki nas vodijo do ustreznejših inženirskih odločitev pri
različnih pristopih, ki so v določenem trenutku dostopni. Z uporabo rezultatov v MKE-analizi
smo se dotaknili tudi konstruiranja novega izdelka, kjer nam programska oprema nudi hiter in
učinkovit način preizkušanja željenih izdelkov, ki sicer v tem trenutku še ni ovrednotena z
realnim izdelkom, a daje ustrezne smernice za nadaljnje delo.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Magistrsko delo
74
10 LITERATURA
[1] E. J. Barbero, Introduction to composite materials design, druga izdaja. Boca Raton:
Taylor and Francis Group, 2011.
[2] E. J. Barbero, Finite element analysis of composite materials using Abaqus. Boca Raton:
Taylor and Francis Group, 2013.
[3] N. G. R. Iyengar, Composite materials and structural analysis.London: MV Learning,
2016.
[4] L. C. Bank, Composite for construction: Structural design with FRP materials. New
Jersey: John Wiley & Sons, Inc, 2006.
[5] M. Kegl, B. Harl, Mehanika 3. Maribor, Fakulteta za strojništvo.
[6] ASTM D3039/D3039M -14, "Standard Test Method for Tensile Properties of Polymer
Matrix Composite Materials1", 2014.
[7] ASTM D3518/D3518 -14, "Standard Test Method for In-Plane Shear Response of
Polymer Matrix Composite Materials by Tensile Test of a ±45° Laminate1", 2014.
[8] G.Cerinšek, S. Dolinšek, S. Knez, K. Bebar, J. Pocrnjič, P.Trebušak, K. Putanec, K.
Blahouš, A. Ptašniková, A. Uher, S. Ellermaa, A. Meisterson, V. Veelaid. Compohub
04: Training Material [svetovni splet],1. 8. 2017.
[9] C. Reddy, "Design and Finite Element Analysis of E-glass Fiber Reinforced Epoxy
Composite Air Bottle used in Missile System: Experimental Validation", International
Journal of Scientific & Engineering Research, izdaja 6, št. 8, avgust 2015.
[10] Ivan Anžel, Franc Zupanič: GRADIVA, Univerza v Mariboru, Fakulteta za strojništvo,
Katedra za materiale in preoblikovanje, 2007
[11] Agencija za energijo, [splet], Dosegljivo: https://www.agen-rs.si/avtomobili-na-
stisnjen-zemeljski-plin-cng