Metody a normy pro zkoušení kompozitních materiálů. Karel Doubrava ČVUT v Praze, Fakulta strojní

Transkript

1 Metody a normy pro zkoušení kompozitních materiálů Karel Doubrava ČVUT v Praze, Fakulta strojní

2 Zkoušení laminátů Vlákna, Matrice, Laminy, Lamináty Zkoušení sendvičů Odporová tenzometrie na kompozitních konstrukcích 2

3 Vlákna ASTM D 3379 ASTM D 4018 Zkouška jednosměr. laminátu ASTM D 3039 Vlastnost Vlastnost f [%] Vf 3

4 Matrice Tah ASTM D 638 Fmtu, Fmty, Emt, mt, mtu Tlak D 695Fmcu, Fmcy, Emc, mc, mcu (prizma, válce, tenké vzorky) Smyk ASTM E 143, ASTM D 5379 Fmsu, Fmsy, Gms 4

5 Druhy zkoušek laminy, lamináty Tah (ASTM D 3039) Tlak (ASTM D 3410, ASTM D 695) Smyk (ASTM D 3518, D 5379, ) Interlaminární smyk (ASTM D 2344) 5

6 Tahová zkouška ASTM D 3039 Pevnost v tahu Modul pružnosti Poissonovo číslo 1b 1a E1 b 1 1a a 0,1%, b 0,3% 6

7 ASTM D 3039 klasifikace poruch 1. znak Mód poruchy Angled edge Delamination Grip/tab 2. znak Plocha poruchy 3. znak Místo poruchy A Inside grip/tab I Bottom D At grip/tab A Top G <1Wfrom grip/tab Lateral L Gage Multi mode M Multiple areas long.-splitting S Various explosive X Unknown Other O B T A Left L G Right M Middle V Various U Unknown R M V U 7

8 Tlakové zkoušky ASTM D-695 (SACMA SRM-1) ASTM D 3410 (Celanese, IITRI) ASTM D /8

9 Tlakové zkoušky ASTM D-695 Pevnost v tlaku Modul pružnosti v tlaku 1b 1a E1 b 1 1a 9

10 Tlakové zkoušky ASTM D 3410 Celanese IITRI 10

11 ASTM D 3410 klasifikace poruch 1. znak Mód poruchy Angled Brooming end-crushing Delamination Euler bucling through-thickness Kink bands Lateral 2. znak 3. znak Plocha Místo poruchy poruchy A Inside grip/tab I Bottom B At grip/tab A Top C Gage G Left D Multiple areas M Right E Tab adhesive T Middle H Various V Various K Unknown U Unknown L Multi mode M long.-splitting S Transverse shear T explosive X Other O B T L R M V U 11

12 ASTM D znak Mód poruchy F cu h P max lm a y f 2 E 2 2w h f a y 0 h a y 2 Ef c 2 w 2. znak Plocha poruchy 3. znak Místo poruchy skin to core Delamination Filament fracture throgh-tickness Layer instability local Wrinkling Multi-mode D At load A Left cyclinder F Gage G Right H Multiple areas M Middle L Outside gage O Various W Various V Unknown M Unknown U core Crushing C long.-spliting S h Plm a Transverse y f shear 2 explosive E 2 h f a y 0 ha y 2 Other E f T X L R M V U b a E b a O a 0,1%, b 0,3% 12

13 Smykové zkoušky Jednoosý tah 45 laminátu Smykové testy s dvojitým a trojitým vedením Smykový vzorek s V vrubem (Iosipescu, s vedením) Krut tenkostěnné trubky 13

14 Smyk - Jednoosý tah 45 laminátu BS EN ISO 14,129, ASTM D 3518 Vzorek vrstva >0,125 mm, 16 vrstev xx yy xx xx 11 xy; 22 xy; 12 xy ; 12 xx yy xx 12b 12a G12 b 2 xx yy 12 12a S12 14 Pmax 2bh

15 Smykové testy s dvojitým vedením ASTM D ) S xy Pmax Lh G12 xy xy P 2 Lh 45 15

16 Smykové testy s trojitým vedením ASTM D ) S xy Pmax 2 Lh G12 xy xy 16 P 4 Lh 45

17 Smyk -- Smykový vzorek s V vrubem (Iosipescu) ASTM D 5379 Pi Pu F, i w h w h u G

18 ASTM D

19 Smykový vzorek s V vrubem ASTM D 7078 Pi Pu F, i w h w h u G

20 ASTM D

21 Krut tenkostěnné trubky ASTM D TRo Ro4 Ri4 xy xy G12 xy ( ) xy 2) 21

22 Smyk krátkého nosníku ASTM D 2344 F sbs 0.75 Pm bh 22

23 Interlaminární pevnost Mód I ASTM D 5528 GI 3 P 2ba Mód I+mód II ASTM D

24 Sendviče Tah ASTM C 297 Tlak ASTM C 364, C 365, D7336 Smyk ASTM C 273, C393 Ohyb ASTM D 7249, D 5467 Impact ASTM

25 Příčný tlak ASTM C 364 Pmax w(2t fs ) 1. znak Mód poruchy 2. znak Plocha poruchy 3. znak Místo poruchy Facesheet compression Facesheet delam. Buckling Honeycomb Facesheet Dimpling Core Compression Core Shear F B D At end Gage Various A Top G Bottom V Middle T B M C S Unknown U Various Unknown V U Multi-mode M Overal Panel buckling P explosive X Other O 25

26 Tah ASTM C 297 Fz ftu Pmax A velikost buňky min [mm] 3 6 max [mm] min. ploch vzorku [mm2]

27 Tlak ASTM C 365 Pmax Fz A P0, 003 P0, 001 t fc Ez 0,003 0,001 A fcu velikost buňky min [mm] 3 6 max [mm] min. ploch vzorku [mm2]

28 Smyk jádra ASTM C273 P u t Lb P / u t G Lb 1. znak Mód poruchy 2. znak Plocha poruchy Core Shear S Interface failurei explosive X Other O At end Gage One Corner Various Unknown 3. znak Místo poruchy A G C V U Top T Bottom B Middle M Entire Length E Various V Unknown 28 U

29 Smykové vlastnosti jádra z ohybu sendviče ASTM C 393 ult s F Pmax (d c)b 1. znak Mód poruchy core Crushing skin to core Delamination Facing failure Multi-mode transverse Shear explosive Other 2. znak Plocha poruchy 3. znak Místo poruchy C At load bar A Core D Gage G Core-facing bond F Multiple M Bottom areas facing M One Corner C Top facing S Various V both Facing C A X Unknown O V U 29 U Various Unknown B T F

30 Vlastnosti potahů z ohybu dlouhých nosníků ASTM D znak Mód poruchy core Crushing skin to core Delamination Filament fracture through-thickness konfigurace Standardní Nestanadrdní 4PB 3PB 4PB čtvrtinová Vzdálenost podpor 560 mm S S Vzdálenost sil 100 mm 0 S/2 4PB třetinová S S/3 Pmax ( S L) F 2(d c)bt u Layer instability Multi-mode longitudional splitting tensile 2. znak Plocha poruchy 3. znak Místo poruchy C At load bar A Core D Gage G Core-facing bond F Multiple M Bottom facing areas H Outside O Top facing gage L Various V both Facing M Unknown U Various P Unknown N local Wrinkling W transverse Shear S explosive X Other O 30 C A B T F V U

31 Odolnost na impakt ASTM 7766 Modifikace ASTM 6264, 7136 (vlák. komp.) E CF t 31

32 Lepené spoje Tah ASTM D897, ASTM D2095 Smyk ČSN EN 1465, ASTM D 1002, EN , D3164 Odlup (ČSN EN ISO 11339, EN , ASTM D3167) 32

33 Poruchy lepených spojů 33

34 Tah ASTM D897, ASTM D

35 Smyk ČSN EN 1465, ASTM D 1002, EN , D

36 Smyk ASTM D

37 Smyk ČSN EN

38 Smyk cyklické zatížení ČSN EN ISO 9664 ASTM D

39 Odlup ČSN EN2243 ASTM D1786 ČSN ASTM D

40 Inserty Tah (vytrhávání) Smyk Krut Zdroje: ASTM Standards 40

41 Odporová tenzometrie na kompozitních konstrukcích Velikost (6mm) Odpor 350Ω, napájecí napětí tepelný výkon Teplotní kompenzace (půlmostové zapojení) Dvousložkové tmely Příprava povrchu Vlhkost 41

42 Optická vlákna Plošné sledování deformací Moiré DIC, ESPI, Sherografie NDT AE

43 Optické vlákno primární ochrana (polyakrilát, poliamid,...) [ø μm] plášť (sklo, n=1,46) [ø125μm] jádro (sklo, n=1,48) [ø8-10μm] Optické vlákno vnější plastový obal vnitřní vložka aramidová výztuž Ochrana optického vlákna

44 posun spektra způsobený zkrácením mřížky -Δ spektrum z optického zdroje posun spektra způsobený prodloužením mřížky +Δ vlnová délka [nm] část spektra odražená zpět mřížkou vlnová délka [nm] vlnová délka [nm] optický rozbočovač spektrometr optický zdroj Braggova mřížka spektrometr Braggova vlnová délka... B 2.n.

45 Braggova vln. délka... B 2.n. jádro n efektivní index lomu jádra opt. vlákna perioda mřížky [nm] plášť Λ Relativní změma změna Braggovy vlnové délky způsobená deformací a změnou teploty ΔλB = k.ε kt. T λb kε defromační koeficient ΔλBSTRAIN = λb.( 1 p).ε p defromačně optický koeficient koeficient teplotní roztažnosti opt. kt teplotní koefficient teploty vlákna ΔλB TEMP. λb.(α + ξ). ΔT ξ teplotně optický koeficient

46 Aparatury

47 Aplikace - sledování křídla Křídlo letadla kategorie UL Phoenix Air U15 2 vlákna 11 snímačů v hlavním nosníku Kořenové žebro 10 FBG sensors - tlak 1 FBG sensor - tah

48 Instlace Phoenix Air Ústí nad Orlicí

49 Statická destrukční zkouška (VUT Brno)

50 Moiré

51 Digitální korelace obrazu

52 Sherography

53 Akustická emise

54 Akustická emise

55 Zdroje 1) Mallick, P. K. Composites Engineering Handbook, CRC Press, 1997, ISBN ) Hodgkinson, J.M. Mechanical testing of advenced fibre composites, Woodhead Publishing 2000, ISBN ) Carlsson, L.A., Adams, D.F., Pipes, R.B. Experimental Characterization of Advanced Composite Materials, Third Edition, CRC Press, 2002, ISBN ) COMPOSITE MATERIALS HANDBOOK VOLUME 1, Polymer Matrix Composites, Guidelines for Characterization of Structural Materials MIL-HDBK-17, US Army Research Laboratory, 2002, Fort Belvoir, ) Valenta, F., kol.: Pružnost pevnost III, 2003, ČVUT v Praze ) Kopec, B. a kol.:nedestruktivní zkoušení materiálů a konstrukcí 2008, Brno,CERM 55 )