Měření specifické absorbované energie kompozitních materiálů

Měření specifické absorbované energie kompozitních materiálů

Měření specifické absorbované energie kompozitních materiálů Michal Mališ

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

Projekt Zvýšení pasivní bezp. letounu 1. Návrh prostředků pro ochranu hlavy při havarijním přistání 2. Zajištění ochrany páteře při havarijním přistání 3. Zvýšení odolnosti kabiny proti průrazu částí konstrukce do prostoru posádky # 4

Principy pasivní bezpečnosti CREEP 1. Container bezpečný prostor kolem pasažéra 2. Restraint bezpečnostní pásy 3. Energy Management deformační člen zpomalení letounu 4. Environment design bezprostředního okolí pasažéra 5. Post-crashFactors- požár, snadné opuštění letounu Kalibrace materiálových modelů Stanoveni SAE # 5

Absorbovaná energie 1. Specifická absorbovaná energie SAE[J/kg] 2. Celková absorbovaná energie [J] plocha pod křivkou sila vs. posunutí # 6

Specifická absorbovaná energie Obecně mají kompozity velký potenciál k pohlcení energie 15-25 kj/kg 40-80 kj/kg # 7

Mechanismus poškození 1. Křehké tlakové a smykové porušení 2. Ohyb a tření separovaných vrstev 3. Interlaminární poškození SAE není materiálová charakteristika!! # 8

Standardizace vzorků NASA/ARL fixture 1. Nutné boční vedení při zkoušce 2. Vedení zamezuje odtékaní materiálu z kontaktu 3. Jednoduchá výroba 4. Výsledky jsou nesrovnatelné s válcovými vzorky Tři typy triggeru # 9

Standardizace vzorků DLR 1. Částečná stabilita při zkoušce upnuto v kleštině 2. Jednoduchá výroba 3. Použito při kalibraci PAMCRASH - Airbus # 10

Standardizace vzorků Feraboli2007-2009 Projekt: Standardization of numerical and experimental methods for crashworthiness energy absorbtion of composite materials # 11

Použitý vzorek Vzorek musí: - být odolný proti ztrátě stability - mít trigger - použitelný bez přídavků - vyrobitelný ve formě - jednoduchý na výrobu # 12

Příprava experimentu Série Počet vrstev Počet vzorků Materiál Vrstvení 1 9 6 Sklo - Interglass 92125 0/90 2 9 6 Uhlík200g/m 2 0/90 3 5+4 6 Uhlík200g/m 2 0/90/+-45 4 9 6 Uhlík200g/m 2 +-45 5 9 6 Uhlík/aramid 175g/m 2 0/90 Požité tkaniny - Skleněná tkanina 92125-280 g/m 2 - Uhlíková tkanina 200 g/m 2 - Hybridní tkanina aramid/uhlík 175 g/m 2 Matrice - Epoxid MGS L-285 - Tvrdidlo MGS L-287 # 13

Výroba vzorků Ruční laminace s vytvrzováním za pokojové teploty # 14

Měření Trigger vyroben ručně Vzorek byl volně postavený bez přípravku mezi dvěma deskami Rychlost zatížení 25mm/min # 15

Postup vyhodnocení Příklad vyhodnocení pro uhlík 200-0/90 Energie [J] SAE Sila [J/g] [N] 2.5 x Absorbovana Sila na posunuti 104 Specifická absorbovaná energie na energie posunuti 1000 90 900 80 8002 70 700 60 600 1.5 50 500 40 4001 30 300 vzorek 1 vzorek 2 vzorek 3 vzorek 4 vzorek 1 vzorek 5 vzorek 2 vzorek 6 vzorek 3 střední průběh vzorek 4 vzorek vzorek 15 vzorek vzorek 26 vzorek střední 3průběh vzorek 4 vzorek 5 vzorek 6 střední průběh 20 200 0.5 100 0 0 10 20 30 Posunuti [mm] 40 40 50 50 60 60 # 16

Vyhodnocení Vyhodnocení pro uhlík/aramid 175-0/90 2.5 x Specifická Sila absorbovaná na posunuti energie 90 104 80 2 70 1.5 60 vzorek 1 vzorek 2 vzorek 3 vzorek 4 vzorek 5 střední průběh Sila [N] SAE [J/g] 50 1 40 0.5 30 20 0 10-0.5 0 0 10 20 30 40 50 60 Posunuti [mm] # 17

Vyhodnocení Vyhodnocení pro uhlík 200 +-45 3 x Specifická Sila absorbovaná na posunuti energie 60 104 2.5 50 402 vzorek 1 vzorek 2 vzorek 3 vzorek 4 vzorek 5 střední průběh SAE Sila [N] [J/g] 1.5 30 201 0.5 10 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 Posunuti [mm] # 18

Vyhodnocení podle typu materiálu 2 x Specifická Sila absorbovaná na posunuti energie 90 104 1.8 80 1.6 70 uhlik-kevlar175 0/90 sklo280 0/90 uhlik200 0/90 SAE Sila [J/g] [N] 1.4 60 1.2 50 1 40 0.8 30 0.6 20 0.4 0.2 10 0 0 10 20 30 40 50 60 Posunuti [mm] # 19

Vyhodnocení podle vrstveni 2 x Specifická Sila absorbovaná na posunuti energie 90 104 1.8 80 SAE Sila [J/g] [N] 1.6 70 1.4 60 1.2 50 1 40 0.8 30 0.6 uhlik200 0/90 uhlik200 0/90/45 uhlik200 0/90 uhlik200 45 uhlik200 0/90/45 uhlik200 45 20 0.4 0.2 10 0 0 10 20 30 40 50 60 Posunuti [mm] # 20

Vyhodnocení 1. Podmínkou efektivního pohlcení energie je zamezit ztrátě stability vzorku 2. Pevnost a typ materiálu výztuže má malý vliv na výsledné závislosti sila na posunutí a SAE 3. Vliv vrstvení pokud není zdrojem ztráty stability má malý vliv na SAE Místo konání prezentace # 21

Mechanismus poškození Delaminace mode I Ohybová pevnost separovaných vrstev Delaminace mezi separovanými vrstvami Tření mezi zatěžovací deskou a vzorkem Tření mezi drtí a vzorkem A. G. Mamalis, Crashworthiness of Composite Thin-Walled Structural Components # 22

Mechanismus poškození a možnosti modelování Pokročilé materiálové modely Modely delaminace mode I, II, mix mode Tření # 23

Building block approach Standard State-of-the-art B6 Component B5 Subcomponent B4 Structural element B3 Coupon level Experiments # 24 Analyses

Materiálové testy 1. Uhlíková tkanina 200g/m 2, epoxy MGS 285/287 2. Objemový poměr ~52% ASTM D 3039 E 11, E 22, X t, Y t, µ 12 ASTM D 3518 G 12, S 12, průběh ASTM D 6641 (E 11, E 22 ), X c, Y c # 25

Materiálové testy - výsledky Skladba 7x 0/90 Skladba 7x ±45 1000 Strain vs. stress C om pressiv e s tres s [M P a] 500 0-500 -0.02-0.015-0.01-0.005 0 0.005 0.01 0.015 0.02 strain [-] # 26

Použité materiálové modely 1. MSC. Nastran sol 700 (LS-Dyna) MAT054, MAT058 2. MSC. Dytran MAT8, MAT8A Dostupné konstitutivní modely uvažují kompozitní materiál jako lineárně-elastický materiál v obálce porušení dané příslušným poruš ovacím kritériem - Progresive failure model (PFM) - Continuumdamagemodel (CDM) # 27

Použité materiálové modely PFM CDM MAT054 MAT8, MAT8A MAT058 # 28

Single element analysis - Skladba 7x0/90 - Určení kritických parametrů a pro vymazání elementu tah tlak smyk # 29

MSC. Dytran MAT8 Orientace 0/90 7 1000 Xt= 848 MPa Napětí [MPa] Energie [mj/mm 3 ] 1 1 6 800 2c 2c 600 5 test-idealizovany 400 4 200 3 0-0,015-0,010-0,005 0,000 2 0,005 0,010 0,015 0,020-200 -400 1-600 0-0,015-0,01-0,005 0 0,005 0,01 0,015 0,02-800 Deformace [-] Deformace [-] # 30

MSC. Dytran MAT8 90 80 Orientace +-45 TauMax= 69 MPa TauMax= 80 MPa 70 60 Napětí [MPa] 50 40 30 Test-idealizovany alfa=0 alfa=5e-7 20 10 0 0,000 0,050 0,100 0,150 0,200 0,250 0,300 0,350 0,400 0,450 0,500 Deformace [-] # 31

MSC.Nastran 700 MAT058 Orientace 0/90 1000 Xt= 848 MPa 1 2-Vysledek napětí 2- Vysledek lin. sila 3t 3c 800 600 400 SLIMt= 1 Napětí[MPa] Test - idealizovany 200 0-0,03-0,02-0,01 0 0,01 0,02 0,03-200 -400 E11t=.014 SLIMt= 1e-12-600 Deformace [-] # 32

MSC.Nastran 700 MAT058 Orientace +-45 90 80 Sc= 69 MPa SLIMS= 1 70 60 Tau1= 40 MPa Napětí [MPa] 50 40 GMS=.25 SLIMS=.86 1 2 Řady1 30 20 Gama1= 40 MPa ERODS=.35 10 0 0,000 0,050 0,100 0,150 0,200 0,250 0,300 0,350 0,400 0,450 0,500 Deformace [-] # 33

Modelování zkoušky 1. Strategie modelování nárazů je neprediktivní 2. Komplexní porucha laminátu nelze modelovat jednoduchým modelem 2000 mm/s 3. Zásadní vliv nefyzikálních konstant Časový krok - deafult Hustota sítě 40x40 Tlumení (DAMPGBL, 10000) Parametry kontaktu dvě strategie Nefyzikální materiálové konstanty (SOFT) Vyhlazovací filtr SAE CFC 2000 mm/s # 34

Modelování zkoušky 5 x 104 Sila na posunutí 4 experiment MKP nefiltr MKP filtr 3 Síla [N] 2 1 0-1 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Posunutí [mm] # 35

Vliv parametru SOFT 1. Parametr SOFT součást materiálového modelu MAT054 058 2. MSC. Dytran parametr SOFT nemá MSC. Dytran; SOFT =1 # 36

Kontakt s předepsanou penetrací 3 2.5 x 104 Sila na posunutí 2500 2.5 2 1. RIGID kontakt 2 2. Předepsanou SP křivkou 1.5 Sila [N] 2000 1500 1000 experiment MKP nefiltr MKP filtr Síla [N] 1.5 1 1 500 0 experiment SOFT = 0.6 SOFT = 0.5 SOFT = 0.55 0 1 2 3 4 5 0.5 0.5 Penetrace[mm] 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Posunutí [mm] # 37

Co dál? 1. Zjistit vlivy dalších parametrů simulace: Časový krok Hustota a struktura sítě Rychlost zatěžování.. 2. Simulace zkoušky s různým vrstevním 3. Simulace s vícevrstvým modelem Kohezní kontakt s porušením na základě LLM # 38

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