Lätta konstruktioner. HT2 7,5 p halvfart Lars Bark och Janne Carlsson

Transkript

1 Lätta konstruktioner HT2 7,5 p halvfart Lars Bark och Janne Carlsson

2 Måndag 5:e December 9:15 12:00 Material/kompositer PPU408 repetition Förmiddagens agenda Laboration: Dimensionering av kompositbalk FEM-beräkningar i SolidWorks för kompositer Paus Genomgång av viktiga delar från föreläsningarna Paus Exempel på tentamensfrågor 2

3 Planering material/komposit-delen Föreläsning 1 Introduktion till lätta konstruktioner Föreläsning 2 Materialval och materialindex, kap 5 Vad är kompositer? Från fiber till komposit Föreläsning 3 Kompositer Val av material och form, kap 9 Fallstudier material och form, kap 10 Föreläsning 4 Design av hybridmaterial, kap 11 Fallstudier hybrider, kap 12 Kompositberäkning med SolidWorks 3

4 Laboration: Stark och lätt kompositbalk En sandwichbalk ska dimensioneras för att bli så lätt och stark som möjligt. Balken ska vara 190 mm lång och 24 mm bred och ha en honeycombkärna som är 15 mm tjock. Uppgiften är att välja ett optimalt tjockt täckskikt i kolfiberarmerad epoxy så att högsta möjliga materialindex uppnås M = F 1/2 /m där F är maxlasten och m är balkens vikt. Excel-ark för beräkning finns på zoomin 4

5 5

6 6

7 7

8 8

9 9

10 10

11 11

12 12

13 13

14 14

15 15

16 16

17 Paus Vi tar en rast på cirka 15 minuter 17

18 Föreläsning 1 Fokus för vår kurs Lätta konstruktioner Den ska hålla Den ska fungera Den ska vara lätt Detta är våra primära kundbehov 18

19 Designkrav från kundbehov Den ska hålla: Vi kan ställa krav på att vår konstruktion ska klara en viss belastning. Vi har krav på konstruktionens styrka Den ska fungera: Vi kan ställa krav på konstruktionens styvhet uttryckt i en maximalt tillåten deformation. Vi har krav på konstruktionens styvhet Den ska vara lätt: Vi vill ha en lättviktskonstruktion med en låg massa. 19

20 Från designkrav till optimal lättviktskonstruktion I hållfasthetsläran har vi alltid 3 grundsamband Jämvikt Materialsamband Deformationssamband Med dessa samband kan vi ta fram ett kriterium som ska maximeras för en optimal lättviktskonstruktion 20

21 Optimala materialindex för en dragstång CFRP, epoxy matrix (isotropic) 0,5 Titanium alloys Yield strength (elastic limit) / Density 0,2 0,1 0,05 GFRP, epoxy matrix (isotropic) Stainless steel Age-hardening wrought Al-alloys Low alloy steel Boron carbide 0,02 0,005 0,01 0,02 0,05 0,1 0,2 Young's modulus / Density 21

22 Optimala materialindex för en balk 0,1 CFRP, epoxy matrix (isotropic) ( Yield strength (elastic limit) ) ^ ( 2 / 3 ) / Density 0,05 0,02 0,01 Stainless steel Low alloy steel Titanium alloys Age-hardening wrought Al-alloys Wrought magnesium alloys Boron carbide 0,005 0,002 0,003 0,004 0,005 0,006 0,007 0,008 0,009 0,01 0,011 ( Young's modulus ) ^ ( 1 / 2 ) / Density 22

23 Optimala materialindex för en panel CFRP, epoxy matrix (isotropic) Rigid Polymer Foam (LD) ( Yield strength (elastic limit) ) ^ ( 1 / 2 ) / Density 0,02 0,01 0,005 0,002 Stainless steel Low alloy steel GFRP, epoxy matrix (isotropic) Age-hardening wrought Al-alloys Polyamides (Nylons, PA) Titanium alloys Wrought magnesium alloys Boron carbide Rigid Polymer Foam (MD) 0,001 5e-4 0,001 0,002 0,005 0,01 ( Young's modulus ) ^ ( 1 / 3 ) / Density 23

24 Optimala materialindex för en sträva CFRP, epoxy matrix (isotropic) 0,5 Wrought magnesium alloys Yield strength (elastic limit) / Density 0,2 0,1 0,05 Stainless steel Low alloy steel Titanium alloys Age-hardening wrought Al-alloys GFRP, epoxy matrix (isotropic) Softwood: pine, along grain 0,02 0,002 0,003 0,004 0,005 0,006 0,007 0,008 0,009 0,01 ( Young's modulus ) ^ ( 1 / 2 ) / Density 24

25 1e6 Stukning eller knäckning? σ f 2 Polyurethane E CFRP, epoxy matrix (isotropic) ( Yield strength (elastic limit) ) ^ 2 / Young's modulus Titanium alloys Age-hardening wrought Al-alloys Low alloy steel Stainless steel Wrought magnesium alloys GFRP, epoxy matrix (isotropic) Cast Al-alloys Low carbon steel 0,1 25

26 Föreläsning 2 Materialval och materialindex 26

27 Valstrategi En process med 4 steg Översättning Omformulera designkraven till designkritiska egenskaper Sållning Sålla bort alla material som inte klarar jobbet Rangordna Lista de material som bäst uppfyller kraven Dokumentera Undersök bästa materialens historia 27

28 Översättning Omformulera designkraven till designkritiska egenskaper Identifiera följande: Funktion - Vad gör komponenten? Begränsningar - Vilka villkorslösa krav måste uppfyllas? Målsättningar - Vilka prestanda ska optimeras? Fria parametrar - Vilka egenskaper är vi fria att ändra? 28

29 Begränsningar mot målsättningar Begränsning Väsentligt krav som måste uppfyllas, ofta ett gränsvärde Målsättning Egenskap där vi söker ett extremvärde Ger oss ett materialindex att maximera Figure

30 Grafer med materialindex Figure

31 Vad är kompositer? Ordet komposit kommer från latinets compositum som betyder sammansatt En definition av komposit En struktur som består av fler än ett material, sammansatta på ett sådant sätt att karakteristiska egenskaper från dess enskilda material ger bidrag till komponenten (Från fiber till komposit). 31

32 Kompositmaterial I kursen kommer vi att fokusera på materialstrukturer sammansatta av flera olika material där en eller flera förstärkningsfaser förstärker en vekare fas. Den vekare fasen kallas matris Matrisens funktion är att hålla samman fibrerna, överföra laster mellan olika fibrer. Matrisen förbättrar även seghet och ofta korrosionegenskaper Vi får en förstärkt komposit t.ex. fiberförstärkt komposit, fiberkomposit 32

33 Exempel på förstärkta kompositer Partikelkompositer Utskiljningshärdade metaller, porösa material, betong, hårdmetall Lamellkompositer Perlit, plywood Fiberkompositer Glasfiberförstärkt plast, kolfiberförstärkt plast, Aramidfiberförstärkt plast (Kevlar), keramförstärkt metall, stålfiberförstärkt betong, glasfiberförstärkt betong 33

34 Kombinerade kompositstrukturer Hybrider Laminat Flera tunna skikt med kompositer, lameller, placeras med olika riktningar och bygger upp ett laminat med önskat riktningsberoende. Sandwich Två tunna ytterskikt, ofta laminat, separerade av ett tjockare distansmaterial, kärnmaterial Hybrider Strukturer med flera förstärkningsfaser, ex. kol-, glas- och borfibrer 34

35 Några vanliga fibrer Organiska fibrer Polyamidfiber (PA, Nylon) Polyesterfiber (PET, Polyetentereftalat) Polyolefinfiber (PE, Polyeten, PP, polypropen) Aramidfiber (Kevlar) Oorganiska fibrer Glasfiber Kolfiber Borfiber Aluminiumoxidfiber Kiselkarbidfiber Wolframfiber 35

36 Organiska fibrer: PA, PET, PE och PP Kan smältdragas till multifilamentvid C Kan användas upp till cirka 100 C PA, Nylon eller polyamid. PA 6 och PA 6.6 är vanligast PA 6.6 har högre smältpunkt på 250 C (mot 215 C) Kemiskt stabil men bryts ned av UV-ljus PET, Polyester. Lägre styvhet än PA men hög styrka UV-känslig PE, PP Ger fibrer med hög styrka och låg vikt UV-känslig 36

37 Organiska fibrer: Aramidfiber, Kevlar Kevlar och Twaron är aramidfibrer med hög axiell draghållfasthet Gul till färgen Anisotrop fiber Kan användas utan problem upp till 150 C UV-känslig Mycket flexibel, lätt att väva Extremt seg 37

38 Oorganiska fibrer: Glasfiber Amorft (icke-kristallint) och vanligaste fibern. E-fiber och S-fiber är de två vanligaste typerna S-fiber har högre styrka och styvhet men också högre pris Känsliga för hanteringsskador Isotrop Beständig mot korrosion Kolfiber Framställs genom oxidering och värmebehandling av organiska fibrer Grafitstrukturen ger hög axiell hållfasthet men anisotrop struktur Finns som HM och HS, E-modul 380 GPa eller sträckgräns 4500 MPa Är elektriskt ledande 38

39 Oorganiska fibrer: Borfiber Attraktiv pga hög styrka och styvhet med låg densitet Beläggs i gasform på wolframfiber eller kolfiber Används inom flygindustri och sportprodukter Aluminiumoxidfiber Tål högre temperaturer än glasfiber Används ofta i metallmatriskompositer (MMC) Kiselkarbidfiber Attraktivt för aluminium-, titan- och keramiska kompositer Whiskers får hög E-modul, 700 GPa, och hög styrka, 10 GPa Wolframfiber Fiber för högtemperaturanvändning i MMC 39

40 Polymermatriskompositer, PMC Plast är en polymer med tillsatser Ordet plast kommer från grekiska plasticos som betyder formbar Fiberförstärkt plast introducerades under andra världskriget Polymerer delas upp i: Härdplaster Termoplaster Polymermatriskompositer, PMC (polymer matrix composites) Fördelar: viktminskning, korrosionsbeständighet, buller- och vibrationsdämpning, lägre tillverkningskostnader Nackdelar: låg maximal användningatemperatur, känsligt för fukt, UV-ljus och kemikalier 40

41 Vanliga härdplaster Epoxiplast, EP Goda mekaniska egenskaper Kraftigt allergiframkallande Polyester, PE Avger styren och kräver mycket god ventilation Tillverkas av formbar ännu ej förnätad polymer, harts (resin) Härdningsmedel startar en kemisk reaktion som bildar en nätstruktur som gör plasten styvare och temperaturtåligare 41

42 Vanliga termoplaster Polyamid, PA Nylon Acetalplast, POM Polyeten, PE Polypropen, PP Polykarbonat, PC Termoplast som matris har många fördelar: inga giftiga gaser, formsprutning med korta fibrer, hög fiberhalt, kan svetsas, hög slagseghet och lättare att reparera Nackdelar: lägre tryckhållfasthet sämre utmattningsegenskaper och sämre värmetålighet 42

43 Paus Vi tar en fikarast på cirka 15 minuter 43

44 Val av material och form, kapitel 9 44

45 Formfaktorn, Mekanisk effektivitet uppnås genom att kombinera material med form Formen karakteriseras av en dimensionslös formfaktor, Figure

46 Optimal form beror på belastningen Figure

47 Formfaktor för olika tvärsnitt 47

48 Empiriska gränser för formfaktorn 48

49 Materialindex som inkluderar form Styv och lätt balk: Styv och lätt axel: Stark och lätt balk: Stark och lätt axel: 49

50 Design av hybridmaterial, kapitel 11 50

51 Hål i materialrymden Alla materialegenskapskartor har hittills haft hål. Dessa kan fyllas med väldesignade hybrider Figure

52 Möjligheter med hybridmaterial En blandning av två material får en blandning av deras egenskaper Bäst av båda när volymsegenskaper kombineras med ytegenskaper, t.ex förzinkat stål eller glaserad keramik Blandningsregeln när volymsegenskaper blandas fås ett medelvärde viktat av volymsandelen, t.ex. fiberkompositer i fiberriktningen Harmoniskt medelvärde när svagaste länken dominerar, t.ex. styvheten hos partikelkompositer Figure

53 Egenskaper för kompositer Densitet ρ m matrisens densitet ρ r förstärkningens densitet f volymsandel för förstärkningen Elasticitesmodul Övre gräns Undre gräns E r E-modul för förstärkningen E m E-modul för matrisen f volymsandel för förstärkningen 53

54 Brottmekanismer i kompositer Figure

55 Styrka för kompositer Dragning parallellt med fibrerna Övre gräns Undre gräns Dragning tvärs fibrerna Övre gräns Undre gräns Kompression axiellt 55

56 Styrka Styrkan uppskattad för glasfiberarmerad epoxy Liten spridning i fiberriktningen Stor spridning tvärs fiberriktningen Figure

57 Sandwichkompositer En sandwichpanel kombinerar två material, ett styvt material till täckskikten och ett lätt material som kärnmaterial för att optimera böjstyvheten och styrkan Figure

58 Ekvivalenta egenskaper för ett sandwichmaterial Densitet Styvhet B1, B2 är konstanter som beror på belastningen se Tabell 11.3 Figure

59 Brottmekanismer för sandwichpaneler Det finns flera brottmekanismer för sandwichpaneler Brottmekanismen med lägst styrka ger oss den ekvivalenta brottböjspänningen Plasticering av täckskikt Buckling av täckskikt Skjuvning av kärnan Figure

60 Optimering av en lätt och styv panel Figure

61 Optimering av en lätt och stark panel Figure

62 Exempel på tentamen 40p totalt varav 20 p på materialdelen Uppgift 1 Några kortfrågor. 1p vardera (8p) a) Vilka tre grundsamband har vi inom hållfasthetsläran? b) Nämn en materialegenskap för materialets styrka. c) Ge exempel på två oorganiska fibrer Uppgift 2 Materialval (Totalt 4p) Ange ett materialindex som är maximalt för en optimalt styv och lätt dragstång (2p) Uppgift 3 Fibrer (2p) Ge exempel på två organiska fibrer Uppgift 4 Matrismaterial (2p) Ange två fördelar med en termoplast som matrismaterial Uppgift 5 Kompositer (4p) Beräkna ekvivalenta böjbrottspänningen för plasticering av täckskiktet 62