Komposit mot metall i rymdmiljö KOMET-3 Stockholm, 11-12 November, 2014
KOMET KOMET = KOmposit mot METall i rymdmiljö Industri: RUAG Space AB (Linköping) GKN Aerospace (Trollhättan + ACAB Linköping) Akademi Swerea SICOMP KTH Lättkonstruktioner 2 Komet-3
Syftet med projektet Delprojekt inom Komet-3 Separationsystems-band i kolfiber Förstyvningsringar för dysa i kolfiber Projektet har som avsikt att öka förståelsen om: Konstruktion Dimensionering Tillverkning av ringar av komposit och/eller hybridlaminat samt montering av dessa till metallstrukturer. Kunskapen förväntas på sikt ge en förbättrad produkt i form av ökad maximal nyttolast hos systemen genom minskad vikt. 3 Komet-3
Var sitter satellitseparationssystemet? 4 Komet-3
Kolfiberband Belastning: Dimensionerande: 82.5 kn Dimensioner: Diameter: 1.2 m Tjocklek: 10 mm Bredd: 30 mm Förväntad viktsreduktion: Ø 1 m 1.1 kg Ø 2 m 2.2 kg Bandändar: Hybrid med ca 25% Titan Från tidigare NRFP (Komet-2): Titanlaminerat kolfiberlaminat för förbättrad hålkanthållfasthet. Kommer till användning i bandändarna för att möjliggöra koppling till end-fitting. 5 Komet-3
Band i kolfiber The devil is in the details! Tekniska utmaningar: Bandändarna skall skruvas till s.k. end-fittings (Komet-2) Bearbetning av bandändar (Höghastighetsfräsning) Laminattjocklekar för byggandet av ett band (Analyserats av SICOMP) Tillverkningsfixtur för limning av band (Utfört av SICOMP) Laminering av bandändar med Titan (Ytbehandling; Kräver skarvar) Skarvning av laminat (provprogram) Får ej krypa under last (ej i Komet-3) 6 Komet-3
Band i kolfiber Limningen prototypband No.1 En person blandar och doserar lim, 4 personer lägger på lim, 36 doser behövs Lim läggs på helt manuellt på plana band med ändavslut i hybrid Det gick bra att böja bandstacken med 10 stycken 4 meters kompositband Ett standardspännband användes för att åstadkomma limtryck Härdning skedde i ca 20 grader i 7 dygn uppspänt på verktyget Uppmätta tjocklekar. 7 Komet-3
Provning av färdigt band Långtidsinstallation, 40 kn, 1 vecka. Långtidsinstallation, 60 kn, 1 vecka. Band-release, 60 kn, höghastighetsfilmning. Mycket lovande resultat! 8 Komet-3
Analys av kritiska punkter, KTH Contact point Strip joint Clamp gap Slutsatser Olika koncept har utvärderats. Förhöjda spänningar i övergången från cirkulärt till rakt. Dessa spänningar är dock relativt små jämfört med andra spänningar i bandet Alla spänningar är inom tillåtna värden för det valda konceptet. 9 Komet-3
Utformning av skarvar i band av lameller Olika skarvgeometrier Aluminium epoxylim Enaxligt dragprov Töjningsmätning med beröringsfritt mätsystem (DSP) 10 Komet-3
Utformning av skarvar i band av lameller Samtidig mätning: Framifrån Från sidan 11 Komet-3
Utformning av skarvar i band av lameller Elastic Limit utvärderad Något högre Elastic Limit för större vinklar Adhesivt brott Ökad förståelse för beteendet och brottmekanismer Lastvägar och brottprogression undersökta 12 Komet-3
Förstärkningsringar Minska vikt och tröghetsmoment för raketmunstycken/motorer Öka specifik styvhet för att undvika koppling last egenfrekvens Temperaturer 50-400K för regenerativt kylda munstycken (H2 och metan) Dynamiska trycklaster ger ovalisering och andra icke runda deformationer Typiska positioner för regenerativa munstycken 13 Komet-3
Arbete i projektet Konceptgenerering förstärkningsringar SICOMP/GKN Sandwichkoncept valt Tillverkning av provobjekt förstärkningsringar ACAB Lindning av kolfiber på kärna, limmad på struktur Upprättande av provplan KTH/GKN Utrustning, mätmetoder och provprogram definierade Mekanisk provning vid rumstemperatur av förstärkningsringar KTH Modalprov + kvasistatiskt/cykliskt prov 14 Komet-3
Exempel på konstruktionskoncept Koncept 1 Koncept 3 Koncept 4 Koncept 5 15 Komet-3 15
Koncept 5 - Sandwichbalk Composit Core Base steel structure Med detta koncept (utan värmeisolering och slagskydd) så väger kompositförstyvningen 0.38 kg vilket kan jämföras med stålförstyvningen som väger 1.82 kg. Den kompositkonstruktion vi skall prova ger 80% viktbesparing och vi bedömer att även med slagskydd så kommer viktbesparingen att bli > 50% Figure 26 Concept 5 16 Komet-3 16
Lastrepresentation Utbredd, varierande last Lastinföring i provuppställning 17 Komet-3
Modalprov Verifiering av egensvängningsfrekvenser Mätning av förlustfaktor för mod 1 3 Mode# Frequency [Hz] Damping [%] Freq. FE [Hz] 1 38 0.998 34 (-11%) 2 89 1.539 76 (-15%) 3 144 2.070 118 (-18%) 18 Komet-3
Statiskt / kvasistatiskt prov Vertical displ. [mm] Load [N] Hor. Displ- [mm] FEmodel load [N] Hor. Displ. FE (mm) 4.7 6 4.5 215 172 (-20%) 12 9.5 425 344 9.5 (-19%) 24 19.2 841 690 18.9 (-18%) 30 24.2 1038 866 23.7 (-17%) 36 - - 1039 28.4 19 Komet-3
Resultat Brott efter 60 cykler Brott vid statiskt test Sannolikt brott i limfog mellan kärna och stålring Förstyvningseffekten tillräcklig (något bättre än predikterat), hållfastheten avsevärt sämre Tillverkningsaspekter kritiska 20 Komet-3
Slutsatser Samarbete och överhörning mellan industrier med likartade problem. Samarbete mellan Universitet och Institut. NRFP har gett möjlighet att realisera idéer. 21 Komet-3
Frågor 22 Komet-3