Restspänningar och brottkriterier för kompositmaterial (NFFP5-ReFACT) Robin Olsson Flygteknik 2010, Stockholm, 19 oktober 2010

Bakgrund Nya kompositmaterial och tillverkningsmetoder medger mer komplexa geometrier med komplexa treaxliga spänningstillstånd. Kropp Vinge Motor Ledskenor och yttre ring av komposit i VITAL (FP6) Bilder från www.volvoaero.com 24 aug 2010 Swerea 2010: R Olsson & R Juntikka

ReFACT – mål och innehåll Inriktning på kompositer med separata fiberbuntar AP1: Brottkriterier Brottkriterier under treaxlig spänning Hållfasthetsprov under fleraxlig spänning eller last ut ur planet AP2: Restspänningar Uppkomst och beräkning av restspänningar Inverkan av restspänningar på hållfastheten Deltagare: Volvo Aero, Swerea SICOMP, LTU Finansiering: NFFP: 6.2 Mkr under 4 år (2009 – 2013) 24 aug 2010 Swerea 2010: R Olsson & R Juntikka

NCF-material Hierarkisk struktur för NCF-komposit Mikromekanik Mesogeometrier Makroegenskaper (Mattsson et al. 2007) 24 aug 2010 Swerea 2010: R Olsson & R Juntikka

Inverkan av 3D spänningar Mesogeometrin kan ge stora spänningar ut-ur-planet under belastning i planet.  3D brottkriterier nödvändiga Exempel på inverkan av 3D-spänningar (modifierat Puck-kriterium) Transversella sprickor i NCF och prepreglaminat 24 aug 2010 Swerea 2010: R Olsson & R Juntikka

Hållfasthet - metodik Transversellt isotrop fiber Isotrop matris Mesomekanisk modell Mikromekanisk modell Homogeniserad transversellt isotrop bunt Homogeniserat ortotropt material 24 aug 2010 Swerea 2010: R Olsson & R Juntikka

Provning av matrismaterialet (plasten) Tryck Drag Biaxiellt tryck Plan töjning: s1 = 2s2 24 aug 2010 Swerea 2010: R Olsson & R Juntikka

Mikromekanisk modell för brott i bunt Max dilata-tionsenergi Max skjuv-spänning Initiella studier tyder på att Brott kan förutsägas med analytisk modell Hänsyn måste tas till volymeffekter 24 aug 2010 Swerea 2010: R Olsson & R Juntikka

Provmetoder för 3D-laster Litteraturstudie genomförd kring lämpliga provmetoder Biaxiellt drag/tryck i planet Enaxligt drag/tryck ut ur planet Skjuvning i/ur planet Fleraxlig last ur planet 2 3 24 aug 2010 Swerea 2010: R Olsson & R Juntikka

Planerade hållfasthetsprov Matrismaterial Buntar NCF Enaxlig last Fleraxlig last Litteraturstudie om metoder för provning av 3D-egenskaper genomförd 24 aug 2010 Swerea 2010: R Olsson & R Juntikka

Planerad validering i strukturanalys Modell Experiment Brottkriterium Mätning av töjningar Videofilmning / DIC Fraktografi Förutsägelse av brott Ev. simulering av skadetillväxt 24 aug 2010 Swerea 2010: R Olsson & R Juntikka

AP2 – Problem med restspänningar Sprickor pga restspänningar Formförändringar 24 aug 2010 Swerea 2010: R Olsson & R Juntikka

Restspänningar på olika nivåer Mikroskala (10m) Fiber och plast olika egenskaper (t.ex. längdutvidgningskoefficienter) Mesoskala (0.25mm) Skikten har olika egenskaper i olika riktningar Makroskala (10mm) Längdutvidgning av laminatet Återfjädring av krökta laminat [0/90/90/0] [0/0/90/90] 24 aug 2010 Swerea 2010: R Olsson & R Juntikka

Spänningsrelaxation: mesoskala - prov Raka balanserade provstavar [0/90/90/0] Tjocklek = 2 mm Ett tunt skikt har slipats bort provstaven är ej längre balanserad och kröker sig Tjocklek = 1 mm 24 aug 2010 Swerea 2010: R Olsson & R Juntikka

Spänningsrelaxation - resultat Krökning (mm) Krökningen motsvarar en restspänning tvärs fibrerna på 57 MPa. Detta motsvarar avkylning från härdtemperaturen till RT (160C), dvs kemiskt krymp har liten betydelse i detta fall. 24 aug 2010 Swerea 2010: R Olsson & R Juntikka

Restspänningar på makroskala Dubbel L T Formförändring Restspänningar Dubbla L-profilen formförändrar medan T-profilen får restspänningar i radien Syfte: Undersöka om härdcykeln kommer att inverka på restspänningar och hållfasthet. 24 aug 2010 Swerea 2010: R Olsson & R Juntikka

Restspänningar: T-profiler Tillverkade profiler med två härdcykler Dubbel L-profil Pågående aktiviteter: Mätning av formförändring Mekanisk provning 24 aug 2010 Swerea 2010: R Olsson & R Juntikka

Sammanfattning Nya komplexa geometrier ger mer 3D-spänningar Brottkriterier och prov för 3D-spänningar måste utvecklas NCF-material är ortotropa => speciell provning ut ur planet NCF-material kräver analys på mikronivå, buntnivå och mesonivå Restspänningar väsentliga för brott och formändringar Experiment visar att restspänningar ffa beror på termiskt krymp Projektets slutmål Processimulering → restspänningar + 3D brottkriterier = Brott pga last efter tillv. 24 aug 2010 Swerea 2010: R Olsson & R Juntikka