Technologia i Automatyzacja Montażu 2/2014 NAPRĘŻENIA W HYBRYDOWYCH KOMPOZYTACH WARSTWOWYCH TYPU FML SPOWODOWANE ZMIANĄ TEMPERATURY Jan GODZIMIRSKI, Agata PIETRAS Streszczenie Analiza wytężenia połączeń adhezyjnych pomiędzy warstwami komponentów tworzących hybrydowe kompozyty warstwowe daje możliwość kompleksowej oceny ich wytrzymałości. Ze względu, iż komponenty kompozytów typu FML cechują odmienne właściwości fizyczne (w tym również wartości współczynników rozszerzalności liniowej), uznano za celowe zbadanie oddziaływania zmian temperatury na powstające w materiale tzw. naprężenia termiczne. Analizę przeprowadzono w zakresie sprężystych i plastycznych odkształceń metalowego komponentu badanych materiałów, a rozpatrywanymi przypadkami były modele FML-i o budowie symetrycznej i niesymetrycznej. Wykazano, iż w kompozytach warstwowych o budowie symetrycznej obciążonych zmianą temperatury, małe wartości powstających naprężeń nie stanowią zagrożenia, które mogłoby spowodować zniszczenie połączeń adhezyjnych. W przypadku niesymetrycznej budowy hybrydowych kompozytów warstwowych zmiany temperatury powodują istotnie zwiększenie obciążeń połączeń adhezyjnych. Badania prowadzone były metodą symulacji numerycznej z wykorzystaniem do obliczeń wartości stałych materiałowych wyznaczonych w sposób eksperymentalny. Słowa kluczowe hybrydowe kompozyty warstwowe, połączenia adhezyjne, naprężenia termiczne 1. Wprowadzenie Hybrydowe kompozyty warstwowe (FML) są to materiały wytwarzane z połączonych ze sobą adhezyjnie cienkich warstw metali oraz kompozytów polimerowych wzmacnianych włóknami [1]. Połączenia adhezyjne tworzą syciwa wykorzystywane do przesycania komponentu kompozytowego. Do głównych zalet FML-i należą m.in. mała gęstość oraz mała szybkość propagacji pęknięć w warstwach takich laminatów [2]. Dodatkowo FML-e w porównaniu z materiałami metalowymi charakteryzuje lepsza tolerancja uszkodzeń [3, 4], pod względem ich wpływu na trwałość zmęczeniową, odporność na korozję [2, 5, 6] oraz lepsza udarność [7]. Pozytywny wpływ warstwowej budowy FML-i można również zauważyć w ich odporności na wyładowania ładunków elektrycznych (atmosferycznych) oraz odporności na przenikanie płomienia w głąb materiału (ognioodporność) [2]. W porównaniu z kompozytami polimerowymi FML-e wykazują lepszą wytrzymałość, udarność i odporność na kruche pękanie. Obok wielu bardzo cennych właściwości FML-e wykazują również mniej korzystne cechy związane z możliwością wystąpienia zjawiska delaminacji materiału w płaszczyznach połączeń adhezyjnych [8]. Jednym z istotnych obszarów badań wydaje się prowadzenie analizy pod kątem wytrzymałości połączeń adhezyjnych FML-i. Liczne badania dotyczące wpływu temperatury na wytrzymałość FML-i [2, 9] oraz na proces ich wytwarzania [10] nie były prowadzone w aspekcie analizy wytężenia połączeń adhezyjnych. Celem przedstawionych obliczeń numerycznych i badań eksperymentalnych było określenie wpływu temperatury na wytężenie komponentów i połączeń adhezyjnych FML-i. Badano FML-e o budowie symetrycznej oraz niesymetrycznej, w zakresie sprężystym i plastycznym komponentu metalowego. Badania obejmowały eksperymentalne określenie współczynników rozszerzalności liniowej komponentów kompozytowych, budowanie symetrycznych i niesymetrycznych modeli numerycznych, obliczenia naprężeń przy obciążeniach zmianą temperatury, mechanicznych oraz mechanicznych przy jednoczesnej zmianie temperatury. Obiektem badań były hybrydowe kompozyty warstwowe o budowie symetrycznej Caral 5/6 oraz Glare 5/6 oraz niesymetrycznej Glare 6/6, których struktura została przedstawiona w tabeli 1. Analizowano wartości naprężeń zredukowanych w komponentach oraz normalnych prostopadłych do łączonych warstw FML-a w komponencie kompozytowym (decydujących o wytrzymałości połączeń adhezyjnych na odrywanie) i odpowiednich naprężeń stycznych mogących spowodować ścięcie międzywarstwowe. Prowadzone analizy wykazały [11], że korzystanie w tego typu obliczeniach numerycznych z elementów typu cohesive do modelowania spoin klejowych może być obarczone dużym błędem ze względu na trudności z określeniem jej rzeczywistej grubości, a grubość determinuje wartości parametrów opisujących właściwości elementu typu cohesive. 1. Badania eksperymentalne Badania przeprowadzono w celu wyznaczenia współczynników rozszerzalności liniowej α laminatu szklano- -epoksydowego oraz w celu porównania wartości modułu Younga laminatów warstwowych wytworzonych na bazie zastosowanych syciw w temperaturze otoczenia (20 C) oraz w podwyższonej temperaturze (80 C). 37
2/2014 Technologia i Automatyzacja Montażu Tabela 1. Struktura analizowanych hybrydowych kompozytów warstwowych typu FML Table 1. Structure of the analyzed hybrid laminar composites of the type FML Rodzaj FML-a Glare 5/6 Metal Komponenty Kompozyt polimerowy Wzmocnienie kompozytu Tkanina szklana E81 o splocie płóciennym i gramaturze 101 g/m 2 Syciwo Żywica epoksydowa L418/H418 Liczba warstw kompozyt/ metal Grubość pojedynczej warstwy 5 0,142 6 0,29 Grubość FML-a [mm] 2,45 Szerokość próbki FML-a Glare 6/6 Stop aluminium AW 2024T3 Tkanina szklana E81 o splocie płóciennym i gramaturze 101 g/m 2 Żywica epoksydowa L418/H418 6 0,142 6 0,29 2,592 10 Caral 5/6 Tkanina węglowa o splocie płóciennym i gramaturze 200 g/m 2 Epidian 53/Z1 5 0,142 6 0,29 2,45 1.1. Eksperymentalne wyznaczanie współczynnika rozszerzalności cieplnej α laminatu szklano-epoksydowego Badaniom zostały poddane dwie próbki laminatu szklano-epoksydowego o wymiarach 5x5x20 mm, z których jedna została wycięta w kierunku ułożenia włókien, a druga w kierunku prostopadłym do włókien. Badania przeprowadzono na stanowisku NETZSCH DIL 402. W wyniku przeprowadzonych pomiarów określono wartości współczynników rozszerzalności liniowej α komponentu szklano-epoksydowego wzmacnianego tkaniną, a do obliczeń przyjęto charakterystyczne dla temperatury 80 C (tabela 2). Wartości współczynników rozszerzalności laminatu węglowo-epoksydowego i stopu aluminium przyjęto na podstawie danych literaturowych [12, 13]. Tabela 2. Wartości współczynników rozszerzalności liniowej α komponentów FML-i w temperaturze 80 C Table 2. Values of coefficients of linear expansion of FMLs components in temperature 80 C Materiał/ Współczynnik α Rozszerzalność linowa α w kierunku prostopadłym do ułożenia włókien Rozszerzalność linowa α w kierunku równoległym do ułożenia włókien Badania eksperymentalne szklano- Dane przyjęte na podstawie literatury węglowo- [K -1 ] 0,3 10-3 0,3 10-3 10 10-6 1,5 10-6 Stop aluminium 2024T3 24 10-6 1.2. Eksperymentalne określanie modułu sprężystości wzdłużnej laminatu szklano-epoksydowego Badania eksperymentalne prowadzone były na szklanom laminacie warstwowym wytworzonym na bazie syciwa L418 w celu sprawdzenia, w jakim stopniu zmiana temperatury wpływa na wartość modułu Younga kompozytu polimerowego wzmacnianego włóknami szklanymi. został poddany rozciąganiu w podwyższonej temperaturze (80 C) oraz temperaturze otoczenia (20 C). W badaniach wykorzystano maszynę wytrzymałościową Hung Ta HT-2402 z komorą zmiennej temperatury i ekstensometrem 3542-025M-025-HT2. Na ich podstawie wyznaczono wartości modułu Younga (tabela 3). Stwierdzono, że wartość modułu Younga laminatu szklano-epoksydowego w podwyższonej temperaturze jest niższa od wartości w temperaturze otoczenia o około 10%, w związku z tym do obliczeń numerycznych przyjęto właściwości ortotropowe kompozytów opisane w tabeli 4, obowiązujące dla temperatury otoczenia, zaś warstwy stopu aluminium zamodelowano jako materiał sprężysto-plastyczny z umocnieniem o właściwościach opisanych eksperymentalnie określoną krzywą σ = σ(ε) [14] i współczynniku Poissona 0,3. 2. Badania numeryczne W obliczeniach numerycznych wykorzystano modele 3D. Każda warstwa komponentu modelowana była dwiema lub 38
Technologia i Automatyzacja Montażu 2/2014 Tabela 3. Wartości modułu Younga badanego kompozytu Table 3. Values of the Young s modulus of examined composite Kompozyt szklano- Syciwo Moduł E w temp. 20 C [GPa] Moduł E w temp. 80 C [GPa] L418 11,70 9,93 Tabela 4. Stałe materiałowe kompozytów warstwowych [14] Table 4. The material constants of laminated composites [14] Stałe materiałowe szklano- węglowo- Jednostka E 1 11700 44900 MPa E 2 11700 44900 MPa E 3 4050 2470 MPa G 1 1400 2800 MPa G 2 1690 4140 MPa G 3 1690 4140 MPa ν 1 0,16 0,17 ν 2 0,33 0,053 ν 3 0,33 0,053 trzema warstwami elementów heksagonalnych. Przy modelowaniu wykorzystano połączenia kontaktowe typu bonded Solid to Solid. Wartości współczynników rozszerzalności liniowej α poszczególnych komponentów przedstawione w tabeli 2 przyjmowano identyczne zarówno przy zwiększaniu temperatury materiału, jak i przy jej obniżaniu, zdając sobie sprawę, że wyniki związane z obniżaniem temperatury obarczone są dużym błędem (mają jedynie charakter jakościowy). Przeprowadzono obliczenia numeryczne metodą elementów skończonych z wykorzystaniem oprogramowania ANSYS. 2.1. Obciążanie temperaturą symetrycznych modeli o zmiennych wymiarach Przeprowadzone zostały porównawcze obliczenia dotyczące wpływu zmiany wymiarów na naprężenia w FML-u typu Glare 5/6. Badaniom poddano kilka prostopadłościennych modeli 3D Glare 5/6 o zmiennych wymiarach (długość). Modele zostały obciążone przyrostem i spadkiem temperatury o wartości 60 K. Wyniki obliczeń zostały przedstawione na rys. 1 i 2. Obliczenia wykazały, że zmiana temperatury o 60 K powoduje powstanie w komponentach kompozytu typu Glare naprężeń o wartości kilku-kilkunastu MPa, a więc niewielkich w porównaniu z ich wytrzymałością (ok. 330 MPa). Wraz ze wzrostem długości badanych próbek nie wystąpiła istotna zmiana naprężeń ani w komponencie metalowym, ani w komponencie kompozytowym. Różne wartości naprężeń maksymalnych głównych komponentu kompozytowego przy podgrzewaniu i chłodzeniu wynikają z tego, że w trakcie chłodzenia jest on ściskany, a w trakcie podgrzewania rozciągany. Analiza wykazała, iż przy obciążeniu zmianą temperatury nie ma niebezpieczeństwa zniszczenia połączeń adhezyjnych ze względu na pomijalnie małe wartości naprężeń mogących spowodować delaminację. Ze względu na niewielki wpływ wymiarów obciążanych Rys. 1. Wartości naprężeń von Misesa w komponencie metalowym Glare 5/6 dla różnych długości próbek po podgrzaniu oraz ochłodzeniu Fig.1. The values of von Mises stresses of metal components of Glare 5/6 for the different lengths of the specimens after heating and cooling down 39
2/2014 Technologia i Automatyzacja Montażu Rys. 2. Wartości maksymalnych naprężeń głównych S 1 w komponencie kompozytowym Glare 5/6 dla różnych długości próbek po podgrzaniu oraz ochłodzeniu Fig. 2. The values of the maximum principal stresses S 1 of composite components of Glare 5/6 for the different lengths of the specimens after heating and cooling down Rys. 3. Wartości naprężeń von Misesa w komponencie metalowym materiałów Glare 5/6 oraz Caral 5/6 (próbki o jednakowych wymiarach) po podgrzaniu oraz ochłodzeniu Fig. 3. The values of von Mises stresses of metal components of Glare 5/6 and Caral 5/6 ( specimens of equal size) after heating and cooling down Rys. 4. Wartości maksymalnych naprężeń głównych S 1 w komponencie kompozytowym materiałów Glare 5/6 i Caral 5/6 (próbki o jednakowych wymiarach) po podgrzaniu oraz ochłodzeniu Fig. 4. The values of the maximum principal stresses S 1 of composite components of Glare 5/6 and Caral 5/6 ( specimens of equal size) after heating and cooling down termicznie próbek na wartość otrzymywanych naprężeń dalszej analizie numerycznej poddawano modele kompozytów (Glare i Caral) o wymiarach 100x10x2,45 mm. Modele zostały obciążone przyrostem i spadkiem temperatury o wartości 60 K. Wyniki porównawcze w postaci wykresów naprężeń von Misesa oraz maksymalnych naprężeń głównych S 1 po podgrzaniu i ochłodzeniu badanych modeli zostały przedstawione na rys. 3 i 4. Stwierdzono około siedmiokrotnie większe wartości naprężeń w warstwach komponentów materiału Caral 5/6 w porównaniu z materiałem Glare 5/6. Przeprowadzone dodatkowe obliczenia wykazały, że większy wpływ na większą wartość naprężeń ma różnica wartości współczynników rozszerzalności liniowej komponentów niż modułów sprężystości. 2.2. Obciążanie temperaturą niesymetrycznych modeli FML-i Badaniom wpływu temperatury na wartość powstających w FML-ach naprężeń poddano również niesymetryczne modele kompozytu typu Glare 6/6, które zostały zmodyfikowane poprzez dodanie dodatkowej warstwy kompozytu szklanego lub węglowego na jednej powierzchni. W wyniku przeprowadzonych obliczeń numerycznych stwierdzono dwukrotny wzrost naprężeń zredukowanych w warstwach kompozytowych materiału o budowie niesymetrycznej Glare 6/6 (rys. 5) w porównaniu z modelami symetrycznymi Glare 5/6 (rys. 2). Wzrost naprężeń spowodowany był deformacją materiału w postaci wygięcia. Odkształcenie takie skutkowało również wzrostem obciążenia połączeń adhezyjnych, co sugeruje, iż przy niesymetrycznej budowie kompozytu wzrasta niebezpieczeństwo zniszczenia połączenia adhezyjnego poprzez delaminację lub ścięcie międzywarstwowe. 40
Technologia i Automatyzacja Montażu 2/2014 Rys. 5. Rozkład naprężeń von Misesa w niesymetrycznym modelu kompozytu Glare 6/6 po podgrzaniu Fig.5. The von Mises stress pattern in asymmetric of composite model Glare 6/6 when heated 2.3. Obciążanie mechaniczne i temperaturą płaskiego elementu Przeprowadzono badania numeryczne mające na celu określenie wpływu naprężeń termicznych na wytężenie materiału obciążonego mechanicznie. Rozpatrywano trzy warianty obciążania materiału: momentem, zmianą temperatury, momentem i przyrostem temperatury lub spadkiem temperatury o wartości 60 K. Analizowanymi przypadkami obciążeń mechanicznych było zginanie materiału (czteropunktowe obciążenie belki prostopadłościennej) w zakresach: sprężystym i plastycznym odkształceń komponentu metalowego. Badaną próbką był kompozyt hybrydowy Glare 5/6 o wymiarach 100x10x2,45 mm. Przykładowe wyniki z obliczeń numerycznych zostały przedstawione w tabeli 5. Obliczenia wykazały, że przekroczenie granicy plastyczności w zewnętrznych warstwach komponentu metalowego powoduje wyraźne dociążenie komponentu kompozytowego. Wykazały one również, że zmiana temperatury rzędu 60 K kompozytów typu Glare obciążonych mechanicznie w takim zakresie, że wytężenie komponentu metalowego jest bliskie granicy plastyczności, nie powoduje istotnej zmiany wytężenia komponentów takiego kompozytu. Analiza wykazała, iż nie ma zagrożenia mogącego spowodować delaminację warstw komponentów lub ich ścięcie międzywarstwowe oraz że zmiana temperatury rzędu 60 K kompozytów typu Glare obciążonych mechanicznie nie powoduje istotnej zmiany wytężenia komponentów takiego kompozytu obciążonego mechanicznie. 3. Wnioski Przeprowadzone analizy dotyczące wpływu zmiany temperatury na wytężenie hybrydowych kompozytów warstwowych typu FML pozwalają stwierdzić, że: Zmiana temperatury rzędu 60 K powoduje powstawanie w komponentach materiału typu GLARE naprężeń rzędu kilku MPa, a w materiałach typu CARAL kilkudziesięciu MPa. Różnica w poziomie naprężeń wynika głównie z większej różnicy wartości współczynnika rozszerzalności liniowej komponentów węglowo-epoksydowego i aluminium (~ siedmiokrotna) niż między komponentem szklanom i aluminium (~ dwukrotna). Zmiana temperatury rzędu 60 K kompozytów typu Glare obciążonych mechanicznie nie powoduje istotnej zmiany wytężenia komponentów takiego kompozytu ani istotnych obciążeń ich połączeń adhezyjnych. W przypadku kompozytów warstwowych, mających symetryczną budowę geometryczną poddanych obciążeniu zmianą temperatury, małe wartości powstających na- Tabela 5. Wartości naprężeń w komponentach kompozytu Glare 5/6 obciążonego mechanicznie na zginanie i zmianą temperatury Table 5. The values of stresses in composite components Glare 5/6 loaded mechanical on bending and temperature change Zginanie Sposób obciążania Zakres sprężysty komponentu metalowego Zakres plastyczny komponentu metalowego Kompozyt Dural Kompozyt Dural Naprężenia [MPa] Naprężenia [MPa] max główne von Misesa max główne von Misesa Moment 35,79 36,98 306,40 168,2 194,47 355,59 T + 60 C 11,67 11,4 6,60 11,67 11,4 6,60 T 60 C 1,10 10,65 6,65 1,10 10,65 6,65 Moment i T 45,77 42,89 307,77 177,88 194,47 351,59 + 60 C Moment i T 25,83 43,7 311,96 165,42 196,53 357,98 60 C 41
2/2014 Technologia i Automatyzacja Montażu prężeń nie stanowią zagrożenia, które mogłoby spowodować zniszczenie połączeń adhezyjnych. W przypadku niesymetrycznej budowy hybrydowych kompozytów warstwowych zmiany temperatury powodują odkształcenia (zginanie) takich materiałów i istotnie zwiększają naprężania, powodując obciążenie ich połączeń adhezyjnych. LITERATURA 1. Sinmazçelik T., Egemen Avcu, Özgür Bora M.,Onur Çoban: A review: Fibre metal laminates, background, bonding types and applied test methods. Kocaeli Materials and Design 32,University,Turcja 2011. 2. Vlot A: Glare history of the development a new aircraft material. Kluwer Academic Publishers, New York 2004. 3. Frizzell R.M., McCarthy C.T., McCarthy M.A.: Simulating damage and delamination in fibre metal laminate joints using a three-dimensional damage model with cohesive elements and damage regularization. Composites Science and Technology, University of Limerick, Irlandia 2011. 4. Frizzell R.M., McCarthy C.T., McCarthy M.A.: Predicting the effects of geometry on the behaviour of fibre metal laminate joints. Composite Structures, University of Limerick, Irlandia 2011. 5. Corte s P., Cantell W.J.: The fracture properties of a fibre metal laminate based on magnesium alloy. Composites: Part B 37, University of Liverpool, Wielka Brytania 2006, s. 163 170. 6. Po-Yu Chang, Po-Ching Yeh, Jenn-Ming Yang: Fatigue crack initiation in hybrid boron/glass/aluminum fiber metal laminates. Materials Science and Engineering A 496, University of California, USA 2008, s. 273 280. 7. Reyes Villanueva G., Cantwell W.J.: The high velocity impact response of composite and FML-reinforced sandwich structures. Composites Science and Technology 64, The University of Liverpool, Wielka Brytania 2004, s. 35 54. 8. Reyes Villanueva G., Cantwell W.J.: The high velocity impact response of composite and FML-reinforced sandwich structures. Composites Science and Technology 64, The University of Liverpool, Wielka Brytania 2004, s. 35 54. 9. Rans C.D., Alderliesten R.C., Benedictus R.: Predicting the influence of temperature on fatigue crack propagation in Fibre Metal es. Engineering Fracture Mechanics, University of Delft, Delft, Holandia 2011. 10. Hausmann J., Naghipour P., Schulze K.: Analytical and numerical residual stress models for fiber metal laminates comparison and application. Procedia Materials Science 2, Germany 2013, s. 68 73. 11. Godzimirski J., Pietras A.: Modelowanie spoin klejowych w obliczeniach MES. Technologia i Automatyzacja Montażu, nr 4 (82), 2013, s. 40-44. 12. Lewandowski A.: Opracowanie zbiorcze. Poradnik inżyniera mechanika. WNT, Tom I, 621.007.2, s. 35. 13. Deheeger A., Mathias J.D., Gre diac M.: A closed- -form solution for the thermal stress distribution in rectangular metal/composite bonded joints. International Journal of Adhesion & Adhesives 29 (2009), p. 515 524. 14. Godzimirski J., Pietras A.: Identyfikacja stałych materiałowych hybrydowych kompozytów typu Fiber Metal es z wykorzystaniem metody homogenizacji. Problemy Mechatroniki, Warszawa 2012, nr 3(9), s. 55 69. Prof. dr hab. inż. Jan Godzimirski Zakład Budowy i Eksploatacji Statków Powietrznych, Instytut Techniki Lotniczej, Wydział Mechatroniki i Lotnictwa, Wojskowa Akademia Techniczna, ul. gen. Sylwestra Kaliskiego 2, 00-908 Warszawa 49, tel: 22 683 9575, e-mail: jan.godzimirski@wat.edu.pl. Mgr inż. Agata Pietras Zakład Inżynierii Bezpieczeństwa, Instytut Techniki Lotniczej, Wydział Mechatroniki i Lotnictwa, Wojskowa Akademia Techniczna, ul. gen. Sylwestra Kaliskiego 2, 00-908 Warszawa 49, tel: 22 683 7291, e-mail: apietras@wat.edu.pl. THE STRESSES IN HYBRID LAMINAR COMPOSITES TYPE OF FML TYPE CAUSED BY CHANGES OF TEMPERATURE Abstract An analysis of an effort adhesive joint between the layers of components forming hybrid layer composites, allows for the comprehensive assessment of their strength. Due to the fact that the components of FML composites are characterized by different physical properties (including values of the linear expansion coefficients), it was considered appropriate to study the effects of temperature changes in the material of so-called thermal stress. The analysis was carried out in a range of elastic and plastic deformation of the metal component of tested materials, and all the considered cases were FMLs models of symmetrical and asymmetrical structure. The results have shown that in the layer composites of symmetrical structure that were put under the pressure of temperature changes, a small value of achieved stresses did not prove to be a treat, and it did not cause a failure of the adhesive joint. However, in the case of the asymmetrical structure of a hybrid layer composites, the changes of temperature caused increasing encumbrances against the adhesive joint. The examination conducted in this analysis was the numerical simulation method with permanent material values that were appointed by an experiment. Keywords hybrid laminar composites, adhesive joint, thermal stresses 42