MODELOWANIE MATERIAŁÓW KOMPOZYTOWYCH



Podobne dokumenty
LABORATORIUM NAUKI O MATERIAŁACH

ĆWICZENIE 1 STATYCZNA PRÓBA ROZCIĄGANIA METALI - UPROSZCZONA. 1. Protokół próby rozciągania Rodzaj badanego materiału. 1.2.

Laboratorium Wytrzymałości Materiałów

2.2 Wyznaczanie modułu Younga na podstawie ścisłej próby rozciągania

STATYCZNA PRÓBA ROZCIĄGANIA

Ekstensometria. Specjalne oprogramowanie Produkty zgodne z normą. Projekty na miarę.

POLITECHNIKA BIAŁOSTOCKA

6.1. Wstęp Cel ćwiczenia

INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH

Politechnika Białostocka INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH

INSTRUKCJA DO CWICZENIA NR 4

MATERIAŁY KOMPOZYTOWE II Composite Materials II. forma studiów: studia stacjonarne. Liczba godzin/tydzień: 2W, 2L PRZEWODNIK PO PRZEDMIOCIE

STATYCZNA PRÓBA ROZCIĄGANIA

Laboratorium Elementów i Układów Automatyzacji

INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH

DOŚWIADCZALNA METODA IDENTYFIKACJI NAPRĘŻEŃ W KOMPOZYTACH

ĆWICZENIE 15 WYZNACZANIE (K IC )

Modele materiałów

Wyznaczanie modułu Younga metodą strzałki ugięcia

WAT - WYDZIAŁ ELEKTRONIKI INSTYTUT SYSTEMÓW ELEKTRONICZNYCH. Przedmiot: CZUJNIKI I PRZETWORNIKI Ćwiczenie nr 1 PROTOKÓŁ / SPRAWOZDANIE

WYZNACZANIE MODUŁU YOUNGA METODĄ STRZAŁKI UGIĘCIA

PRZEWODNIK PO PRZEDMIOCIE

Nazwisko i imię: Zespół: Data: Ćwiczenie nr 11: Moduł Younga

Szczegółowy opis przedmiotu zapytania 14/D/ApBad/NCN/2015 Dostawa materiałów (próbek) do badań (kompozytowe modele rzeczywistych konstrukcji)

Defi f nicja n aprę r żeń

Temat 3 (2 godziny) : Wyznaczanie umownej granicy sprężystości R 0,05, umownej granicy plastyczności R 0,2 oraz modułu sprężystości podłużnej E

studia stacjonarne Liczba godzin/tydzień: 1W, 1Ćw PRZEWODNIK PO PRZEDMIOCIE

INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH

Ćwiczenie 2 WSPÓŁPRACA JEDNAKOWYCH OGNIW FOTOWOLTAICZNYCH W RÓŻNYCH KONFIGURACJACH POŁĄCZEŃ. Opis stanowiska pomiarowego. Przebieg ćwiczenia

Czujniki. Czujniki służą do przetwarzania interesującej nas wielkości fizycznej na wielkość elektryczną łatwą do pomiaru. Najczęściej spotykane są

PRZEWODNIK PO PRZEDMIOCIE

(zwane również sensorami)

Podstawy Badań Eksperymentalnych

Laboratorium wytrzymałości materiałów

Badania właściwości zmęczeniowych bimetalu stal S355J2- tytan Grade 1

Projekt i budowa hamowni silników małej mocy

Modelowanie Wspomagające Projektowanie Maszyn

Materiały dydaktyczne. Semestr IV. Laboratorium

SPRAWOZDANIE LABORATORIUM WYTRZYMAŁOŚCI MATERIAŁÓW B Badanie własności mechanicznych materiałów konstrukcyjnych

Politechnika Białostocka

LABORATORIUM Z WYTRZYMAŁOŚCI MATERIAŁÓW

Podstawowe przypadki (stany) obciążenia elementów : 1. Rozciąganie lub ściskanie 2. Zginanie 3. Skręcanie 4. Ścinanie

Wyboczenie ściskanego pręta

PAŃSTWOWA WYŻSZA SZKOŁA ZAWODOWA W TARNOWIE INSTYTUT POLITECHNICZNY LABORATORIUM METROLOGII

SPRAWOZDANIE: LABORATORIUM Z WYTRZYMAŁOŚCI MATERIAŁÓW B Badanie własności mechanicznych materiałów konstrukcyjnych

PRZEWODNIK PO PRZEDMIOCIE

PRZEWODNIK PO PRZEDMIOCIE

Wykaz ćwiczeń realizowanych w Pracowni Urządzeń Mechatronicznych

Zakład Metrologii i Systemów Pomiarowych Laboratorium Metrologii I. Grupa. Nr ćwicz.

Pomiar przemieszczeń i prędkości liniowych i kątowych

Statyczna próba rozciągania laminatów GFRP

Pomiary tensometryczne. Pomiary tensometryczne. Pomiary tensometryczne. Rodzaje tensometrów. Przygotowali: Paweł Ochocki Andrzej Augustyn

CHARAKTERYSTYKA KOMPOZYTÓW Z UWZGLĘDNIENIEM M.IN. POZIOMU WSKAŹNIKÓW WYTRZYMAŁOŚCIOWYCH, CENY.

Piezorezystancyjny czujnik ciśnienia: pomiar i wyznaczenie parametrów metrologicznych czujnika i przetwornika ciśnienia

Pomiar podstawowych wielkości elektrycznych

Statyczne badanie wzmacniacza operacyjnego - ćwiczenie 7

Temat: POMIAR SIŁ SKRAWANIA

GATHERING DATA SYSTEM FOR CONCRETE S SAMPLE DESTRUCTING RESEARCHES WITH USE OF LABVIEW PACKET

instrukcja do ćwiczenia 3.4 Wyznaczanie metodą tensometrii oporowej modułu Younga i liczby Poissona

Analiza stateczności zbocza

BIOMECHANIKA KRĘGOSŁUPA. Stateczność kręgosłupa

Metoda Elementów Skończonych - Laboratorium

Wytrzymałość Konstrukcji I - MEiL część II egzaminu. 1. Omówić wykresy rozciągania typowych materiałów. Podać charakterystyczne punkty wykresów.

Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego w ramach Programu Operacyjnego Innowacyjna Gospodarka

Doświadczalne wyznaczanie współczynnika sztywności (sprężystości) sprężyny

Temat 1 (2 godziny): Próba statyczna rozciągania metali

Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny INSTYTUT INŻYNIERII MATERIAŁOWEJ ZAKŁAD METALOZNAWSTWA I ODLEWNICTWA

Politechnika Białostocka INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH

SENSORY W BUDOWIE MASZYN I POJAZDÓW

Badanie transformatora

PROPOZYCJA PRZEDMIOTÓW WYBIERALNYCH W SEMESTRZE III DLA STUDENTÓW STUDIÓW STACJONARNYCH (CYWILNYCH) nabór 2007 Kierunek MECHANIKA I BUDOWA MASZYN

MATERIAŁY POLIMEROWE Polymer Materials. forma studiów: studia stacjonarne Liczba godzin/tydzień: 2W, 1L PRZEWODNIK PO PRZEDMIOCIE

Wyznaczanie koncentracji naprężeń w elemencie rurowym z otworem

Metody badań materiałów konstrukcyjnych

Podstawowe pojęcia wytrzymałości materiałów. Statyczna próba rozciągania metali. Warunek nośności i użytkowania. Założenia

Elementy oporowe tensometryczne

POLITECHNIKA BIAŁOSTOCKA

CHARAKTERYSTYKA PIROMETRÓW I METODYKA PRZEPROWADZANIA POMIARÓW

WYZNACZANIE MODUŁU YOUNGA PRZEZ ZGINANIE

Wytrzymałość Materiałów

Instrukcja do ćwiczeń laboratoryjnych Numeryczne metody analizy konstrukcji

WARUNKI WYKONANIA I ODBIORU ROBÓT BUDOWLANYCH M Próbne obciążenie obiektu mostowego

ANALIZA BELKI DREWNIANEJ W POŻARZE

POLITECHNIKA WARSZAWSKA Wydział Elektryczny Zakład Systemów Informacyjno-Pomiarowych

POLITECHNIKA ŁÓDZKA INSTYTUT OBRABIAREK I TECHNOLOGII BUDOWY MASZYN. Ćwiczenie D - 4. Zastosowanie teoretycznej analizy modalnej w dynamice maszyn

Ć w i c z e n i e K 4

Celem ćwiczenia jest poznanie metod pomiaru odkształceń za pomocą tensometrii oporowej oraz zapoznanie się z obsługą mostka tensometrycznego.

W Y B R A N E P R O B L E M Y I N Y N I E R S K I E

Budowa przyrządu do pomiaru sił zgryzu występujących na przeciwstawnych zębach siecznych, na bazie tensometrii oporowej.

Drgania poprzeczne belki numeryczna analiza modalna za pomocą Metody Elementów Skończonych dr inż. Piotr Lichota mgr inż.

Ćwiczenie: "Pomiary rezystancji przy prądzie stałym"

Ćwiczenie 3 WPŁYW NASŁONECZNIENIA I TECHNOLOGII PRODUKCJI KRZEMOWYCH OGNIW FOTOWOLTAICZNYCH NA ICH WŁASNOŚCI EKSPLOATACYJNE

Nazwa przedmiotu INSTRUMENTARIUM BADAWCZE W INŻYNIERII MATERIAŁOWEJ Instrumentation of research in material engineering

Podstawy elektroniki i miernictwa

Wykład 8: Lepko-sprężyste odkształcenia ciał

Badanie i obliczanie kąta skręcenia wału maszynowego

INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH

Diagnostyka pojazdów szynowych - laboratorium -

ZAPYTANIE OFERTOWE 01/2016

Badanie ugięcia belki

Transkrypt:

MODELOWANIE MATERIAŁÓW KOMPOZYTOWYCH Andrzej BAIER, Michał MAJZNER Streszczenie: W artykule przedstawiono metodę modelowania laminatów, za pomocą narzędzia zawartego w zaawansowanym programie graficznym UGS NX6. Jednocześnie dokonano analizy wytrzymałościowej metodą elementów skończonych przy użyciu oprogramowania NX Nastran. Uzyskane wyniki zostały zweryfikowane doświadczalnie, przy użyciu techniki tensometrycznej. Słowa kluczowe: NX6, kompozyt, laminat, MES, Nastran. 1. Kompozyty Kompozytem nazywa się tworzywa, które są połączeniami różnych materiałów, stanowią one struktury o własnościach odmiennych od właściwości poszczególnych składników, Termin kompozyt zwykle odnosi się od struktur wytwarzanych sztucznie. Wśród kompozytów naturalnych można wyróżnić między innymi: drewno i kości. Wśród kompozytów wyróżnić ć można: kompozyty konstrukcyjne, w ich przypadku najistotniejsze są własności wytrzymałościowe, oraz kompozyty o szczególnych własnościach fizykochemicznych, np. elektrycznych, magnetycznych, cieplnych i optycznych.[1,2,3] Najogólniej w budowie kompozytów można wyróżnić: osnowę, czyli materiał wiążący oraz elementy dodatkowe zmieniające własności osnowy, wykonane z innych materiałów (tj. ziarna włókna, warstwy, płatki), nazywane zbrojeniem lub umocnieniem (rys.1.).[1,2,3,4] Rys. 1. Zbrojenie kompozytów, A proszkowe niezorientowane, B proszkowe zorientowane, C włókna cięte, D włókna ciągłe [1] Struktury kompozytowe wielowarstwowe nazywane są również laminatami. Pod tym pojęciem rozumie się ę dwie (lub więcej) elementarnych warstw kompozytowych, ściśle połączonych i pracujących jako materiał strukturalnie integralny. Różnorodność budowy kompozytów wielowarstwowych daje duże możliwości wyboru odpowiedniego kompozytu i zastosowania go w konstrukcjach, a tym samym utrudnia przedstawienie uogólnionego opisu właściwości mechanicznych tego rodzaju kompozytów. Rozważania modelowe autora przyjęły następujące założenia wyjściowe: właściwości sprężyste warstw elementarnych są właściwościami ciami uśrednionymi 51

w przekroju poprzecznym, warstwy elementarne są połączone ze sobą w sposób uniemożliwiający ich wzajemne przesunięcia. [2] 2. Model w zaawansowanym programie graficznym NX6 Unigraphics to zaawansowany program graficzny łączący cy środowiska CAD/CAM/CAE, wspomagający proces tworzenia produktu na każdym jego etapie. Umożliwia utworzenie jego postaci w środowisku trójwymiarowym, wygenerowanie dokumentacji w postaci rysunków technicznych, weryfikację wytrzymałościową i symulację wytwarzania. Nazwa platformy - NX pochodzi o skrótu NeXt generation. Jest ona połączeniem elementów Unigraphics`a i I-DEAS`a. Jądro stanowi Parasolid. Jest to modeler opracowany i rozwijany na Uniwersytecie Cambridge. Zawiera ponad 700 obiektowo zorientowanych funkcji, dzięki którym praca z aplikacją jest niezwykle efektywna. Proces modelowania elementu kompozytowego rozpoczęto od narysowania, przy pomocy komendy Sketch, linii o długości 30 mm. Po wyjściu z komendy Sketch, wyciągnięto (opcja Extrude), szkic na długości 300 mm. Uzyskano prostokąt od wymiarach 30 x 300 mm, odwzorowujący wymiary rzeczywistej próbki kompozytowej. Stosując polecenie Datum Plane,, utworzono dwie płaszczyzny, pierwsza odsunięta od głównego układu współrzędnych o 30 mm oraz druga o 280 mm. Rzutując położenie tych płaszczyzn na narysowaną wcześniej powierzchnię, uzyskano trzy niezależne powierzchnie. Krok ten pozwoli w późniejszym etapie na utwierdzenie oraz zadanie, w odpowiednim położeniu siły(rys.2.). Rys. 2. Model w programie NX 6 3. Analiza modelu laminatu NX Nastran Wykonany model przeniesiono do modułu Advanced Simulation. W zakładce Simulation Navigator wybrano New FEM and Simulation oraz podstawowe parametry symulacji, jako solwera użyto NX Nastrana oraz Structural jako rodzaj analizy. Ze względu na to, że e elementarnym obiektem jest powierzchnia, rodzaj użytej siatki mesh 52

2D Mapped. W okienku meshowania kluczową konfiguracją jest Destination Collector,, gdzie tworzy się ustawienia fizyczne laminatu (rys.2.). Rys. 3. Okno modelowania laminatu W bibliotece materiałowej NX6 nie znajdują się parametry fizyczne włókna szklanego w osnowie żywicy epoksydowej. Konieczne jest dodanie nowego materiału o odpowiednich parametrach fizycznych takich jak moduł Younga, współczynnik Poissona oraz moduł Kirchoffa. Niniejsze dane wystarczą do przeprowadzenia analizy wytrzymałościowej MES. Ostateczną postać siatki przedstawiono na rys.3. Rys. 4. Siatka nałożona na analizowaną powierzchnię Na rysunku 5. przedstawiono model z nałożonym więzłem stałego ograniczenia oraz przyłożoną siłą. Postać modelu odwzorowuje model rzeczywisty, badany metodą doświadczalną przy użyciu techniki tensometrycznej. 53

Rys. 5. Zamocowany model laminatu wraz z obciążeniem w postaci siły Ostatnim krokiem jest uruchomienie analizy MES oraz odczyt wartości odkształceń w punkcie pomiarowym za pomocą narzędzia Identify Results. Wynikiem analizy jest siatka odkształceń (rys.6.). Rys. 6. Wyniki analizy Dokładność uzyskanych wyników jest uzależniona w głównej mierze od znajomości parametrów fizycznych laminatu. 4. Badania doświadczalne Zjawisko tensooporowe polega na zmianie oporu elektrycznego metali pod wpływem naprężeń ściskających cych (spadek oporu) i rozciągających cych (wzrost oporu). Jeżeli drut metalowy zostanie poddany odkształceniu, w granicach sprężystości, nastąpi zmiana rezystancji proporcjonalna do odkształcenia. Naprężenia mechaniczne w przedmiocie są przenoszone przez warstwę kleju, którym przyklejony jest drut do podłoża tego przedmiotu. Do wykonania pomiaru małych zmian oporu, które nie przekraczają 0,5 1 Ω służą typowe układy pomiarowe. Podstawowy schemat aparatury pomiarowej przedstawiono na rys.7.[6,7] 54

Rys. 7. Podstawowy schemat aparatury tensometrycznej, 1 mostek pomiarowy (mostek Wheatstone a), 2 zasilacz, 3 wzmacniacz, 4 miernik [6,7] Rys. 8. Zastosowany układ pół mostka[6,7] Układ przedstawiony na rys.7. składa się z czterech oporników R 1, R 2, R 3, R 4 połączonych w układzie mostka Wheatstone a, precyzyjnego układu zasilania, wzmacniacza a oraz miernika. Napięcie wyjściowe U A jest mierzone przyrządem o dużym oporze wewnętrznym (nie obciążającym układu). Cały układ pomiarowy jest zasilany stałym, stabilnym napięciem U B. [6,7] Jako czujnik pomiarowy zastosowano pół mostek Wheatstona (rys.8.), złożony z jednego tensometru aktywnego naklejonego na belce (rys.9.) oraz drugiego pasywnego (rys.10.), służącego do kompensacji temperatury. Do wykonania pomiarów użyto wzmacniacza Alpha 3000 model KWS 503.C firmy HBM. Jest to uniwersalny wzmacniacz posiadający budowę modułową. Może funkcjonować jako jednostka jedno lub wielo kanałowa. Podstawowym założeniem urządzenia jest jego samowystarczalność oraz wysoka rozdzielczość w pomiarach cyfrowych i analogowych. Egzemplarz stosowany do badań składał się z jednostki centralnej CMS32 oraz trzech wzmacniaczy laboratoryjnych K 50 C. [6,7] Rys. 9. Tensometr naklejony na belce pomiarowej Rys. 10. Tensometry kompensacyjne 55

Wartością wyjściową w pomiarach tensometrycznych jest napięcie niezrównoważenia U A, aby wyznaczyć odkształcenia należy skorzystać z następującej zależności: gdzie, k stała tensometru, U B stałe napięcie zasilania mostka [V], U A napięcie niezrównoważenia [V]. Napięcie wyjściowe : 4 U A ε =, (1) k U B U i U A =, (2) ni przy czym U i średnia z serii pomiarów [V], n współczynnik wzmocnienia wzmacniacza pomiarowego mv, V i mnożnik współczynnik wzmocnienia wzmacniacza pomiarowego. k=2,15, U B =5 [V], n=0,2 mv, V i=1,8. Dane pomiarowe użyte do dalszych obliczenia odkształceń: Próbkę do badań wykonano z włókna szklanego, o gramaturze 500 g,układając m 2 cztery kolejne warstwy, nasączone żywicą epoksydową, na płaskowniku stalowym o grubości 0,5 mm. Całkowita grubość kompozytu wynosiła 5,28 mm. Wyniki pomiarów przedstawiono w tabeli 1. Tab. 1. Wyniki pomiaru napięcia przeliczone na odkształcenia Sposób Odważnik 100g Odważnik 200g Odważnik 500g Mocowanie zadawania siły + mocowanie + mocowanie + mocowanie Siła [N] 0,18 1,16 2,14 5,08 Napięcie U A 0,024 0,174 0,318 0,742 Wydłużenie ε 0,009 0,065 0,118 0,276 56

5. Podsumowanie Wykres przedstawiony na rysunku 11. przedstawia porównanie wartości odkształceń uzyskanych za pomocą analizy wytrzymałościowej MES oraz metody pomiarów tensometrycznych. Rozbieżność między tymi metodami wynika z użytych wartości parametrów Rys. 11. Wykres zależności odkształceń od siły fizycznych w przypadku włókna szklanego w osnowie żywicy epoksydowej. Podczas modelowania laminatu zastosowano parametry dostępne w literaturze, które odbiegają od w celu uzyskania dokładnego odwzorowania wyników należało by przeprowadzić próbę rozciągania na maszynie wytrzymałościowej, aby wyznaczyć własności takie jak moduł Younga, współczynnik Poissona oraz moduł Kirchoffa. Tensometria oporowa jest bardzo rozpowszechnioną techniką stosowaną do weryfikacji wytrzymałościowej rzeczywistych elementów oraz założeń konstrukcyjno projektowych. Literatura 1. Wilczyński, A.P.: Polimerowe kompozyty włókniste. Wydawnictwa Naukowo Techniczne, Warszawa 1996. 2. Hyla, I., Śleziona J.: Kompozyty Elementy mechaniki i projektowania. Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 2004. 3. Boczkowska A., Kapuściński J., Puciłowski K., Wojciechowski S.: Kompozyty. Podstawy projektowania i wytwarzania. Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2000. 4. Leda H.: Kompozyty polimerowe z włóknami ciągłymi. Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań 2000. 5. Styburski W.: Przetworniki tensometryczne. Konstrukcja, projektowanie, użytkowanie. Wydawnictwa Naukowo Techniczne, Warszawa 1971. 6. Roliński Z.: Tensometria oporowa. Podstawy teoretyczne i przykłady zastosowań. Wydawnictwa Naukowo Techniczne, Warszawa 1981. Dr hab. inż. Andrzej BAIER prof. Pol. Śl. Mgr inż. Michał MAJZNER, Instytut Automatyzacji Procesów Technologicznych i Zintegrowanych Systemów Wytwarzania, Politechnika Śląska 44-100 Gliwice, ul. Konarskiego 18A, tel.: (032) 2371601 e-mail: andrzej.baier@polsl.pl majzner.michal@gmail.com 57