POLIMER KOMPOZIT HAJÓK TERVEZÉSE ÉS ÉPÍTÉSE

Átírás

1 Tematika POLIMER KOMPOZIT HAJÓK TERVEZÉSE ÉS ÉPÍTÉSE Tönkremeneteli módok (mechanikai) Nyomás Húzás Kihajlás Szendvicsek tönkremenetelei Kompozitok viselkedése, jellemzői: Kifáradás Nedvességfelvétel - ozmózis UV degradáció Hőmérséklet hatása Égés Kompozitok - viselkedés 1 2 Szendvicsek tönkremenetelei a: mag felületi törés/benyomódás b: mag elnyíródás c, d: felületi hullámosodás e: kihajlás f: hullámosodás nyírás hatására g: felület hullámosodása h: lokális benyomódás Szendvics magok Szendvicsek tönkremenetelei Szendvics magok 3 4 Szendvicsek tönkremenetelei A 4pontos jobb módszer szendvicsre! 3pontos hajlítás Szendvicsek tönkremenetelei Valódi változók: (t/l) és (ρ c /ρ s ) t: héj vastagság l: panel hossza ρ c : mag sűrűsége ρ s : szendvics sűrűsége B: szendvics panel szélessége C: maganyag vastagsága Héj szakadás: ha a húzó feszültség eléri a húzószilárdságát az anyagnak. Héj hullámosodás: a nyomott héj normális feszültségszintje eléri a tartó instabilitásához szükséges szintet. Mag tönkremenete: nyíró feszültségek elérik a mag nyírószilárdságát

2 Safran IMOCA 60 keelelvesztése A jelenség először az anyag legnagyobb helyi feszültségénél kezdődik (rendszerint az elemi kristályok diszlokációinak elmozdulásaival) Kezdeti repedés okoz, aminek számos oka lehet A repedés a terhelés ismétlődése folyamán lassan továbbterjed az épen maradt anyagrészben ébredő feszültség állandóan növekszik Szakítószilárdság elérésekor hirtelen eltörik Problémák Alapvető probléma kompozitoknál: a ciklikus igénybevétellel szembeni ellenállóképesség meghatározása Nagyon komplex tönkremeneteli módok statikus és fárasztó igénybevétel hatására A fentiek oka az inhomogén anizotróp karakterisztika (szilárdságot és merevséget is tekintve) A fárasztó igénybevétel hatására bekövetkező teljes tönkrementel sokkal inkább a tulajdonságok általános romlásának köszönhető, mintsem egy meghatározó repedésnek Az egyetlen fő repedés hatására bekövetkező teljes tönkremenetel jellemzően izotróp, merev anyagok (pl. fémek) statikus terhelésénél fordul elő. A kifáradás miatti tönkremenetelt jellemzően az alábbiak egyike okozza: Mátrix repedés Delaminálódás Szál töredezés és ezáltal szálkihúzódás A különböző tönkremeneteli módok, az anizotrópia, a komplex igénybevételi állapot és az általános nemlineráis karakterisztika azok a tényezők, amelyek megnehezítik a kompozitok kifáradásának megértését. 7 8 A gyakorlatban: Nincs már elegendő merevség Nincs már elegendő szilárdság Két megközelítés van a fáradás mérésére: Konstans feszültség generálása a szilárdság lecsökkenéséig Konstans amplitúdó generálása a moduluszlecsökkenéséig Általában a merevség csökkenése az általánosabban használható tönkremeneteli kritérium: a merevség csökkenése könnyen, jól mérhető A konstans amplitúdójú fárasztásnál a merevség eleinte nagyon gyorsan csökken. A mátrix tönkremenetelekor ez a zuhanás megáll, egész kis változások következnek csak be UD kompozitok: A repedések a szálak mentén jelennek meg, ami egyben már mátrix repedést is jelent Repedések jelenhetnek meg a szálirányra merőlegesen is, ami a szálszakadásnak a jele, és a mátrix tönkremenetelét is mutatja Ezeknek a merőleges repedéseknek az összeadódása a kompozit csökkent teherbírását eredményezi, a további fárasztó igénybevétel egy szabálytalan töretfelületet eredményez. Ez jelentősen eltér a fémek fáradásostönkremenetelétől Hahn 4 különböző tönkremenetelt definiált Összetett szerkezetek: Rétegmechanika alapján

3 Tönkremeneteli módok A: szívós mátrix, a repedés a szálakon keresztül terjed B: gyenge szál/mátrix adhézió -> elválás C: merev mátrix, alacsony szívósság D: erős szál/mátrix adhézió, szívós mátrix. A feszültségkoncentráció hatására a tönkremenetel a szomszédos szálban a mátrix tönkremenetele nélkül következik be. B-t kerülni kell nem aknázzuk ki a szálban rejlő lehetőségeket C-t is kerülni kell, mert túl merev a rendszer A az optimum Kompozit tönkremenetele Apró repedések előjel nélkül, bármikor megjelenhetnek És terjedhetnek De ez nem jelenti feltétlenül a kompozit tönkremenetelét Mert minden egyes szál részt vesz a terhelés felvételében És a szál tönkremenetele esetén a szomszédos szálak átveszik a terhet Még a teljes réteg tönkremenetele sem jelenti feltétlenül a tönkremenetelt (last ply failure) A kompozitok fáradás elmélete Több általános elmélet van az anyagok fáradásos tönkremenetelének leírására Kompozitok esetén nem létezik analitikus modell Statisztikai módszereket használnunk Weibull eloszlás jól illeszthető: Skálaparaméter Alakparaméter Helyzetparaméter Három módszere van, ezek közül a maximális valószínűség és a momentumok becslése nagy eltérést ad, a standardizált változó módszere jó becslést ad. Másik módszer a statikus szilárdságelmélet kiterjesztése fáradásos szilárdságra a statikus szilárdság helyett fáradásos függvényeket behelyettesítve És még jópár elmélet Összességében: A hajók szerkezeti anyagainak sokfélesége miatt túl sok lehetőség Bármilyen elméleti számítás csak indikátorként használható A konkrét laminátok fárasztó vizsgálata erősen javasolt Főleg kritikus alkatrészeknél Tudásunk nincs, némi tapasztalat van, miszerint néhány kompozit a fémeknél jobban teljesít m Anyagok A szál/mátrix adhézió meghatározó jelentőségű a fáradásnál Sorrend (a legjobbal kezdve): HM szénszál HS szénszál Aramid/szén hibrid Aramid Üveg/aramid hibrid S-üveg E-üveg A szálak szerkezete és orientációja is meghatározó: Több vékonyabb réteg jobban teljesít!!! De nem szabad elfelejteni, hogy a kedvezőbb orientáció statikusan is nagyobb szilárdságú (ld. köv. ábra)

4 VOR 70 keelek The minimum factor of safety for the associated stresses in thisload case shall be 1.3 based on the yield stress or proof stress of permitted metals or 3based on the ultimate strength of fibre reinforced composite materials. Volvo Open 70 Rule V3 including Appendices-25th May Problémák A kompozitok és a kompozit szendvicsek megjelenése könnyebb, merevebb, gyorsabb hajókat eredményezett Ez leegyszerűsítve alacsonyabb ütésállóságot eredményez az alábbiak miatt: Az energia megnőtt (nagyobb sebesség) Az energiaelnyelő képesség csökkent (merevebb hajótest) Ezért összességében az ütésállóság egy komoly, aktuális probléma! A hajót ért dinamikus ütések komplexitása miatt nehéz egyetlen dinamikus igénybevételt definiálni Nincs elég ismeretünk a kompozitok dinamikus viselkedéséről sem Ezért az analitikus módszerek viszonylag nyersek Nehezen vehető figyelembe a szerkezet tervezésénél Helyette: a dinamikus terhelésekre adott reakciók alapján lehet ütésálló szerkezeteket létrehozni Kategóriák Négy kategória: Az összes energiát a szerkezet elasztikus deformációja veszi fel, majd a terhelés megszűnése után a szerkezet visszanyeri eredeti alakját. Magasabb energiaszint túllép azon a határon, amikor még rugalmas deformáció felemészti az összes energiát. Plasztikus deformáció: az energia egy részét az elasztikus deformáció vette fel, de az afölötti energia már maradandó alakváltozást eredményez Még magasabb energiaszint ami már a plasztikus deformáció határain túl van -már a szerkezet károsodását eredményezi Mátrix repedés Delaminálódás Szál/mátrix elválás Mag/héj elválás szendvics szerkezetekben Még magasabb energiaszint katasztrofális tönkremenetelhez vezet A teljes elnyert energia anyag szinten (nem szerkezet szinten) az alábbi tényezőktől függ: Szál anyaga Szálstruktúra Szálorientáció Száltartalom stb Kinetikus energia: Tömör laminát Szendvics szerkezet esete Egy izotróp gerenda középen terhelve: Kis deformációk esetén: A kinetikus energia: Ezek alapján: A laminátrug. moduluszánaka növelése a külső rétegek feszültségi szintjét növeli (azonos tömeg, nagyobb merevség mellett) A gerenda vastagságának növelése csökkenti a külső rétegek feszültségi szintjét (növekvő merevség és tömeg mellett) Az alátámasztási távolság növelése csökkenti a külső rétegek feszültségi szintjét (azonos tömeg, csökkenő hajlítómerevség mellett) Tehát: az alátámasztási távolság növelése csökkenti a külső rétegek feszültségi szintjét, növeli az energiaelnyelő képességet (ütésállóságot), de a csökkenő merevség miatt nő a statikus feszültségi szint Ezek alapján: A héjak rug. moduluszának a növelése a héjak feszültségi szintjét növeli (azonos tömeg, nagyobb merevség mellett) A héjak vastagságának növelése csökkenti azok feszültségi szintjét (nagyobb merevség és tömeg mellett) Az alátámasztási távolság növelése csökkenti a héjak feszültségi szintjét (azonos tömeg, csökkenő hajlítómerevség mellett) A magvastagság önmagában nem befolyásolja az energiaelnyelő képességet Tehát: az alátámasztási távolság növelése csökkenti a héjak feszültségi szintjét, növeli az energiaelnyelő képességet (ütésállóságot), a hajlítómerevséget pedig a mag vastagságának növelésével szinten lehet tartani. 4

5 Egy tanulmány alapján: Különböző anyagok használata szendvics szerk. szempontjából: Nagyobb sűrűségű habmagok jobbak Merevebb maganyagok (pl. balza, Nomex) sokkal rosszabbak A maganyag szilárdsága sokkal inkább meghatározó az ütésállóság szempontjából, mint a modulusza A szál anyagának nem volt jelentős befolyása (E-üveg, karbon, aramid)!!! Karbon kicsit jobban teljesített talán a nagyobb rugalmassági modulusz miatt a hab nagyobb felületén oszlatta szét az energiát?!!! Poliészter, vinilészter és epoxiközött is csekénykülönbséget mértek a legjobban a vinilészter teljesített A tönkremenetel jellemzen az egyetlen kritikus komponens tönkremenetelét jelenti Pozitív szinergiák is elérhetőek. Általánosságban: Aramid vagy S-üveg jobb, mint az E-üveg vagy karbon (monoli laminát) Vinilészter jobb, mint az epoxi vagy poliészter Habmag jobb, mint a balza vagy Nomex Kvázi izotróp laminátjobb, mint az ortotróp Alacsony szál/mátrix arány jobb, mint a magas!!! Sok vékony réteg jobb, mint néhány vastag Összefoglalva: Annyira kiszámíthatatlan anyagviselkedés, hogy mindenképpen egyedi vizsgálatok szükségesek! Az interlaminárisfeszültségek egy kompozit szerkezetben rendszerint a rétegek mérnöki jellemzőinek különbözőségeire vezethetők vissza Ezek a feszültségek az okai a delamináció megjelenésének és terjedésének : rétegek közötti mátrix repedés Jellemzően a szerkezet folytonossági hibáinál indul: a normálisan in-planefeszültségi állapot esetén a feszültség-gradiensek okozhatnak out-of-planefeszültségeket. Neuber feszültség koncentrációs tényezője σ n névlegeshúzófeszültséggel terhelt lemezen ellipszisalakúrepedéstalálható Az ellipszishossztengelye2a hosszúságú, a repedésvégeineklekerekítésisugara ρ. Ekkor a többtengelyű feszültségállapot húzás irányú komponense: ahol formatényező σ max akár több nagyságrenddel is nagyobb lehet, mint a névleges feszültség Feszültségintenzitási tényező Ha síkbelifeszültségi állapotban van a test, akkora σ z =0, ha azonban azε z =0, azaz síkbeli alakváltozási állapot írjale a test viselkedését, akkor Aσ x, σ y ésa τ x,y -hoz tartozóegyenletek mindegyike egy csak a repedésméretétőlés a feszültség nagyságától függő tagból és egy csak a repedéscsúcsától való távolságtól és iránytól függő tagok szorzatából áll. Kritikus feszültségintenzitási tényezők Ha a feszültségintenzitási tényező mértékemeghaladegyazanyagra, illetvea falvastagságra jellemző értéketa repedéselkezd instabilan terjedni, ezt a mérőszámot kritikusfeszültségintenzitási tényezőneknevezzükésk Ic -veljelöljük. A K I feszültség intenzitásitényezőindexébenlevői a terhelésimódra utal, a repedéssíkjára merőleges húzófeszültségen kívül még kétféle terhelési módot különböztetünk meg. A II terhelésimód esetén az igénybevételi állapot a repedésterjedési irányával párhuzamos, a III módeseténpediga lemezsíkjábólkifelémutatésazelőzőkettőre merőleges. Mindhárom terhelési módhoz különböző anyagtól és falvastagságtól függő kritikus feszültségintenzitási tényezőktartoznak, melyeketrendrek Ic, K IIc, K IIIc -veljelölnek. A gyakorlatban a K ic -nekvan jelentősége A feszültségmező tehát egy Feszültségintenzitási tényezővel írható le [MPam 1/2 ]

6 Terhelési módok A lineárisan rugalmas törésmechanika három egymástól elkülönülő feszültségmódot ad meg a repedésterjedésre: K Ic A K ic a falvastagságtól is függ, ui. vékonylemezekrea síkbelifeszültségiállapot, míga vastag lemezekresíkbeli alakváltozási állapot a jellemző: Változó falvastagság Sík laminát Változó merevségű Diszkontinuitás a belső folyamatos (mag) és a külső folyamatos (öv) rétegek között Jelentős a mátrix szívósságának a szerepe: Szívósabb mátrix használatakor lassabb delaminálódás Nedvességfelvétel Ha szerves mátrixú kompozitotnedves közegbe helyezünk, idővel a nedvességtartalma és a hőmérséklete is változik Ez a változás a mechanikai jellemzők változását eredményezi A nedvességfelvétel az alábbi paraméterektől függ (az idő függvényében): A belső anyaghőmérséklet a hely függvényében A nedvességkoncentráció az anyagban A nedvesség teljes mennyisége (tömege) az anyagban A nedvesség és hőmérséklet által indukált hidrotermális feszültségek Az anyag méretváltozásai A mechanikai, kémiai, termikus és elektromos változások Egy kompozit laminát fizikai jellemzőinek a meghatározásához ismerni kell a hőmérsékleteloszlást és a nedveségtartalmat Nedvességfelvétel Nedvességfelvétel A szerkezeti mérnököket főleg a kompozitok szilárdságának a hosszú távú változása érdekli a folyamatos nedves közeg hatására. A mérési adatokra illesztett görbe elég jó becslést ad 25/50 m% száltartalmú poliészter és 50 m% száltartalmú vinilészter laminátok: Üveg/poliészter laminátok mechanikai jellemzői szárítás után, 25 évre számolva (3 év mérve): Kb. 60%-ra csökkentek az értékek Magasabb hőmérsékleten gyorsabban A kompozitok nedvességfelvétele lényegesen alacsonyabb, mint a mátrixé, hiszen a szál gyakorlatilag nem vesz fel nedvességet

7 Gélezettkompozit hajókon tipikus hiba Két alapvető oka lehet: Gyártás közbeni hibák, pl. levegő buborékok. Melegítés hatására megnő a térfogatuk. Bezárt folyadékok is okozhatnak hólyagokat. Ozmózis: a kis méretű vízmolekulák be tudnak hatolni a szerkezetbe. Ozmózis A hajótest felülete egy membrán. A membrána vízmolekulákszámáraátjárható. A membránkétoldalánkülönbözőkoncentrációjúoldatoktalálhatók. A koncentrációkülönbségmiattvízmolekulák diffundálnaka hígabb oldatbóla töményebb oldatfelé. Az oldószerdiffúziójacsökkentia kétoldatközöttikoncentrációkülönbséget. Egy idő után dinamikusegyensúly alakulki: időegység alatt ugyanannyivízmolekula diffundál áta hártyán a töményebb oldatfelé, mint amennyi a megnövekedettnyomásmiatt kipréselődik belőle, ám ekkor már teljesen hólyagos a felület Könnyen hidrolizálhatóanyagok: Üvegpaplan kötőanyaga Pigment hordozók Formaleválasztók Stabilizálók Katalizátorok Nem kitérhálósodott gyantarészek Ozmózis hólyagok Az ozmózis okozta hólyagok lehetnek: Felületiek (gélrétegben): Átmérő/magasság 2:1 körüli Kisebbek Könnyen kilyukasztható ph: 6,5-8,0 Szerkezetiek (laminátban): ez a rosszabb, nehezebben kezelhető Átmérő/magasság 10:1 körüli, de akár 40:1 is lehet Nagyobbak Nehezen feltárhatók ph: 3,0-4,0 (savasak) 65 C-on Poliészter laminát Szinte minden esetben pár napon belül megjelentek a hólyagok Még epoxi alapozónál is!!! Nem az a kérdés, hogy lesznek-e, hanem hogy mikor Mindkettő típus elsődlegesen kozmetikai probléma, de a szerkezeti hólyagok okozhatnak szerkezeti integritást befolyásoló problémát UV sugárzás Az epoxik nagyon érzékenyek: a szilárdságuk teljesen lecsökkenhez0 közelébe elporlik A vinilészterek mivel epoxikötések találhatóak bennük szintén érzékenyek, de nem olyan gyorsan degradálódnak, mint az epoxik Poliészter: nem különösebben érzékenyek A gélcoatok rendszerint poliészter alapúak Maga a pigment is fényvédőként szolgál, de közben fakulnak Sárgulás is megfigyelhető, ez a gyanta degradációjából származik, nem a pigmentekéből A sárgulás utáni állapot a krétásodás: a külső, fényes gyantaréteg teljesen eltűnik, csak a pigmentek maradnak, fény nélkül. Mivel nincs már összetartó anyag, elkezd morzsolódni, kopni. Vinilészter gélek jók a víz alatt, de fölötte kisárgulnak

8 Hőmérséklet hatása Házi feladatok Az UV sugárzás mellett a vele járó hő is igénybe veszi a hajókat. Az ezzel járó tulajdonság-romlás sok tényezőtől függ: Az üvegszál és a gyanta hőtágulási együtthatója nagyon különbözik Az üvegszál kevéssé tágul a hő hatására, mint a gyanta belső feszültségek, fáradás Ennek hatására a szálak átnyomódnak Olyan szálaknál, amiknek a hőtágulása közelebb van a gyantához, mint az üvegé, ez kevéssé jelentkezik. Pl. surfacefleece-ek. Karbon még rosszabb. Másik fontos szempont a hőállóság korábban volt róla szó (HDT, T g ) A nagyon alacsony hőmérséklet is probléma lehet: Felvett víz megfagyása delaminálódástokozhat Rétegelt lemez/laminát lehűléskor elválhat vagy pókhálórepedést okozhat RG65 modellhajó 5 méteres héjlaminát csónak 5 méteres szendvics csónak 7 méteres héjlaminát motoros hajó kabin nélkül 7 méteres szendvics motoros hajó kabin nélkül 7 méteres héjlaminát motoros hajó kabinnal 7 méteres szendvics motoros hajó kabinnal 7 méteres héjlaminát vitorlás hajó kabin nélkül 7 méteres szendvics vitorlás hajó kabin nélkül 7 méteres héjlaminát vitorlás hajó kabinnal 7 méteres szendvics vitorlás hajó kabinnal 9 méteres héjlaminát motoros hajó kabin nélkül 9 méteres szendvics motoros hajó kabin nélkül 9 méteres héjlaminát motoros hajó kabinnal 9 méteres szendvics motoros hajó kabinnal 9 méteres héjlaminát vitorlás hajó kabin nélkül 9 méteres szendvics vitorlás hajó kabin nélkül 9 méteres héjlaminát vitorlás hajó kabinnal 9 méteres szendvics vitorlás hajó kabinnal Köszönöm a figyelmet! 45 8