Ojačani materiali so odlična alternativa lahkim kovinam in pločevinam v nenehni težnji po manjšanju mase kritično obremenjenih delov, kot so npr. ohišja oljnih filtrov in nosilci motorjev. Pri strukturnih analizah pa odpovedo klasični materialni modeli, ker ti ne upoštevajo dejanske orientacije vlaken. Dejstvo je, da so elastične, plastične in porušitvene lastnosti zaradi orientacije ojačitvenih vlaken izrazito anizotropne.
Obravnavana problematika
S stališča namena uporabe:
- netočnost standardnih MKE-preračunov zaradi neustreznih materialnih podatkov (neupoštevanje ortotropnosti dejanske orientacije vlaken)
- veliki varnostni faktorji pri konstruiranju in dimenzioniranju
- nepoznavanje dejanske nosilnosti izdelkov
S stališča uporabljenega pristopa/metode:
- preverjanje točnosti metode, torej napovedi MKE-analize z upoštevanjem orientacije vlaken
Rešitev
S programsko opremo Abaqus smo izvedli več analiz po različnih metodah in materialnih modelih oz. lastnostih. Za precizno analizo smo uporabili še programsko opremo Autodesk Moldflow Insight, s katero smo dobili dejansko orientacijo vlaken v izdelku, ki smo jo izvozili v Abaqus. Uporabili smo material PA6 Durethan BKV 30 H2.0, ki vsebuje 30% steklenih vlaken po masi, omejili smo se na proces brizganja plastike. Izdelek smo brizgali iz dveh različnih lokacij (doliv A – vzdolžno, doliv B – prečno), s čimer smo v geometrijsko enak izdelek vnesli različno orientacijo vlaken, kar se odraža v različnih mehanskih lastnosti.
Nekaj pomembnejših poudarkov:
- opravili smo analitičen preračun, 4 MKE-analize s štirimi različnimi materialnimi podatki in eksperiment, vse za dva različna dolivka
- vzorce smo nabrizgali z enakimi parametri kot pri simulaciji brizganja Moldflow
- z nateznim preizkusom smo določili porušitveno silo za oba dolivka
- izvedli smo primerjavo rezultatov
Namen in koristi za končne kupce
- dejansko napetostno in deformacijsko stanje izdelka
- lažji izdelki zaradi boljše izrabe materiala
- zanesljiva rešitev, preverjena s kalibracijo preko eksperimenta pod enakimi pogoji kot pri analizi
- manjše tveganje v fazi načrtovanja in pri uporabi izdelka
V nadaljevanju še slikovni material in dodaten opis posameznih faz.
Slika 1: Obravnavani izdelek iz ojačanega polimera PA6 Durethan BKV 30 H2.0.
Osnova za natančne preračune je poznavanje orientacije vlaken, kar nam poda simulacija brizganja. Na tem mestu omenimo nujnost uporabe vodilnih produktov kot sta Autodesk Moldflow Insight in Abaqus za točne rezultate. Rezultati napovedi za oba dolivka so na sliki 2.
Slika 2: Orientacija ojačitvnih vlaken v izdelku, pri različni lokaciji doliva.
Pri izračunu nas je zanimala največja sila, ki jo izdelek prenese. Uporabili smo 6 metod za ugotavljanje največje sile:
- Analitični pristop (linearno):
Natezno trdnost izdelka smo izračunali analitično v kritičnem prerezu s predpostavko, da je verjetnost, da so vlakna usmerjena v prečni smeri glede na obremenitev velika (kritična mesta, ki se pogosto pojavijo v praksi) (uporabljeni materialni podatki v prečni smeri brez upoštevanja orientacije).
To je najenostavnejši in najhitrejši pristop, ki je mogoč le pri izjemno enostavnih geometrijah, ki pa v praksi niso pogoste. Pri upoštevanju materialnih podatkov v prečni smeri pa takšna metoda daje izrazito konzervativne rezultate. - Izotropna materialno linearna simulacija (ABAQUS-linearno):
Natezno trdnost izdelka smo določili numerično. Uporabili smo klasični izotropni linearni materialni model. Predpostavili smo, da je verjetnost, da so vlakna usmerjena v prečni smeri glede na obremenitev velika (kritična mesta, ki se pogosto pojavijo v praksi) (uporabljeni materialni podatki v prečni smeri brez upoštevanja orientacije).
Gre za numerično metodo s katero lahko hitro in enostavno preverimo trdnost izdelka kompleksnih geometrij. Pri upoštevanju materialnih podatkov v prečni smeri pa takšna metoda še vedno daje izrazito konzervativne rezultate. - Izotropna materialno nelinearna simulacija (ABAQUS-nelinearno):
Gre za enako metodo kot pod točko 2 z razliko, da smo uporabili materialno nelinearne podatke. Metoda je bolj uporabna pri večjih deformacijah in pri materialih, ki se obnašajo izrazito nelinearno (manjši odstotek ojačitvenih vlaken). Pri upoštevanju materialnih podatkov v prečni smeri pa takšna metoda še vedno daje izrazito konzervativne rezultate. - Simulacija z upoštevanjem linearnih ortotropnih materialnih podatkov (ABAQUS+orientacija-linearno):
Natezno trdnost izdelka smo določili numerično. Pri simulaciji smo upoštevali orientacijo vlaken. Uporabili smo ortotropni linearno-elastični materialni model. (uporabljeni linearni materialni podatki v vseh ortogonalnih smereh).
Gre za napredno numerično metodo, ki upošteva orientacijo. Takšna metoda upošteva tehnološke vplive na mehanske lastnosti izdelka. Rezultati takšne metode se bolj točni. Metoda daje dobre rezultate pri majhnih deformacijah ali pri materialih, ki se ne obnašajo izrazito nelinearno. - Simulacija z upoštevanjem nelinearnih ortotropnih materialnih podatkov (ABAQUS+Moldflow-nelinearno):
Gre za podobno metodo kot pod točko 4. Z razliko, da so pri tej metodi materialni podatki preslikani na idealizirano mrežo končnih elementov (ang. maping). Uporabili smo ortotropni elasto-plastični materialni model, z modelom odpovedi kompozita (uporabljeni nelinearni materialni podatki v vseh ortogonalnih smereh). Napoved vlaken je bila narejena s simulacijo brizganja.
Gre za trenutno najnaprednejšo numerično metodo, ki upošteva orientacijo. Takšna metoda zelo natančno upošteva tehnološke vplive na mehanske lastnosti izdelka. - Eksperimentalna meritev (trgalni stroj):
Izdelek smo vpeli v trgalni stroj in ga preizkusili. Pri tem smo pridobili trdnostne lastnosti realnega izdelka v praksi (slika 5 in slika 6).
Tabela 1: Rezultati posameznih metod; jasno je razvidno, da metoda s kombinacijo napovedi orientacije vlaken s simulacijo brizganja Moldflow in uvoz teh materialnih podatkov v Abaqus daje daleč najbolj točne rezultate
Za boljšo predstavo smo pripravili grafični pregled, v katerem smo z rdečima črtama označili izmerjeni vrednosti pri eksperimentu. Razvidno je odlično ujemanje metode 5, torej analize z upoštevanjem napovedi orientacije vlaken, z metodo 6 – eksperimentom.
Slika 3: Grafični prikaz rezultatov posamezne metode; rdeči črti ponazarjata rezultate eksperimenta (metoda 6) – lepo je razvidno odlično ujemanje z metodo 5, ki upošteva dejansko orientacijo vlaken
Slika 4: Porazdelitev primerjalne napetosti matice kompozita v [MPa] na ploščici, polnjeni z bočne strani (doliv B). Simulacija z upoštevanjem nelinearnih ortotropnih materialnih podatkov.
Slika 5: Natezno preizkuševališče
Slika 6: Natezni preizkušanci
Računalniške simulacije ojačanih materialov z poenostavljeni materialni modeli, pri katerih zanemarimo ortotorpijo in materialno nelinearnost, dajejo sicer konzervativne, a ne zelo natančne rezultate. Rezultati takšnih simulacij so uporabni za hitro oceno trdnostnega stanja izdelka v začetni fazi konstruiranja izdelka. Takšne simulacije niso primerne za analize, kjer želimo izdelke optimirati v smeri čim manjše mase ob zahtevani čim večji trdnosti.
Z upoštevanjem ortotropnosti oz. orientacije vlaken, znatno izboljšamo rezultate numeričnih simulacij. Tovrstne simulacije omogočajo tudi različno napoved mehanskih lastnosti izdelkov zaradi različnega dolivnega sistema. Tako pridobljeni rezultati se zelo dobro približajo eksperimentalnim rezultatom. Z njimi pa lahko zelo dobro optimiramo izdelke v smeri čim manjše mase ob zahtevani čim večji trdnosti.