VPLIV SESTAVE IN TEHNOLOGIJE IZDELAVE NA MATERIALNE ... · materiali sestavljeni iz vsaj dveh različnih materialov, je poznavanje in načrtovanje njihovih lastnosti dokaj zahtevno

UNIVERZA V MARIBORU

FAKULTETA ZA STROJNIŠTVO

Jasmin VEHABOVIĆ

VPLIV SESTAVE IN TEHNOLOGIJE IZDELAVE NA MATERIALNE LASTNOSTI KOMPOZITNEGA MATERIALA

Magistrsko delo

študijskega programa 2. stopnje

Strojništvo

Maribor, junij 2018

VPLIV SESTAVE IN TEHNOLOGIJE IZDELAVE NA MATERIALNE LASTNOSTI KOMPOZITNEGA MATERIALA

Magistrsko delo

Študent: Jasmin VEHABOVIĆ

Študijski program: študijski program 2. stopnje Strojništvo

Smer: Konstrukterstvo

Mentor: izr. prof. dr. Jožef PREDAN

Somentor: red. prof. dr. Nenad GUBELJAK

Maribor, junij 201

- II -

I Z J A V A

Podpisani Jasmin VEHABOVIĆ , izjavljam, da:

• je magistrsko delo rezultat lastnega raziskovalnega dela,

• predloženo delo v celoti ali v delih ni bilo predloženo za pridobitev kakršnekoli izobrazbe

po študijskem programu druge fakultete ali univerze,

• so rezultati korektno navedeni,

• nisem kršil-a avtorskih pravic in intelektualne lastnine drugih,

• soglašam z javno dostopnostjo magistrskega dela v Knjižnici tehniških fakultet ter

Digitalni knjižnici Univerze v Mariboru, v skladu z Izjavo o istovetnosti tiskane in

elektronske verzije zaključnega dela.

Maribor,_____________________ Podpis: ________________________

- III -

ZAHVALA

Zahvaljujem se mentorju izr. prof. dr. Jožefu Predanu

in somentorju red. prof. dr. Nenadu Gubeljaku ter

podjetju Veplas, d. d., za pomoč in vodenje pri

opravljanju magistrskega dela. Podjetju Veplas, d. d.,

se prav tako zahvaljujem, da mi je omogočilo študij ter

za temo magistrske naloge.

Zahvaljujem se tudi družini in prijateljem za podporo v

času študija.

- IV -

VPLIV SESTAVE IN TEHNOLOGIJE IZDELAVE NA MATERIALNE LASTNOSTI

KOMPOZITNEGA MATERIALA

Ključne besede: kompozitni materiali, steklena mata, tkanina, polimerna smola, RTM, ročna

laminacija, numerične metode, tlačna posoda

UDK: 620.168:536.91(043.2)

POVZETEK

V magistrski nalogi je predstavljen postopek določitve materialnih podatkov kompozitnega

materiala, izdelanega z različnimi tehnologijami in z uporabo različnih ojačitvenih faz.

Predstavljene so osnove kompozitnih materialov, ASTM-standard, natezni preizkus, analitični

pristop, s katerim so primerjani rezultati nateznega preizkusa, ter numerična simulacija tlačne

posode, kjer je z numerično analizo določena razporeditev slojev za dosego optimalne trdnosti

in primerjana z uporabo kovinskih materialov.

- V -

THE INFLUENCE OF THE STRUCTURE AND PRODUCTION TECHNOLOGY ON THE

MATERIAL PROPERTIES OF THE COMPOSITE MATERIAL

Key words: composite materials, glass mat, fabric, polymer resin, RTM, hand lay-up, tensile

test, numerical method, pressure vessel

UDK: 620.168:536.91(043.2)

ABSTRACT

The master's thesis presents a determination process of material data of composite materials

which are made with different technologies and using various reinforcement phases. Basics of

composite materials, ASTM standard and tensile test are presented in this work, including

analytical approach which is compared with results from tensile tests. Numerical simulation of

the pressure vessel is used to determine composite layers for optimal strength and compared

with use of metal materials.

- VI -

KAZALO VSEBINE

1 UVOD ....................................................................................................... 1

1.1 Področje magistrske naloge ................................................................ 1

1.2 Cilji magistrskega dela ........................................................................ 2

2 POLIMERNI KOMPOZITNI MATERIALI ....................................................... 3

2.1 Ojačitvena faza ................................................................................... 4

2.2 MATRICA oz. OSNOVA ........................................................................ 6

3 TEHNOLOGIJA IZDELAVE .......................................................................... 8

3.1 Ročna laminacija (Hand Lay-up) .......................................................... 8

3.2 RTM (Resin Transfer Molding) .......................................................... 10

3.3 Izdelava RTM-orodja ........................................................................ 11

4 ANALITIČNI PRISTOP PRIDOBIVANJA MATERIALNIH LASTNOSTI............. 15

4.1 Mikromehanski pristop določanja materialnih podatkov .................. 15

4.2 Makromehanski pristop določanja materialnih lastnosti .................. 19

4.3 Določanje materialnih lastnosti v primeru naključno orientiranih

vlaken ....................................................................................................... 26

4.4 Izračuni materialnih lastnosti ........................................................... 28

5 EKSPERIMENTALNO PREIZKUŠANJE ....................................................... 31

5.1 NATEZNI PREIZKUS ASTM D 3039 ..................................................... 33

5.2 Interference ..................................................................................... 34

5.3 Oprema ............................................................................................ 34

5.4 Vzorčenje in preizkušanci ................................................................. 36

5.5 Postopek izvajanja preizkusa ............................................................ 38

6 PRIPRAVA PREIZKUŠANCEV ................................................................... 40

6.1 Materiali .......................................................................................... 40

6.2 Tehnologije ...................................................................................... 40

6.3 Preizkušanci ..................................................................................... 43

- VII -

7 IZVAJANJE NATEZNIH PREIZKUSOV ........................................................ 46

7.1 Preverjanje vpliva tehnologije .......................................................... 48

7.2 Preverjanje strukture ojačitvenega materiala ................................... 52

7.3 Primerjava pridobljenih rezultatov z analitičnimi pristopi ................. 56

7.4 Preverjanje in uporaba rezultatov v numeričnem okolju .................. 59

8 PRIMERJAVA NUMERIČNE ANALIZE MED JEKLENO IN KOMPOZITNO

TLAČNO POSODO ......................................................................................... 61

8.1 Opis problema .................................................................................. 62

8.2 Numerična analiza tip 1 .................................................................... 64

8.3 Numerični preračun tip 2 .................................................................. 68

8.4 Primerjava in diskusija ...................................................................... 72

9 DISKUSIJA .............................................................................................. 73

10 LITERATURA ........................................................................................ 74

- VIII -

KAZALO SLIK

Slika 2.1: Aramidna vlakna [8] .................................................................................................... 4

Slika 2.2: Steklena vlakna [8] ...................................................................................................... 5

Slika 2.3: Ogljikova vlakna [8] ..................................................................................................... 6

Slika 2.4: Prikaz ojačitvenega vlakna in matrice v kompozitu .................................................... 6

Slika 3.1: Ročna laminacija ......................................................................................................... 9

Slika 3.2: RTM ........................................................................................................................... 11

Slika 3.3: Načrti razreza kompozitnih plošč, levi vzdolžni in prečni, desno strižni preizkušanci

.......................................................................................................................................... 13

Slika 3.4: CAD-model RTM-orodja ............................................................................................ 14

Slika 3.5: RTM-orodje, pripravljeno za ulivanje ........................................................................ 14

Slika 4.1: Mikromehanski pristop, a - heterogeni material, b - homogeni material ................ 16

Slika 4.2: Trdnost v odvisnosti od deformacije pri vlaknu in matrici ....................................... 18

Slika 4.3: Materialni in laminatni KS ......................................................................................... 20

Slika 4.4: Cauchyev napetostni tenzor ..................................................................................... 20

Slika 4.5: a) vzdolžni natezni preizkus, b) prečni natezni preizkus ........................................... 22

Slika 4.6: Tranformacija koordinatnih sistemov ....................................................................... 24

Slika 5.1: Namestitev merilnih lističev na preizkušanec [6] ..................................................... 36

Slika 5.2: Preizkušanci ............................................................................................................... 37

Slika 5.3: Porušitveni modeli preizkušancev [6] ....................................................................... 39

Slika 6.1: Razrez ojačitvenega materiala na laserskem rezalniku ............................................ 41

Slika 6.2: Postavitev ojačitvenega materiala v orodje .............................................................. 42

Slika 6.3: Orodje, pripravljeno za ulivanje ................................................................................ 42

Slika 6.4: Priprava kompozitne plošče (ročna laminacija) ........................................................ 43

Slika 6.5: Nepopolno prepojena na levi in ustrezno prepojena kompozitna plošča na desni . 44

Slika 6.6: Kompozitne testne plošče ......................................................................................... 44

Slika 6.7: Razrez kompozitne plošče in obtežitev lepljenih vpenjalnih ploščic ........................ 45

Slika 7.1: Preizkušanec, vpet v preizkuševalnem stroju ........................................................... 46

Slika 7.2: Prikaz deformacijskega polja in graf pomikov v programskem paketu ARAMIS ...... 47

Slika 7.3: Napetost v odvisnosti od deformacije ...................................................................... 50

Slika 7.4: Prikaz zlomljenih preizušancev ................................................................................. 51

Slika 7.5: Napetost vzdolžnih in prečnih preizkušancev v odvisnosti od deformacije ............. 54

- IX -

Slika 7.6: Prikaz vlaken prečnega preizkušanca v programskem paketu Aramis ..................... 54

Slika 7.7: Napetost strižnih preizkušancev v odvisnosti od deformacije.................................. 55

Slika 7.8: Prikaz vlaken strižnega preizkušanca v programskem paketu Aramis...................... 56

Slika 7.9: Primerjalne lastnosti v primeru mate ....................................................................... 57

Slika 7.10: Primerjalne lastnosti v primeru tkanine ................................................................. 58

Slika 7.11: Prikaz vpetja in pomika ........................................................................................... 60

Slika 8.1: Vrste tlačnih posod za metan .................................................................................... 62

Slika 8.2: Tlačna posoda, vgrajena v avtomobil ........................................................................ 63

Slika 8.3: Dimenzije tlačne posode ........................................................................................... 64

Slika 8.4: Predpisovanje tlaka ................................................................................................... 66

Slika 8.5: Vpetje ........................................................................................................................ 66

Slika 8.6: Zamrežen element .................................................................................................... 67

Slika 8.7: Napetosti v tlačni posodi ........................................................................................... 67

Slika 8.8: Smer navijanja tlačne posode ................................................................................... 69

Slika 8.9: Razporejanje slojev v programskem paketu Abaqus ................................................ 70

Slika 8.10: Tsai-Hillov kriterij v odvisnosti od orientacije vlaken ............................................. 71

Slika 8.11: Rezultat numerične analize kompozitne tlačne posode ......................................... 71

Slika 8.12: Masa tlačnih posod ................................................................................................. 72

- X -

KAZALO PREGLEDNIC

Preglednica 3-1: Prednosti in slabosti postopka ročne laminacije .......................................... 10

Preglednica 3-2: Področje uporabe ročne laminacije .............................................................. 10

Preglednica 4-1: 6 neodvisnih komponent napetostnega tenzorja ......................................... 21

Preglednica 4-2: 6 neodvisnih komponent deformacijskega tenzorja ..................................... 21

Preglednica 4-3: Tehnični podatki ojačitvenega materiala ...................................................... 28

Preglednica 4-4: Tehnični podatki matrice ............................................................................... 28

Preglednica 4-5: Podatki o laminatih........................................................................................ 29

Preglednica 4-6: Lastnosti steklene mate, ojačane s polimerno smolo ................................... 29

Preglednica 4-7: Lastnosti steklene tkanine, ojačane s polimerno smolo ............................... 30

Preglednica 5-1: Standardi za preizkušanje kompozitih materialov ........................................ 32

Preglednica 5-2: Podatki preizkušancev ................................................................................... 36

Preglednica 5-3: Dimenzije preizkušancev ............................................................................... 37

Preglednica 5-4: Oznake porušitvenih modelov ...................................................................... 39

Preglednica 6-1: Okvirne razlike med RTM-tehnologijo in ročno laminacijo ........................... 40

Preglednica 7-1: Tehnični podatki steklene mate .................................................................... 48

Preglednica 7-2: Tehnični podatki polimerne smole ................................................................ 48

Preglednica 7-3: Tehnični podatki preizkušancev pri preverjanju vpliva tehnologije .............. 48

Preglednica 7-4: Rezultati nateznega prezkusa pri preverjanju vpliva tehnologije ................. 49

Preglednica 7-5: Razlike v materialnih podatkih med tehnologijama...................................... 49

Preglednica 7-6: Klasifikacija preizkušancev ............................................................................ 52

Preglednica 7-7: Tehnični podatki polimerne smole ................................................................ 52

Preglednica 7-8: Tehnični podatki preizkušancev za tkanino ................................................... 52

Preglednica 7-9: Rezultati nateznega preizkusa vzdolžnih in prečnih preizkušancev .............. 53

Preglednica 7-10: Primerjava rezultatov med vzdolžnimi in prečnimi preizkušanci ................ 53

Preglednica 7-11: Rezultati strižnih preizkušancev .................................................................. 55

Preglednica 7-12: Primerjane napetosti med eksperimentom in numeriko............................ 60

- XI -

UPORABLJENI SIMBOLI

𝑉𝑓 volumski delež vlaken

𝑉𝑚 volumski delež matrice

𝐸1 vzdolžni elastični modul

𝐸𝑓 elastični modul vlakna

𝐸𝑚 elastični modul matrice

𝐸2 prečni elastični modul

𝜂 korekcijski faktor

𝜁 empirični parameter z vrednostjo 2 za cilindrična in kvadratna vlakna

𝑣12 Poissonovo število kompozita

𝑣𝑓 Poissonovo št. vlakna

𝑣𝑚 Poissonovo št. matrice

𝐺12 strižni modul kompozita

𝐺𝑚 strižni modul matrice

𝐺𝑓 strižni modul vlakna

𝐹1𝑡 vzdolžna natezna trdnost kompozita

Fft natezna trdnost vlakna

𝜎�� napetost v matriki ob porušitvi

𝐹2𝑡 prečna natezna trdnost kompozita

ʌ220 empirični faktor

𝑡𝑡 prehodna debelina

𝐺𝐼𝑐 lomna žilavost

𝜎𝑆 strižna trdnost

ʌ440 empirični faktor

𝜀 ravninska deformacija

𝜎 ravninska napetost

γ interlaminarna deformacija

𝜏 interlaminarna napetost

- XII -

𝑆 skladnostna matrika

𝑆∗ interlaminarna skladnostna matrika

𝑄 togostna matrika

𝑄∗ interlaminarna togostna matrika

�� tranformirana togostna matrika

θ kot zasuka vlaken

𝐸𝑥 vzdolžni elastični modul laminata (CSM)

𝐸𝑦 prečni elastični modul laminata (CSM)

𝐺𝑥𝑦 strižni modul laminata (CSM)

𝑣𝑥𝑦 Poissonovo število laminata (CSM)

E elastični modul kompozita (CSM)

G strižni modul kompozita (CSM)

v Poissonovo število kompozita (CSM)

ρ gostota

mf masa ojačitve

mc masa matrice

A presek

𝑁𝜃 porazdeljena sila po obodu

𝑁Փ porazdeljena sila v vzdolžni smeri

𝛼 kot med silama

𝜎𝑢 natezna trdnost vlakna

- XIII -

UPORABLJENE KRATICE

RTM Resin Transfer Molding

RL Ročna laminacija

ROM Rule of mixture

CSM Chopped strand mat

ASTM American Society for Testing materials

ACI American Concrete Institute

ISO International Organization for Standardization

VP Vpenjalna ploščica

CNC Computer numerical control

KE Končni element

CAE Computer aided engineering

CNG Compressed natural gas

MKE Metoda končnih elementov

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Magistrsko delo

1

1 UVOD

1.1 Področje magistrske naloge

Materiali že skozi celotno zgodovino igrajo ključno vlogo v razvoju človeštva. Na to kaže že

poimenovanje nekaterih zgodovinskih dob, ki so dobile ime po takrat uporabljanih materialih.

Skupaj z materiali pa napreduje tudi tehnologija, ki nam je omogočila prehoditi dolgo pot od

dojemanja Zemlje kot ravne plošče pa vse do raziskovanja vesolja, ki je zastavilo nove mejnike

za človeštvo. Pomembnost materialov pa igra bistveno vlogo tudi v vsakodnevnem življenju,

kjer so optimiranje izdelkov, reduciranje stroškov in izboljšanje delovanja ključnega pomena

pri doseganju konkurenčnosti na že dokaj nasičenem in svetovno povezanem trgu. Pri tem si

v zadnjem času svojo pot vse bolj utrjujejo kompozitni materiali, ki so sestavljeni iz dveh ali

več različnih materialov, ki se med seboj kemijsko ne povezujejo. Omogočajo nam načrtovanje

optimalnih lastnosti in prilagajanje različnim obratovalnim pogojem.

Posebej je potrebno omeniti polimerne kompozite, ojačane z vlakni, ki so tudi predmet

raziskovanja v magistrski nalogi. Uporabljajo se v mnogih panogah, kjer zaradi svojih dobrih

lastnosti zamenjujejo tradicionalne materiale, kot sta aluminij in jeklo. Ker pa so kompozitni

materiali sestavljeni iz vsaj dveh različnih materialov, je poznavanje in načrtovanje njihovih

lastnosti dokaj zahtevno. Lastnosti se lahko raziskujejo analitično z matematičnimi modeli, ki

so jih v ta namen razvili v zadnjih letih in dajejo sprejemljive rezultate, ali pa z

eksperimentalnimi preizkusi, ki jih izvedemo na standardnih preizkušancih.

V podjetju Veplas, d. d., ki je eno izmed vodilnih na področju kompozitnih materialov v

Sloveniji, je bilo preverjeno obnašanje materialov, ki so izdelani iz dveh različnih vrst

ojačitvene faze in dveh različnih tehnologij izdelave.


2

1.2 Cilji magistrskega dela

V podjetju Veplas, d. d., si prizadevajo za širitev lastnega razvoja, ki ga je potrebno podkrepiti

s poznavanjem materialov, katerih raziskovanje je zaradi kompleksnosti in analize še danes

veliko neraziskano področje. Kljub dostopnim rezultatom različnih raziskav na tem področju je

mogoče opaziti veliko razpršenost podatkov, kar otežuje konstruiranje in izdelavo novih

kompozitnih izdelkov.

V magistrski nalogi je glavni cilj vzpostaviti zagon raziskovanja kompozitnih materialov, ki

zajema izbiro ustreznega standarda ter razumevanje analitičnega pristopa, ki je prehodni

korak pred eksperimentalnimi preizkusi. Cilj naloge je tudi ustvariti bazo podatkov materialov,

ki se največ uporabljajo, ter preveriti, kako na lastnosti materiala vpliva tehnologija izdelave

in tip ojačitvene faze.

Ker se lastnosti materialov s spreminjanjem deležev in drugih faktorjev hitro spreminjajo in

ker izvajanje eksperimentalnih preizkusov ni vedno izvedljivo, je velikokrat edina rešitev

analitični pristop, ki pa mu ne moremo vedno zaupati. V nalogi je zato predstavljen analitični

pristop določitve materialnih podatkov na mikroskopskem in makroskopskem nivoju, ki je tudi

primerjan z rezultati eksperimenta, s katerimi želimo preveriti, ali lahko zaupamo tem

analitičnim rezultatom pri razvoju novih materialov in izdelkov.

Ker so pridobljeni rezultati poleg razumevanja vpliva tehnologije, orientiranosti vlaken in

drugih faktorjev namenjeni tudi za uporabo v numeričnem okolju, so v programskem paketu

Simulia Abaqus simulirani identični natezni preizkusi, s katerim želimo analizirati obnašanje

materialov z numeričnimi simulacijami po metodi končnih elementov (KE). V magistrski nalogi

je poleg nateznih preizkusov opravljena tudi numerična analiza tlačne posode, kjer je

primerjana ustreznost kovinskega in kompozitnega tipa.


3

2 POLIMERNI KOMPOZITNI MATERIALI

Kompozitni materiali [3], ki so danes vse bolj prisotni v industriji, se v grobem delijo glede na

vrsto uporabljene matrice, in sicer na:

− Kovinske kompozite, ki imajo običajno visoko trdnost in žilavost. Večje module elastičnosti oz. togost dosegamo z utrjevanjem z vlakni, ki imajo tudi zelo nizko gostoto.

− Keramične kompozite, ki imajo prav tako visoko trdnost, a so zelo krhki. Njihove prednosti se kažejo v odpornosti na toplotne in mehanske šoke, zaradi katerih se uporabljajo v primerih, ko želimo izboljšati lomno in temperaturno stabilnost.

− Polimerne kompozitne materiale, ki imajo v primerjavi z ostalimi najmanjšo trdnost in

elastični modul, so pa zelo lahki in odporni proti kemikalijam in vodi.

V magistrski nalogi se bomo osredotočili na polimerne kompozitne materiale, ki so danes že

dobro uveljavljeni tehnični materiali in zavzemajo posebno mesto med kompoziti, ki jim poleg

utrjevalne faze in matrice dodajamo še polnila, pospešilce in zaščitne sloje, s katerimi

pospešimo hitrost strjevanja matrice, izboljšamo površinsko kakovost in zmanjšamo stroške

procesa.

Najpogosteje se uporabljajo v vesoljski, avtomobilski, pomorski in gradbeni industriji ter v

športu in pri izdelavi neprebojnih jopičev. Imajo odlično razmerje med togostjo in maso, kar

pomeni, da so nekateri kompoziti močnejši od aluminija in le malo šibkejši od jekla, hkrati pa

so lažji od obeh primerjanih materialov. Poleg dobrega razmerja med trdnostjo in maso, ki je

ena najpomembnejših lastnosti, je kompozitne materiale mogoče oblikovati v zahtevne

neprekinjene oblike z možnostjo spreminjanja debeline posameznih delov glede na trdnostne

potrebe.

Kot pri vsaki stvari se tudi pri kompozitnih materialih pojavljajo slabosti, ki se kažejo v ceni,

slabšem prenašanju tlačne in prečne obremenitve ter procesu proizvodnje, ki je pogojen s

časom strjevanja matrice in je razmeroma mnogo daljši kot npr. proces preoblikovanja

pločevine.

Kompozitni material sestavljajo ojačitvena faza, ki največ doprinese k dobrim mehanskim

lastnostim, ter matrica, ki povezuje ojačitve, porazdeljuje obremenitve in ščiti material pred


4

zunanjimi vplivi. Lastnosti takšnega umetnega materiala so odvisne od izbire materialov

posameznih faz, orientacije, prostorninskega deleža, interakcije komponent …

2.1 Ojačitvena faza

Za konstrukcijske namene je najprimernejša oblika ojačitvenega materiala vlakno, ki najbolje

pripomore k nosilnosti v smeri vlakna. Po obliki jih lahko razvrstimo v dve skupini. Kontinuirna

oz. neprekinjena vlakna, primerna za nosilne elemente, ter krajša in naključno orientirana

vlakna za manj nosilne elemente. Vlakna so lahko narejena iz različnih materialov in ker je

končna lastnost kompozitnega materiala odvisna predvsem od izbire vlaken, je zato potrebno

poznavanje materialov, iz katerih so vlakna izdelana, in njihovih lastnosti.

Najbolj prisotna vlakna pri izdelavi kompozitnih materialov so steklena, ogljikova in aramidna

vlakna, ki se pojavljajo v različnih izvedbah. Posamezna vlakna se zaradi težavnosti rokovanja

in potrate časa redko uporabljajo v industrijskih aplikacijah, bolj pogosta je uporaba položenih

in prepletenih oblik v tkanine. Njihove lastnosti pa so pogojene z načinom združevanja in

urejenostjo vlaken [8].

ARAMIDNA VLAKNA

Znana so tudi pod imenom kevlar. Sestavljena so iz aromatičnih poliamidov, ki jih odlikujejo

visoka specifična trdnost, žilavost in velika sposobnost absorbiranja energije, zaradi česar se

uporabljajo za izdelavo neprebojnih zaščitnih telovnikov, čelad in blažilcev v avtomobilih.

Zaradi kombinacije relativno visoke cene, visoke absorpcije vlage, nizke temperature taljenja

in relativno slabe tlačne mehanske lastnosti so postala manj priljubljena za uporabo v drugih

inženirskih aplikacijah. So rumene barve in imajo v primerjavi z ogljikovimi in steklenimi vlakni

slabšo sprijemno sposobnost z matrico, moč pa je opaziti tudi povečano lezenje [10].

Slika 2.1: Aramidna vlakna [8]


5

STEKLENA VLAKNA

Steklena vlakna so v primerjavi z ostalimi vlakni zaradi nizke cene men najbolj uporabljanimi.

Na voljo je veliko vrst steklenih vlaken, ki se med sabo razlikujejo po kemični sestavi.

Ločimo jih v tri osnovne kategorije:

− E- dobra električna izolativnost

− C- boljšo odpornost na kemijsko korozijo

− S- večja vsebnost silicija, odpornejše na visoke temperature

V praksi je zaradi cene med najbolj zastopanimi E-steklo, ki je približno štirikrat nižja od S-

stekla. V primerjavi z ogljikovimi in aramidnimi vlakni pa imajo steklena vlakna nižjo trdnost in

modul elastičnosti. Uporabljamo jih na vseh področjih industrije (avtomobilska, letalska,

gradbena, športna ...). Slabost se kaže v relaksacija pod dolgotrajno obteženostjo in najnižjo

nosilnosti med zgoraj navedenimi vlakni [10].

Slika 2.2: Steklena vlakna [8]

OGLJIKOVA VLAKNA

So umetna vlakna z zelo visokim modulom elastičnosti. Dobiti jih je možno v različnih

kvalitetah in so za razliko od steklenih in aramidnih vlaken zelo odporna na povišane

temperature. Različne kvalitete, ki so na voljo, so odvisne od proizvodnega procesa in čistosti

vlaken. V primerjavi s steklenimi vlakni imajo višji modul elastičnosti, natezno in tlačno

trdnost, odpornost na korozijo ter nižjo gostoto. Slabost se kaže v nizki odpornosti na udarce,

krhkosti in visoki ceni, ki je omejila uporabo ogljikovih vlaken na specialne konstrukcije, ki se

pojavljajo v letalski in avtomobilski industriji [10].


6

Slika 2.3: Ogljikova vlakna [8]

2.2 MATRICA oz. OSNOVA

Vlakna ne morejo prenašati obremenitve z enega vlakna na drugega, zato je potrebna matrica,

ki vlakna poveže in porazdeli napetosti. Uporaba matrice je odvisna od temperature strjevanja

in temperature taljenja, viskoznosti, združljivosti z vlakni. Vez med vlaknom in matrico mora

biti zelo dobra, zato mora biti matrica takšna, da je sposobna razviti dobro povezanost in ne

sme vplivati na strukturo vlakna. Matrice v polimernih kompozitnih materialih imenujemo tudi

polimerne smole ali samo polimeri in jih ločimo glede na odziv na toploto na termoplaste in

termosete.

Slika 2.4: Prikaz ojačitvenega vlakna in matrice v kompozitu

Zaradi potreb magistrske naloge so v nadaljevanju opisane termosetne smole, ki se vežejo

skupaj s katalizatorjem, s katerim so podvržene nepovratni kemični reakciji, pri kateri se tvori

trd in netaljiv produkt. Pri povišanih temperaturah se smola tako ne stopi, se pa njene

mehanske lastnosti nad določeno temperaturo močno spremenijo, struktura preide iz toge


7

kristalne v fleksibilnejšo amorfno strukturo. To temperaturo imenujemo temperatura

steklastega prehoda Tg in je odvisna od uporabljene smole, stopnje strjenosti in pravilnosti

mešanja.

Predstavniki termosetnih smol so poliester, epoksi in vinilester.

POLIESTRSKA SMOLA

Je najpogosteje uporabljen tip smole pri ojačitvah s steklenimi vlakni. Je krhka in povzroča

krčenje tudi do 8 % med strjevanjem, zato se ji običajno dodajajo polnila, kot je kalcijev

karbonat, ki zmanjša stroške in reducira krčenje. V kompozitni industriji se uporabljata dve

vrsti poliestrskih smol: ortoftalna ter dražja izoftalna, ki se zaradi dobre vodne odpornosti

uporablja v pomorstvu. Poliestrne smole so večinoma viskozne in sestavljene iz raztopine

poliestra in monomera, običajno stiren, ki omogoča tudi lažje ravnanje, saj zmanjšuje

viskoznost in omogoča strjevanje smole iz tekočega stanja v trdno. Zaradi omejenega časa

shranjevanja se med produkcijo smol dodajajo zaviralci, ki upočasnijo mreženje.

VINILESTRSKA SMOLA

Podobna je poliestrski smoli, vendar je močnejša in odpornejša na vodo in druge kemikalije.

Uporablja se lahko pri povišanih temperaturah, saj se trdnost in togost skoraj ne spremenita.

Zaradi dobre vodne odpornosti se uporablja v ladjedelništvu.

EPOKSIVNA SMOLA

Glavni razlogi za uporabo epoksivne smole so dobra vezljivost z vlakni, kemična in toplotna

odpornost, mehanske lastnosti ter izredna elektroizolacijska sposobnost. Predstavlja eno

izmed najzmogljivejših in najdražjih smol na tržišču. Prav zaradi dobrih lastnosti se največ

uporablja v letalski industriji in ladjedelništvu. Za razliko od poliestrskih smol imajo boljšo

dimenzijsko odpornost in manjše krčenje, za strjevanje pa se namesto katalizatorja uporablja

trdilo, navadno amin.


8

3 TEHNOLOGIJA IZDELAVE

Izbira tehnologije izdelave je odvisna od tipa matrice in ojačitve, potrebne temperature za

strjevanje matrice in tudi stroškovne učinkovitosti. Pogosto je izbira postopka izdelave

ključnega pomena pri konstruiranju kompozitnega izdelka, pri katerem upoštevamo obseg

izdelave, ceno, željene lastnosti, natančnost … Ker ima vsak postopek določene omejitve pri

konstruiranju izdelkov, je za inženirja potrebno poznavanje različnih tehnologij, njihovih

prednosti in slabosti, stroškov, učinkovitosti itd. Za načrtovanje izdelka in njegovega obnašanja

pod obremenitvami je torej potrebno poznavanje obnašanja materiala pri različnih postopkih

izdelave [4].

Kljub različnim tehnologijam izdelave je zaporedje priprave materiala vsem enaka:

− postavitev ojačitev v željeno smer,

− impregnacija vlaken s smolo,

− odstranitev odvečne smole, zračnih mehurčkov in hlapljivih snovi,

− strjevanje smole oz. matice,

− odstranitev iz modela,

− končna obdelava (npr. obrezovanje).

Pri nekaterih tehnologijah izdelave so določeni postopki združeni ali pa opravljeni predčasno,

kot je na primer prepreg, ki je že impregniran ojačitveni material pred uporabo. Na ceno

izdelka kompozitnega materiala tako poleg izbire tehnologije vpliva tudi priprava materiala.

V podjetju Veplas, d. d., obvladujejo številne tehnologije, med katerimi sta zaradi obsega

naloge in stroškov izpostavljena samo ročna laminacija in RTM.

3.1 Ročna laminacija (Hand Lay-up)

Gre za najenostavnejši in najbolj uporaben postopek, ki zajema ročno polaganje suhih ojačitev,

ki se jih kasneje impregnira z matrico oz. smolo. Kompozit se nato zvalja z valjčki, da se

odstranijo zračni mehurčki. Postopek se ponavlja, dokler ne dosežemo željene debeline. Na

koncu se material pusti, da se matica, ki povezuje ojačitve, strdi [3].

Ročno laminacijo lahko razdelimo v 4 osnovne korake:

- priprava modela,


9

- prevleka gelcoata, - polaganje ojačitev, - strjevanje.

Slika 3.1: Ročna laminacija

Priprava modela je najzahtevnejši korak pri pripravi materiala. Glede na število izdelkov,

temperature strjevanja, tlaka itd. je lahko izdelan iz lesa, plastike ali kovine. Modeli za velike

serije so izdelani iz kovine, medtem ko so za manjše serije leseni in še manjše kompozitni.

Model je sestavljen iz dveh delov, in sicer ženskega in moškega˝. Na model se najprej namaže

odstranitveni sloj, ki služi za lažjo odstranitev končnega izdelka iz modela. Uporabljajo se

vosek, alkohol, silikonski premazi … Prevleka z gelcotom služi za fino površino izdelka.

Zaključna koraka sta polaganje ojačitev in strjevanje matice. Ojačitveni material je lahko v

obliki mate, tkanin, plaščev … Izmerjena količina smole in katalizatorjev je zmešana in

nanešena na ojačitve. Z valjanjem se odstranijo zračni mehurčki in odvečna smola. Strjevanje

matrice in kasnejše odstranitev končnega produkta iz modela potekata pri sobni temperaturi.

Stroški so odvisni od :

− uporabljenega ojačitvenega materiala in matrice,

− oblike izdelka,

− serije izdelkov zaradi priprave modela velike serije – kvalitetnejši model, večje število modelov, več delavcev, več orodja

− stroškov dela

− zahtevane visoke kakovost – usposobljen delovni kader

− zahtevane srednje kakovosti – cenejši delovni kader


10

Preglednica 3-1: Prednosti in slabosti postopka ročne laminacije

+ -

veliki kosi s kompleksnimi oblikami samo ena površina je gladka

majhni stroški opreme kakovost odvisna od usposobljenosti delavca

majhni stroški orodja intenzivno delo

možnost uporabe ˝sendvič˝ strukture nizka produktivnost

lahko nanašanje ojačitev visoke emisije hlapljivih snovi

lahko zagotavljanje visoke kakovosti težko zagotavljanje enotnosti izdelkov

strjevalne peči niso potrebne čas strjevanja matrice zelo dolg

Preglednica 3-2: Področje uporabe ročne laminacije

ladjedelstvo ladje, bazeni, cisterne

letalstvo šobe raketnih motorjev in ostali deli letal

gradbeništvo filtri za peči, konstrukcijske podpore, cevi

splošno deli za kolesa in avtomobile

3.2 RTM (Resin Transfer Molding)

Pri tem postopku se uporablja kalup (orodje) s kanali za vstop in pretok smole ter kanali, ki

omogočajo izstop zraku. Suhe ojačitve se postavijo v kalup, ki se nato zapre. Tekoča smola se

spusti skozi kanale, ki jih napolni, in namoči ojačitve. Odprtine za vstop in izstop se po

napolnitvi zapečatijo, kalup se nato zapre in po potrebi tudi segreje, da se smola strdi. Ko se

smola strdi, se kalup odpre in iz njega se nato odstrani kompozitni izdelek.

Z RTM-postopkom je mogoče izvesti kompleksne geometrije izdelka v relativno kratkem času.

Od drugih postopkov se razlikuje v tem, da so ojačitve zložene, še preden se doda smola, to

pa omogoča dober nadzor nad orientacijo vlaken. Prav tako je ta postopek čistejši, z manj

hlapljivih snovi in manj nagnjen k nepravilnostim.

Problem se pojavi pri enakomernosti izdelka, saj je težko nadzorovati enakomerno

porazdeljenost snovi skozi kompozit, prav tako pa so robovi bogatejši s smolo kot ostali del

kompozita.

Načrtovanje kalupa je zelo pomembno in zahteva usposobljen kader. Pri načrtovanju imamo

najbolj v mislih zasnovo oblike in lokacijo kanalov za vstop in izstop smole, za katere so v

današnjem času razviti tudi računalniški programi, ki omogoča lažjo in natančnejšo

konstruiranje kalupov.


11

Debelina izdelkov je omejena na 12 mm. Tolerance izdelka je težko nadzorovati, dosežemo

lahko samo ± 0,2 mm. Stopnja proizvodnje je odvisna od tipa in velikosti izdelka.

Pri izdelavi enakega izdelka s postopkom RTM in postopkom oblikovanja z vrečko in

vakuumom je cena za RTM-postopek v razmerju 1 : 3. V primerjavi z ročno laminacijo, skupaj

z upoštevanjem materiala, opreme, orodij, delovne sile, je za 20 % cenejši, v primerjavi z

avtoklavom pa tudi za 70 % cenejši.

Zaradi dobe ekonomičnosti se je uporaba postopka RTM v zadnjem času znatno povečala [3].

Slika 3.2: RTM

3.3 Izdelava RTM-orodja

Za pripravo preizkušancev je izdelano orodje, ki bo služilo tudi za nadaljnje raziskovanje

kompozitnih materialov. Orodje je bilo narisano v programskem paketu Catia V5-R20, v

katerem se je izdelala tudi tehniška dokumentacija, po kateri se je kasneje v modelarni oz.

prototipni delavnici, izdelalo orodje.

V splošnem se za izdelavo RTM-orodij vse začne pri pripravi modela, ki je točna predstavitev

končnega kompozitnega izdelka. Modeli so lahko narejeni ročno ali pri kompleksnejših oblikah

na CNC-rezkalnih strojih. Izdelujejo se iz cenejših materialov, kot so stiropor, iverna plošča,

steklena volna … Priprava modela je zelo pomembna, saj se v primeru prisotnosti določenih

nepopolnosti vse prenese na orodje in posledično na končni izdelek.


12

Pri izdelavi orodja sem upošteval naslednje smernice:

− Ker mora orodje med procesom prenesti določene napetosti, je zahtevana

določena teža, ki je prav tako pomemba pri izdelavi ravnih plošč, saj se med

procesom strjevanja zaradi notranjih napetosti plošče ukrivijo. V ta namen se

orodje izdela iz kovine ali pa se ojača z ojačitvami.

− V orodju mora biti predviden prostor za ojačitve.

− Ostri robovi niso zaželeni.

− Koti površin so odprti v smeri snemanja izdelka.

− Debelina plošče je določena z oddaljenostjo zgornjega in spodnjega dela

orodja.

− Orodje mora imeti luknje in kanale za pritok in pretok smole ter luknje za

vakuum in iztek odvečne smole.

− Za uhajanje smole se morajo vstaviti tesnila v za to namenjene utore v orodju.

− Za pravilno pozicioniranje zgornjega in spodnjega dela orodja je potrebno

vstaviti centrirne elemente.

Dimenzije orodja sem določil glede na število preizkušancev, ki sem jih potreboval za natezne

preizkuse. Število je podano s standardom in znaša pet preizkušancev na preizkus, ki se morajo

zlomiti v območju merilne dolžine. Ker pa se porušitev ponavadi zaradi različnih vzrokov pojavi

izven merilnega območja, preizkušanci niso primerni za analizo, sem pri izdelavi upošteval

rezervo in predvidel 10 preizkušancev za vzdolžne in 10 za prečne preizkušance. Dimenzija

plošče, iz katere je bilo mogoče izrezati 20 preizkušancev, je bila 460 x 335 x 2 mm. Iz

dimenzijsko enake plošče je bil v primeru strižnih preizkušancev mogoč razrez desetih kosov.


13

Slika 3.3: Načrti razreza kompozitnih plošč, levi vzdolžni in prečni, desno strižni preizkušanci

Orodje je izdelano v dveh delih, in sicer iz zgornjega in spodnjega dela, med katerima je zaradi

zahteve po določeni debelini plošče vstavljena 2 mm debela distanca iz aluminija

(slika 3.2, št. 1).

Glede na sliko 3.2 so s številkami označeni še ostali dodatni elementi orodja:

2 – zaradi možnosti ukrivljanja je orodje ojačano s kovinskimi profili,

3 – štirje ročaji, ki služijo za odpiranje in zapiranje orodja,

4 – vložki za pritrdilne elemente (slika 3.3),

5 – tesnilo za preprečevanje uhajanja smole (matrice),

6 – gumijasti priključek, skozi katerega vstopa smola (na vsaki strani en),

7 – gumijasti priključek za vakuum


14

Slika 3.4: CAD-model RTM-orodja

Slika 3.5: RTM-orodje, pripravljeno za ulivanje

1

2

3

4

5

6

7


15

4 ANALITIČNI PRISTOP PRIDOBIVANJA MATERIALNIH LASTNOSTI

Načrtovanje lastnosti kompozitnega materiala zajema vse odločitve, potrebne za izdelavo,

uporabo in vzdrževanje materialov, ter obravnavanje kot kasnejši odpadek. Vse se začne pri

določanju potrebe in izbiri primernih materialov za potrebne inženirske aplikacije. Sledi

analitična analiza materialov, ki poda prve rezultate, s katerimi lahko nadaljujemo razvoj

izdelkov. Končne materiale glede na možnosti in zahteve kupcev preverimo še

eksperimentalno.

Kompozitni materiali so, kot je bilo navedeno v prejšnjih poglavjih, sestavljeni iz dveh ali več

materialov, ki se kemično in fizikalno razlikujejo drug od drugega. Konstruiranje kompozitnih

komponent tako zahteva načrtovanje strukture konstrukcije ter konstrukcije materiala, saj mu

lahko glede na potrebe in območja delovanja predpisujemo različne deleže, različne

orientacije, različne tehnologije … S poznavanjem lastnosti posameznih materialov, vgrajenih

v kompozitni material, lahko na analitični način določimo lastnosti materiala. Dobimo lahko

zanesljive rezultate za določanje elastičnih in strižnih modulov, pri določanju napetosti pa je

potrebno rezultate obravnavati z rezervo.

Obstajata dva načina analiziranja kompozitnih materialov. Mikroskopski pristop, ki obravnava

material kot homogen, ter makroskopski pristop, ki material obravnava kot laminat. Prvi korak

pridobivanja materialnih lastnosti je uporaba zakona mešanja (ROM) na nivoju

mikromehanike, kjer obravnavamo material glede na volumske deleže ojačitvene faze in

matrice ter kasneje na nivoju makromehanike z upoštevanjem teorije laminatov določimo

lastnosti poljubnega laminata [1].

4.1 Mikromehanski pristop določanja materialnih podatkov

Mikromehanski pristop določanja materialnih lastnosti kompozitnega materiala upošteva

interakcijo med vlakni in matrico ter omogoča konstrukterju, da heterogeni material

obravnava kot homogeni ali anizotropni material. Določimo lahko togostne lastnosti z dobro

natančnostjo ter z malo manjšo natančnostjo tudi trdnostne lastnosti. Kompozitni materiali se

načrtujejo vzporedno s konstrukcijo in omogočajo, da se za potrebe obratovanja prilagajajo

vrste vlaken, deleži, orientacije [1] …


16

Slika 4.1: Mikromehanski pristop, a - heterogeni material, b - homogeni material

Lastnosti kompozita se kontrolirajo z volumskim deležem ojačitev in matrice.

𝑉𝑓 =𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑣𝑙𝑎𝑘𝑒𝑛

𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑘𝑜𝑚𝑝𝑜𝑧𝑖𝑡𝑎 (4.1)

𝑉𝑚 =𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑚𝑎𝑡𝑟𝑖𝑐𝑒

𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑘𝑜𝑚𝑝𝑜𝑧𝑖𝑡𝑎 (4.2)

𝑉𝑓 + 𝑉𝑚 = 1 (4.3)

𝑉𝑓 [/] - volumski delež vlaken

𝑉𝑚 [/] - volumski delež matrice

Z upoštevanjem zakona mešanja (ROM) lahko dokaj natančno določimo vzdolžni elastični

modul kompozitnega materiala ob predpostavki, da je vez med vlaknom in ojačitvijo popolna

in da so tako deformacije v kompozitu enake za vlakna in matrico, s čimer določimo, da je

material homogen.

𝐸1 = 𝐸𝑓𝑉𝑓 + 𝐸𝑚𝑉𝑚 (4.4)

𝐸1 [𝑀𝑃𝑎] - vzdolžni elastični modul

𝐸𝑓 [𝑀𝑃𝑎] - elastični modul vlakna

𝐸𝑚 [𝑀𝑃𝑎] - elastični modul matrice


17

V primeru prečnega elastičnega modula bi lahko za določitev vrednosti prav tako uporabili

ROM, a so ti rezultati nezanesljivi, saj je v tem primeru vrednost elastičnega modula pogojena

z razmerjem med matrico in vlaknom, kjer prevladuje matrica. Zato v ta namen uporabimo

empirično enačbo Hapin-Tsai, ki nam poda zanesljivejše rezultate.

𝐸2 = 𝐸𝑚 [1+𝜁𝜂𝑉𝑓

1−𝜂𝑉𝑓] (4.5)

𝜂 =(𝐸𝑓/𝐸𝑚)−1

(𝐸𝑓/𝐸𝑚)/+𝜁 (4.6)

𝐸2 [𝑀𝑃𝑎] - prečni elastični modul

𝜂 [/] - korekcijski faktor

𝜁 - empirični parameter z vrednostjo 2 za cilindrična in kvadratna vlakna

Podobno kot v primeru vzdolžnega elastičnega modula lahko z uporabo ROM določimo tudi

Poissonovo število in strižni modul.

𝑣12 = 𝑣𝑓𝑉𝑓 + 𝑣𝑚𝑉𝑚 (4.7)

𝑣12 - Poissonovo število

𝑣𝑓 - Poissonovo št. za vlakno

𝑣𝑚 - Poissonovo št. za matrico

𝐺12 =𝐺𝑚

𝑉𝑚+𝑉𝑓𝐺𝑚/𝐺𝑓 (4.8)

𝐺12 [𝑀𝑃𝑎] - strižni modul kompozita

𝐺𝑚 [MPa] - strižni modul matrice

𝐺𝑓 [𝑀𝑃𝑎] - strižni modul vlakna

Natezno trdnost določamo ob naslednjih predpostavkah:


18

− vsa ojačitvena vlakna imajo enako natezno trdnost

− ojačitveno vlakno in matrica se do porušitve obnašata linearno

− vlakna imajo višjo togost kot matrica

Slika 4.2: Trdnost v odvisnosti od deformacije pri vlaknu in matrici

Ob teh predpostavkah se kompozitni material poruši, ko napetost doseže vrednost Fft. Ko

vlakno popusti, matrica sama ni zmožna prenašati obremenitve.

Natezna trdnost je tako kontrolirana z natezno trdnostjo vlakna in je določena po naslednji

enačbi:

𝐹1𝑡 = 𝐹𝑓𝑡𝑉𝑓 + 𝜎��(1 − 𝑉𝑓) (4.9)

𝜎�� = 𝐹𝑓𝑡𝐸𝑚

𝐸𝑓 (4.10)

𝐹1𝑡 [𝑀𝑃𝑎] - vzdolžna natezna trdnost kompozita

Fft [MPa] - natezna trdnost vlakna

𝜎�� [MPa] - napetost v matrici ob porušitvi


19

Prečna porušitev kompozitnega materiala nastopi, ko pravokotna razpoka napreduje skozi

material in razsloji laminat. Prečno natezno trdost določimo po enačbi

𝐹2𝑡 = √𝐺𝐼𝑐

1,222𝜋(𝑡𝑡/4)ʌ220 (4.11)

ʌ220 = 2(

1

𝐸2−

𝑣122𝐸2

2

𝐸13 ) (4.12)

𝐹2𝑡 [MPa] - prečna natezna trdnost kompozita

ʌ220 [/] - empirični faktor

𝑡𝑡 [mm] - prehodna debelina

𝐺𝐼𝑐 [J/m2] - lomna žilavost

Ob napredovanju pravokotne razpoke nastopi strižna porušitev.

𝜎𝑆 = √𝐺𝐼𝐼2

𝜋(𝑡𝑡4)ʌ44

0 (4.13)

ʌ440 =

1

𝐺12 (4.14)

𝜎𝑆 [MPa] - strižna trdnost

ʌ440 [/] - empirični faktor

4.2 Makromehanski pristop določanja materialnih lastnosti

Pri tem pristopu je potrebno poznavanje koordinatnega sistema, na katerem so osnovane vse

enačbe za določanje lastnosti. Pri načrtovanju kompozitnih materialov poznamo dva

koordinatna sistema (slika 4.2). Prvi, materialni KS, definiran s številkami 1, 2, 3 (1 – smer

vlaken, 2 – pravokotno na 1 in na ravnino materiala, 3 – pravokotno na ravnino 1-2) in KS

laminata, definiran s črkami x, y, z [1].


20

Slika 4.3: Materialni in laminatni KS

Napetosti in deformacije

Poleg koordinatnih sistemov je pomembno poznavanje napetosti in deformacij, ki se

pojavljajo v kompozitnem materialu zaradi zunanjih obremenitev.

Napetosti bomo obravnavali s pomočjo Cauchyevega tenzorja napetosti, kjer velja, da je

napetost v poljubni točki v telesu, za katerega predpostavimo, da je kontinuum, popolnoma

določena z devetimi komponentami simetričnega tenzorja, z drugim imenom znanega tudi kot

kartezični napetostni tenzor [5].

𝜎 = [

𝜎11 𝜎12 𝜎13

𝜎21 𝜎22 𝜎23

𝜎31 𝜎32 𝜎33

] = [

𝜎𝑥𝑥 𝜎𝑥𝑦 𝜎𝑥𝑧

𝜎𝑦𝑥 𝜎𝑦𝑦 𝜎𝑦𝑧

𝜎𝑧𝑥 𝜎𝑧𝑦 𝜎𝑧𝑧

] (4.15)

Za vsako komponento napetostnega tenzorja prvi indeks označuje smer normale prereza,

drugi indeks pa smer komponente vektorja.

Slika 4.4: Cauchyev napetostni tenzor


21

Ker se v statičnem ravnovesju navori izenačijo, velja, da je matrika simetrična, saj so napetosti

𝜎13 = 𝜎31, 𝜎12 = 𝜎21, 𝜎23 = 𝜎32. V tem primeru lahko napetost določimo s tremi normalnimi

in tremi strižnimi napetostmi, ki jih bomo zaradi lažjega razumevanja enačb v nadaljevanju

označevali, kot je prikazano v preglednici.

Preglednica 4-1: 6 neodvisnih komponent napetostnega tenzorja

Tenzor Dogovor

𝜎11 𝜎1

𝜎22 𝜎2

𝜎33 𝜎3

𝜎23 𝜎4

𝜎31 𝜎5

𝜎21 𝜎6

Deformacije lahko prav tako opišemo z devetimi komponentami, ki sestavljajo tenzor majhnih

deformacij.

𝜀 = [

𝜀𝑥𝑥 𝜀𝑥𝑦 𝜀𝑥𝑧

𝜀𝑦𝑥 𝜀𝑦𝑦 𝜀𝑦𝑧

𝜀𝑧𝑥 𝜀𝑧𝑦 𝜀𝑧𝑧

] = [

𝜀11 𝛾12 𝛾13

𝛾21 𝜀22 𝛾23

𝛾31 𝛾32 𝜀33

] (4.16)

Podobno kot napetosti lahko zaradi simetričnosti tudi deformacije zapišemo s samo šestimi

komponentami, ki smo jih prav tako zaradi lažjega razumevanja enačb označili, kot je

prikazano v preglednici.

Preglednica 4-2: 6 neodvisnih komponent deformacijskega tenzorja

Tenzor Dogovor

𝜀11 𝜀1

𝜀22 𝜀2

𝜀33 𝜀3

𝛾23 𝛾4

𝛾13 𝛾5

𝛾12 𝛾6


22

Razmerje med napetostjo in deformacijo

Kompozitni materiali se pojavljajo v oblikah plošč, ki jih lahko pri analiziranju obravnavamo

kot lupine, ki imajo dve dimenziji (širino in dolžino), ki sta mnogo večji kot tretja (debelina). V

tem primeru je mogoče upoštevati, da je napetost 𝜎3 = 0. V tem primeru je lastnosti materiala

mogoče preprosto pridobiti z upodobitvijo preizkusa, kjer natezno obremenimo material v

smeri vlaken, kjer so napetosti 𝜎2 = 𝜎6 = 𝜎4 = 𝜎5 = 0.

Slika 4.5: a) vzdolžni natezni preizkus, b) prečni natezni preizkus

Deformacijo, ki se pojavi, lahko zapišemo v obliki

𝜀1 =𝜎1

𝐸1 (4.17)

Enako ponovimo z obremenitvijo v prečni smeri, kjer so napetosti 𝜎1 = 𝜎6 = 𝜎4 = 𝜎5 = 0.

Deformacijo zapišemo z upoštevanjem definicije Poissonovega števila 𝑣𝑖𝑗 = −𝜀𝑗/𝜀𝑖, kjer je 𝜀𝑖

deformacija v smeri obremenjevanja materiala in 𝜀𝑗 v pravokotni smeri.

Po kratki izpeljavi dobimo končno deformacijo v vzdolžni (𝜀1) in prečni smeri (𝜀2).

𝜀1 =1

𝐸1𝜎1 −

𝑣21

𝐸2𝜎2 (4.18)

𝜀2 = −𝑣12

𝐸1𝜎1 +

1

𝐸2𝜎2 (4.19)

Strižni pogoji so prevzeti neposredno iz Hookovega zakona:

𝜎6 = 𝐺12γ6 (4.20)

𝜎4 = 𝐺23γ4 (4.21)

𝜎5 = 𝐺13γ5 = 𝐺12γ5 (4.22)


23

Takšen material imenujemo tranverzno izotropni material, ki ga v primeru, če so napetosti

𝜎33 = 𝜎23 = 𝜎31 = 0 in potrebujemo samo 4 materialne podatke (𝐸1, 𝐸2, 𝐺12, 𝑣12) , v

matrični obliki zapišemo na naslednji način:

{

𝜀1

𝜀2

γ6

} = [

1/𝐸1 −𝑣21/𝐸2 0−𝑣12/𝐸1 1/𝐸2 0

0 0 1/𝐺12

] {

𝜎1

𝜎2

𝜎6

} (4.23)

Če pa so napetosti 𝜎33 = 0 in 𝜎23 = 𝜎31 ≠ 0 , potrebujemo še dodatni strižni modul 𝐺23.

{γ4γ5

} = [1/𝐺23 0

0 1/𝐺13] {

𝜎4

𝜎5} (4.24)

To lahko zapišemo v naslednji obliki:

{𝜀} = [𝑆]{𝜎} (4.25)

{γ} = [𝑆∗]{𝜏} (4.26)

𝜀, 𝜎 - ravninske deformacije in napetosti

γ, 𝜏 - interlaminarne deformacije in napetosti

𝑆, 𝑆∗ - skladnostne matrike

Z inverzom enačb 4.25 in 4.26 dobimo

{𝜎} = [𝑄]{𝜀} (4.27)

{𝜏} = [𝑄∗]{𝛾} (4.28)

𝑄 - togostna matrika

𝑄∗ - interlaminarna togostna matrika

Komponente togostne matrike se izračunajo:

𝑄11 = 𝐸1/𝛥 (4.29)

𝑄12 = 𝑄21 = 𝑣12𝐸2/𝛥 (4.30)

𝑄22 = 𝐸2/𝛥 (4.31)

𝑄66 = 𝐺12 (4.32)

𝑄44∗ = 𝐺23 (4.33)


24

𝑄55∗ = 𝐺13 (4.34)

𝛥 = 1 − 𝑣12𝑣21 (4.35)

Transformacija materialnega koordinatnega sistema v laminatni

Zaradi slabih prečnih lastnosti kompozitnega materiala je laminat sestavljen iz več slojev, ki so

orientirani v več smeri za doseganje boljših lastnosti. Pri računanju lastnosti materiala je zato

potrebno poznavanje relacij med materialnim in laminatnim KS [1].

Slika 4.6: Tranformacija koordinatnih sistemov

Na sliki 4.4 je prikazan vektor pomika 𝑂𝑃 s komponentami u, v v laminatnem KS in

komponentami u´, v´ v materialnem KS, ki so med seboj v naslednji odvisnosti:

𝑢´ = 𝑢𝑐𝑜𝑠𝜃 + 𝑣𝑠𝑖𝑛𝜃 (4.36)

𝑣´ = −𝑢𝑠𝑖𝑛𝜃 + 𝑣𝑐𝑜𝑠𝜃 (4.37)

ali

{𝑢′

𝑣′} = [𝑚 𝑛−𝑛 𝑚

] {𝑢𝑣} , (4.38)

kjer je m = cos(θ) in n = sin(θ). Kot θ je merjen v nasprotni smeri urinega kazalca od koordinatne

osi x do osi 1.


25

Podobno lahko zapišemo pomike tudi za materialni KS.

{𝑥′

𝑦′} = [𝑚 𝑛−𝑛 𝑚

] {𝑥𝑦} (4.39)

Relacija med materialnim in laminatnim KS je definirana z naslednjo enačbo

{

𝜀𝑥

𝜀𝑦

1

2𝛾𝑥𝑦

} = [𝑇]−1 {

𝜀1

𝜀21

2𝛾6

} (4.40)

{

𝜎𝑥

𝜎𝑦

𝜎𝑥𝑦

} = [𝑇]−1 {

𝜎1

𝜎2

𝜎6

} (4.41)

[𝑇]−1 - transformirana matrika

[𝑇]−1 = [𝑚2 𝑛2 2𝑚𝑛𝑛2 𝑚2 −2𝑚𝑛

−𝑚𝑛 𝑚𝑛 𝑚2 − 𝑛2

] (4.42)

zapišemo jo lahko tudi kot [T(-θ)].

Enačbe 4.25–4.28 so omejene na deformacije in napetosti v materialnem KS, ki jih je za boljšo

analizo potrebno transformirati v laminatni KS, kot je prikazano na sliki 4.4.

{

𝜎𝑥

𝜎𝑦

𝜎𝑥𝑦

} = [

𝑄11 𝑄12

𝑄16

𝑄12 𝑄22

𝑄26

𝑄16 𝑄26

𝑄66

] {

𝜀𝑥

𝜀𝑦

𝛾𝑥𝑦

} (4.43)

{𝜎𝑦𝑧

𝜎𝑥𝑧} = [

𝑄44 𝑄45

𝑄45 𝑄55

] {

𝛾𝑦𝑧

𝛾𝑥𝑧} (4.44)

𝑄𝑖𝑗 - transformirana togostna matrika

[��] = [𝑇]−1[𝑄][𝑇]−𝑇 = [𝑇(−𝜃)][𝑄][𝑇(−𝜃)]𝑇 (4.45)

S pomočjo komponent transformirane togostne matrike lahko nato izračunamo ravninsko

togostno matriko, ki je funkcija debeline, orientacije in materialnih lastnosti lamine.

𝐴𝑖𝑗 = ∑ (𝑄𝑖𝑗)𝑘

(𝑡𝑘); 𝑖, 𝑗 = 1,2,6𝑁𝑘=1 (4.46)


26

Elastične in strižne module ter Poissonovo število dobimo z naslednjimi enačbami

𝐸𝑥 =𝐴11𝐴22−𝐴12

2

𝑡𝐴22 (4.47)

𝐸𝑦 =𝐴11𝐴22−𝐴12

2

𝑡𝐴11 (4.48)

𝐺𝑥𝑦 =𝐴66

𝑡 (4.49)

𝑣𝑥𝑦 =𝐴12

𝐴22 (4.50)

𝐸𝑥 - vzdolžni elastični modul laminata

𝐸𝑦 - prečni elastični modul laminata

𝐺𝑥𝑦 - strižni modul laminata

𝑣𝑥𝑦 - Poissonovo število laminata

4.3 Določanje materialnih lastnosti v primeru naključno orientiranih vlaken

Z uporabo naključno orientiranih vlaken ustvarjamo cenejše laminate z izotropno naravnanimi

materialnimi lastnostmi. Uporabljajo se za cenejše in manj obremenjene elemente. Primer

takšne ojačitve je steklena mata ali CSM (chopped strand mat), ki je izdelana iz E-steklenih

vlaken nižje kakovosti, v primeru, da so zahtevane malo boljše lastnosti, pa se uporabi tudi

kakovostnejše E- ali S-stekleno vlakno.

Elastične lastnosti se lahko predvidijo s predpostavko, da je naključno orientiran kompozitni

material sestavljen iz velikega števila tankih enosmernih kontinuiranih vlaken, kjer je vsak sloj

drugače orientiran, in sicer od 0 do 180°. Namišljeni sloj kompozita ima togostno matriko, ki

jo na enak način kot pri usmerjenih vlaknih prilagodimo globalnemu koordinatnem sistemu z

uporabo enačbe 4.45 in izračunamo povprečje [1].

[𝑄𝐶𝑆𝑀] =1

𝜋∫ [𝑇]−1𝜋

0[𝑄][𝑇]−𝑇𝑑𝜃 (4.35)

𝑄𝐶𝑆𝑀 – togostna matrika kompozitnega materiala, ojačanega s stekleno mato,

kar vodi do:


27

𝑄11𝐶𝑆𝑀 =

3

8𝑄11 +

1

4𝑄12 +

3

8𝑄22 +

1

2𝑄66


1

8𝑄11 +

3

4𝑄12 +

1

8𝑄22 −

1

2𝑄66


1

8𝑄11 −

1

4𝑄12 +

1

8𝑄22 +

1

2𝑄66

𝑄16𝐶𝑆𝑀 = 𝑄26

𝐶𝑆𝑀 = 0

Elastični in strižni modul ter Poissonovo število izračunamo na podlagi enačb 4.36–4.37, ki so

zasnovane na podlagi materiala z usmerjenimi vlakni in enakim volumskim deležem vlaken.

𝐸

1 − 𝑣2=

3

8𝛥(𝐸1 + 𝐸2) +

𝑣12𝐸2

4𝛥+

𝐺12

2

𝑣𝐸

1 − 𝑣2=

𝐸1 + 𝐸2

8𝛥−

𝐺12

2+

3𝑣12𝐸2

4𝛥

𝐺 =𝐸1 + 𝐸2

8𝛥+

𝐺12

2−

𝑣12𝐸2

4𝛥

Z upoštevanjem, da je 𝛥 = 1 − 𝑣12𝑣21, privedemo izpeljavo do končnih enačb, ki dajejo

zanesljive rezultate.

𝐸 =3

8𝐸1 +

5

8𝐸2

𝐺 =1

8𝐸1 +

1

4𝐸2

𝑣 =𝐸

2𝐺− 1

E – elastični modul kompozitnega materiala s stekleno mato

G – strižni modul kompozitnega materiala s stekleno mato

v – Poissonovo število kompozitnega materiala s stekleno mato

Trdnost steklene mate preverjamo s predpostavko, da je kompozitni material kvaziizotropen,

kar pomeni, da so lastnosti v vseh smereh enake. Izračunamo jo lahko na podlagi empiričnih

enačb:


28

𝛹 = √𝐹1𝑡𝐹2𝑡

𝐹62

𝐹𝑐𝑠𝑚−𝑡 =4

𝜋𝐹6(1 + 𝑙𝑛𝛹)

𝐹𝑐𝑠𝑚−𝑡 =4

𝜋𝐹6𝛹

𝛹 – kriterij napetosti

𝐹𝑐𝑠𝑚−𝑡 – natezna trdnost

4.4 Izračuni materialnih lastnosti

Analitični pristop določanja materialnih podatkov je pri konstruiranju novih izdelkov zelo

pomemben. Omogoča hitro oceno, kateri material bi lahko zadostoval določenim trdnostnim

in togostnim zahtevam. Poljubno lahko spreminjamo ojačitvene materiale in matrico ter

njihove deleže, brez da bi zato morali izvesti celoten postopek testiranja, kot je to potrebno

pri eksperimentalnem določanju.

Na podlagi enačb, predstavljenih v poglavjih 4.1, 4.2 in 4.3, so za naše kompozitne materiale

izračunani materialni podatki na obeh nivojih, ki so kasneje v poglavju 7 primerjani z rezultati

eksperimentalnega preizkusa.

Preglednica 4-3: Tehnični podatki ojačitvenega materiala

OJAČITVENA FAZE

Tip ojačitve usmerjenost vrsta vlaken E1 [GPa] σ1 [GPa] v ρ[g/cm3]

steklena mata naključno E 72,35 (60) 3,45 0,22 2,5-2,9

UNI tkanina 0 E 72,35 3,45 0,22 2,5-2,9

Preglednica 4-4: Tehnični podatki matrice

MATRICA

Tip matrice Vrsta matrice E1 [GPa] σ1 [GPa] v ρ[g/cm3]

Polister Orthophthalic 3,4 55,2 0,38 1,2


29

Preglednica 4-5: Podatki o laminatih

LAMINAT 1

Tip ojačitve Ploskovna masa [g/m2] št. slojev Masa ojačitvene faze [kg] Skupna masa [kg]

Steklena mata 450 2 0,19 0,44

250 1

LAMINAT 2

UNI tkanina 530 2

0,4 0,62

Usmerjenost [°] 0

LAMINAT 3

UNI tkanina 530 0,4 0,62

Usmerjenost -45 1

45 1

Preglednica 4-6: Lastnosti steklene mate, ojačane s polimerno smolo

OJAČITEV STEKLENA MATA (2 x 450 g/m2 + 1 x 250 g/m2)

MATRICA POLIMERNA SMOLA

Masa ojačitve Masa kompozita Gostota kompozita Volumski deleži

mf [kg] mc [kg] ρ [kg/m3] Vf [%] Vm[%]

0,19 0,44 1554 28 72

MIKROMEHANSKI PRISTOP

ELASTIČNI MODUL [Mpa] 11348

STRIŽNI MODUL [MPa] 1232

POISSONOVO ŠTEVILO 0,38

NATEZNA TRDNOST [MPa] 125

MAKROMEHANSKI PRISTOP

ELASTIČNI MODUL [MPa] 7845




30

Preglednica 4-7: Lastnosti steklene tkanine, ojačane s polimerno smolo

OJAČITEV TKANINA E – STEKLO 2 X 350 g/m2

MATRICA POLIMERNA SMOLA

Masa ojačitve Masa kompozita Gostota kompozita Volumski deleži

mf [kg] mc [kg] ρ [kg/m3] Vf [%] Vm[%]

0,4 0,55 1947 55 45

MIKROMEHANSKI PRISTOP

VZDOLŽNI ELASTIČNI MODUL [MPa] 41839

PREČNI ELASTIČNI MODUL [MPa] 13031



MAKROMEHANSKI PRISTOP

VZDOLŽNI ELASTIČNI MODUL [MPa] 33472

PREČNI ELASTIČNI MODUL [MPa] 10425




31

5 EKSPERIMENTALNO PREIZKUŠANJE

Kot je bilo že opisano, se lahko materialne lastnosti kompozitnih materialov načrtujejo, da bi

dosegali optimalne lastnosti za togostne in trdnostne potrebe. Pridobivanje in točnost

podatkov o materialnih lastnostih je zaradi različnih načinov merjenja, izdelave preizkušancev

in strukture zelo težko in predstavlja velik problem pri konstruiranju. Zaželeno je imeti podatke

o kompozitu in ne o vlaknih in matrici posebej, to pa predstavlja izvedbo mnogih preizkusov,

ki jih je potrebno ob vsaki morebitni spremembi razmerja med ojačitvami in matrico,

orientacijo slojev znova ponoviti. [3].

Materialne lastnosti kompozitnih materialov so bistvenega pomena pri konstruiranju novih

izdelkov, ki morajo obratovati določeno življenjsko dobo. Ti podatki, ki so po navadi podani s

strani proizvajalca, so v večini primerov zaradi različnih nivojev obravnavanja materialov

pomanjkljivi za uporabo v različnih aplikacijah. Za konstrukterja je tako bistvenega pomena,

da razume, kako so lastnosti kompozitnega materiala določene, da lahko v primeru potrebe

po določenih podatkih izvede pravilne preizkuse ob upoštevanju vseh omejitev, ki se pri

preizkusih pojavljajo:

- katere preizkuse je potrebno izvesti, da dobimo željene in natančne podatke,

- kako natančno je potrebno izvesti preizkuse,

- ali so podatki, pridobljeni na podlagi malih preizkušancev, primerni za uporabo pri

velikih konstrukcijah,

- kakšen vpliv ima okolica pri izvajanju preizkusov …

Preizkusi, ki se generalno uporabljajo za določanje izotropnih materialov, kot je npr. aluminij,

se ne morejo uporabiti pri kompozitih materialih, ki so anizotropne ali ortotropne narave.

Mnoge organizacije po svetu so objavile standardne testne metode za preizkušanje

kompozitnih materialov, med katerimi so American Society for Testing materials (ASTM) in

International Organization for Standardisation (ISO). V zadnjih letih pa so bile razvite

standardne testne metode, namenjene prav za preizkušanje polimernih materialov, ojačanih

z vlakni za namene inženirskih aplikacij s strani organizacij ACI (American Concrete Institute),

European Committee for standardization, Japan Society for Civil Engineering, Canadian

standards association. Metode omogočajo preizkušanje vlaken, matric, slojev in laminatov.


32

Katero metodo uporabiti, pa je odvisno od tega, kakšne materialne podatke potrebujemo. Za

inženirske aplikacije, kjer je potrebno poznati obnašanje polimera, ojačenega z vlaknom, in

uporabo teh podatkov za nadaljnje numerične raziskave, se večinoma izvajajo preizkusi za

posamezni sloj in laminat.

Za uporabo kompozitnih materialov v inženirskih aplikacijah je opravljenih zelo malo

preizkusov vlaken in matric, podane so s strani proizvajalcev, ki pa niso vedno oprijemljivi.

Mnoge standardne metode za pridobivanje mehanskih, fizikalnih in kemičnih lastnosti

polimernih smol v tekoči in trdni obliki so dostopne v ASTM-standardih in standardih drugih

organizacij.

Številnejše raziskave se opravljajo s preizkušanjem posameznih slojev kompozitnega materiala

v obliki preizkušancev. Preizkus, izveden na preizkušancu, ki vsebuje samo usmerjena vlakna,

je preizkušanje na nivoju sloja (angl. lamina). Če pa je kompozit sestavljen iz tkanin in različno

usmerjenih vlaken, pa je potrebno izvesti preizkus celotne debeline materiala. V primeru, da

je končna konstrukcija izdelana samo z vlakni, usmerjenimi v določeno smer, je dovoljeno

izvesti preizkus na nivoju sloja in končne materialne lastnosti kompozitnega materiala

izračunati na podlagi lastnosti in debeline posameznega sloja. Tudi v primeru laminata,

izdelanega iz slojev, zamaknjenimi pod določenim kotom, se uporabi enak postopek, pri

katerem je potrebno izvesti preizkus vsakega zamaknjenega sloja. Večinoma se uporabljajo

preizkusi v 3 smereh: 0°, 90° in 45°.

Za preizkušanje na nivoju sloja ali laminata so uporabni standardni testi s strani ASTM-

organizacije navedeni v preglednici 5.1.

Preglednica 5-1: Standardi za preizkušanje kompozitih materialov

Lastnosti ASTM

MEHANSKE LASTNOSTI

Vzdolžni natezni preizkus D 3039, D 5083, D 638, D 3916, D 5450

Vzdolžni tlačni preizkus D 3410, D 695, D 6641, D 3410, D 5449

Strižni preizkus D 5379, D 3518, D 4255, D 5448, D 7078, D 5379

Upogibni preizkus D 790, D 6272

Udarna žilavost D 256

FIZIKALNE LASTNOSTI

Volumski delež D 3171, D 2584

Gostota D 792


33

Temperatura steklastega prehoda E 1356, E 1640, D 648, D 2092

Absorpcija vode D 570

Vzdolžni in prečni temp. koeficient E 831, D 696

Temperatura steklastega prehoda (Tg) E 1356

Zaradi prevelikega obsega preizkušanja je za potrebe magistrske naloge izbran samo natezni

preizkus, s katerimi so izmerjeni in med seboj primerjani materialni podatki dveh materialov.

Za natezne lastnosti smo uporabili standard ASTM D 3039 in za strižne lastnosti ASTM D 3518.

Razlika med standardoma je samo v dimenziji preizkušancev in orientaciji vlaken. Ker bo

magistrska naloga služila tudi kot priročnik za nadaljnje raziskovanje kompozitnih materialov

za podjetje Veplas, je v naslednjem podpoglavju predstavljen standard za izvajanje nateznega

preizkusa. Potrebno je omeniti, da so zaradi prevelikega obsega predstavljene samo

pomembne smernice za izvajanje preizkusa, vse ostalo je dostopno v standardu.

5.1 NATEZNI PREIZKUS ASTM D 3039

Je standardizirana testna metoda za preizkušanje polimernih kompozitnih materialov.

Pravokotni preizkušanci so vstavljeni v prijemala in enakomerno obremenjeni. Maksimalna

sila pred porušitvijo materiala omogoča izračun maksimalne natezne trdnosti. Uporaba

merilnih lističev (strain gauges) ali ekstenziometra pa omogoča merjenje (spremljanje)

raztezka preizkušanca na merilni razdalji [6].

Standard podaja dimenzije preizkušanca, ki so navedene v nadaljevanju, in poudarja uporabo

zavihkov za preprečitev prehitre porušitve in porušitve zaradi vpetja.

Rezultati preizkusa so namenjeni pridobivanju nateznih lastnosti materiala. Te podatke pa

lahko uporabimo za raziskavo in razvoj materiala, zagotavljanje kakovosti in analize. Faktorji,

ki vplivajo na rezultate in jih je potrebno beležiti, so:

- materiali (matrica, ojačitev),

- način priprave materiala,

- zaporedje zlaganja,

- okolje testiranja (npr. temperatura),

- poravnava,

- vpetje,

- hitrost testiranja,

- čas,

- volumski deleže ojačitve in matice.


34

Lastnosti, ki jih lahko pridobimo s preizkusom, so:

- maksimalna natezna trdnost,

- maksimalna deformacija,

- modul elastičnosti,

- Poissonovo število.

5.2 Interference

Priprava materiala in preizkušanca

Slaba priprava materiala, slaba kontrola nad poravnavo vzorca, slaba priprava vzorca in še

drugi vplivi so razlogi za raztros rezultatov.

Poravnava

Prekomerna izvenosna obremenitev pomeni upogibanje. To pa povzroči prehitro porušitev

materiala in nepravilne rezultate, zato je potrebno to preprečiti. Upogibanje se lahko pojavi

kot rezultat neusklajenosti vpenjal ali zaradi drugih vplivov, kot je na primer slaba priprava

vzorca.

Robni vplivi v laminatih z zamaknjenimi sloji pod določenim kotom

Prehitra porušitev in nižje togosti se pojavijo zaradi mehčanja robov v laminatih, ki vsebujejo

različno usmerjenje sloje. To pa lahko povzroči nepravilne rezultate. Pri kvaziizotropnih

laminatih to nima velikega vpliva.

5.3 Oprema

Merilno orodje

Za merjenje debeline preizkušancev, kjer je vsaj ena površina nepravilna, je potrebno uporabiti

mikrometer z nominalnim premerom krogličnega vmesnika od 4 do 7 mm. Pri preizkušancih,

kjer sta obe površini gladki, se lahko uporabi mikrometer, kot je naveden zgoraj, ali pa

mikrometer z nominalnim premerom ploščatega vretena od 4 do 7 mm.

Mikrometer s ploščatim vretenom se bi naj uporabljal tudi za merjenje širine preizkušanca.

Natančnost inštrumenta mora biti primerna za odčitavanje do 1 % natančno. Za tipične

geometrije preizkušancev so tako primerni inštrumenti z natančnostjo ±0,0025 mm za


35

merjene debeline, za merjenje širine tipičnih preizkušancev pa inštrumenti z natančnostjo

±0,025 mm.

Preizkuševalna naprava

Naprava mora delovati v skladu s standardom E4, po katerem je potrebno zagotoviti naslednje

zahteve:

- Vpenjalne glave: naprava mora imeti stacionarno in premično glavo.

- Pogonski mehanizem: zmožen prenesti kontrolirano hitrost na premično glavo glede na stacionarno. Hitrost premične glave mora imeti možnost regulacije.

- Indikator sile: Senzor zaznavanja sile v napravi mora biti zmožen zaznavati skupno silo, ki jo preizkušanec prenaša. Ta naprava mora biti brez inertnega zastoja pri določeni

stopnji preizkušanja in mora zaznavati silo z natančnostjo ±1 %.

- Prijemala: preizkušanec je vpet v obe glavi naprave za preizkušanje tako, da smer obremenjevanja sovpada z vzdolžno osjo preizkušanca. Prijemala morajo imeti zadosten bočni tlak, da preprečijo drsenje med vpenjalom in preizkušancem. Če se uporabljajo vpenjalne ploščice, morajo biti vpenjala dovolj dolga. Zaželeno je, da se uporabljajo vpenjala, ki se sama poravnavajo z namenom zmanjšanja upogibne napetosti v preizkušancu. Uporabijo se lahko gladka ali groba prijemala.

- Poravnava: slaba poravnava je lahko ključni faktor za prehitro porušitev materiala, raztros podatkov ali oboje. Standard E1012 opisuje smernice za ocenjevanje upogiba in možne vire za neusklajenost med nateznim preizkusom. Upogibanje (krivljenje) preizkušanca je obravnavano posebej v nadaljevanju.

Merilni lističi

Ker je potrebno pridobiti razmerje med napetostjo in pomikom, se na preizkušanca aplicirajo

merilni lističi. Nameščanje merilnih lističev ne sme poškodovati površine preizkušanca. Če

merimo Poissonovo število, je potrebno meriti pomike v vzdolžni in prečni smeri.

- Izbira merilnih lističev: Merilni lističi se izbirajo glede na tip materiala. Za večino materialov so primerni lističi z dolžino 6 mm ali pa vsaj 3 mm. Pri merjenju pletenih materialov pa mora biti dolžina lističa daljša od ponavljajočega se vzorca pletenja.

- Priprava površine: površino, kamor se aplicirajo merilni lističi, je potrebno skrbno pripraviti, da se lahko listič zalepi in da se pri obratovanju kompozit ne poškoduje.

- V standardu ASTM D 3039 so navedene še dodatne smernice pri izbiri in apliciranju merilnih lističev.


36

- Merimo z najmanj tremi merilnimi lističi, z dvema na sprednji strani in enim na zadnji,

kot je prikazano na spodnji sliki. Razlike pri merjenju povejo, koliko se je preizkušanec upognil (ukrivil) v smeri debeline in širine. Merilne lističe je potrebno nastaviti na sredino preizkušanca.

Slika 5.1: Namestitev merilnih lističev na preizkušanec [6]

5.4 Vzorčenje in preizkušanci

Preizkuse je potrebno izvesti na vsaj petih preizkušancih, katerih oblike, dimenzije in tolerance

so podane v preglednicah 5.2 in 5.3. Izbira ustrezne širine in debeline preizkušanca poskrbi za

porušitev materiala v območju merilnih lističev ali merilca raztezka. Uporaba vpenjalnih

ploščic ni nujno potrebna, a je priporočljiva zaradi lažjega in učinkovitejšega prenašanja

napetosti na preizkušanec in preprečitve prehitre porušitve. Izdelane so lahko iz kompozita ali

kovine.

Preglednica 5-2: Podatki preizkušancev

PARAMETRI ZAHTEVE

Preizkušanec

oblika pravokotna s konstantnim prerezom

minimalna dolžina vpenjalni del + 2x širina + del za merilne lističe

širina po standardu

toleranca širine ±1 % širine

debelina po potrebi

toleranca debeline ±4 % debeline

Vpenjalne ploščice

material po potrebi

orientacija vlaken (če so kompozitne) po potrebi

debelina po potrebi

odstopanje med ploščicama ±1 % debeline

kot prehoda 5–90°


37

Preglednica 5-3: Dimenzije preizkušancev

Orientacija vlaken Širina [mm]

Dolžina [mm]

Debelina [mm]

Dolžin VP [mm]

Debelina VP [mm]

Kot prehoda VP

0° enoosna 15 250 1 56 1.5 7 – 90°

90° enoosna 25 175 2 25 1.5 90°

uravnotežena in simetrična

25 250 2.5

poljubno usmerjena 25 250 2.5

Slika 5.2: Preizkušanci


38

5.5 Postopek izvajanja preizkusa

Parametri, ki jih je potrebno določiti in podati pred preizkusom:

- metoda vzorčenja

- tip in geometrija preizkušanca

- podatki o prostoru, kjer se bo preizkus izvajal

- materialni podatki

- hitrost testiranja (2mm/min – standard)

Vstavljanje preizkušanca

Preizkušanec se vstavi v vpenjala, kjer je potrebno paziti na poravnavo. Silo, s katero pritrdimo

preizkušanec, je potrebno beležiti. Ko uporabljamo vpenjalne ploščice, je potrebno

preizkušanec vpeti tako, da vpenjalne čeljusti segajo od 10 do 15 mm preko zoženega dela. V

nasprotnem primeru prihaja do prehitre porušitve zaradi povečanja interlaminarne napetosti.

Zajemanje podatkov

Vse do točke zloma se merita in beležita sila ter pomik. Podatke je potrebno beležiti s hitrostjo

od 2 do 3 podatka na sekundo.

Porušitveni modeli

Podati je potrebno lokacijo in tip porušitve. Standard opisuje 9 tipičnih porušitvenih modelov,

prikazanih na sliki 5.3. Modeli so podani glede na tip, področje in lokacijo porušitve. Vsaka

lastnost porušitve ima pripadajočo črko.


39

Slika 5.3: Porušitveni modeli preizkušancev [6]

Prva črka Tip porušitve črka pod kotom A delaminacija po

robu

D na mestu vpetja G ravno L na več mestih M dolg, razcepljen

lom

S eksplozivna X ostalo O

Tretja črka Lokacija porušitve črka spodaj B zgoraj T levo L desno R sredina M različno V neznano U

Preglednica 5-4: Oznake porušitvenih modelov

Druga črka Območje porušitve črka znotraj prijemala I ob prijemalu A <1 w od prijemala W v merilnem

območju

G na več mestih M različno V neznano U


40

6 PRIPRAVA PREIZKUŠANCEV

Po preučitvi standardov ASTM D 3039 in D 3518 sta sledili priprava orodja za RTM-pripravo

vzorcev in izbira materiala. Odločili smo se, da se bomo zaradi prevelikih stroškov izvajanja

vseh mehanskih preizkusov in števila preizkušancev omejili na natezni preizkus dveh vrst

ojačitvenega materiala in dveh različnih tehnologij, ki se v podjetju največ uporabljajo.

Preverjali smo vpliv tehnologije ter usmerjenosti vlaken na mehanske lastnosti materiala.

6.1 Materiali

Za preizkušanje so za ojačitveni material izbrana E-steklena vlakna, in sicer v obliki mate in

enoosno usmerjene tkanine. Za matrico je uporabljena polimerna smola.

Vsi potrebni podatki ojačitvenega material in smole so podani v prilogah 4.1 , 4.2, 4.3.

6.2 Tehnologije

Za preverjanje vpliva tehnologije na materialne lastnosti smo se odločili za pripravo vzorcev z

ročno laminacijo in RTM. Razlike med tehnologijama so podane v prilogi 6.1. Priprava je

potekala tako, da smo najprej izdelali kompozitno ploščo, iz katere smo kasneje izrezali

standardne preizkušance, in na njih z dvokomponentnim lepilom prilepili vpenjalne ploščice.

Preglednica 6-1: Okvirne razlike med RTM-tehnologijo in ročno laminacijo

RTM Ročna laminacija

nastajanje materiala poteka v orodju nastajanje materiala poteka na ravni plošči

ojačitveni sloji se vstavijo hkrati ojačitveni materiali se vstavljajo sloj po sloj

matrica se dozira v kalup s pomočjo črpalke matrica se ročno nanaša na vsak sloj posebej

strjevanje poteka v orodju strjevanje poteka na odprtem pri sobni temp.


41

RTM

Za izdelavo kompozitne plošče je bilo potrebno izdelati orodje, ki je opisano v podpoglavju 3.3.

Okvirne mere orodja so bile določene na podlagi števila preizkušancev, ki smo jih potrebovali

za preizkuse.

Postopek:

1. razrez in tehtanje ojačitvenega materiala,

2. odstranitev vseh prisotnih nečistoč v orodju,

3. postavitev ojačitvenega materiala v spodnji del orodja,

4. postavitev distančne plošče,

5. zaprtje orodja z zgornjim delom,

6. zatesnitev orodja s spenjalnimi elementi,

7. vstavitev gumijastih vložkov na luknje za smolo in vakuum,

8. pritrditev dveh pretočnih cevi za smolo na orodje in črpalko,

9. pritrditev vakuumske cevi na orodje in posodo za odvečno smolo,

10. injiciranje smole,

11. strjevanje materiala.

Slika 6.1: Razrez ojačitvenega materiala na laserskem rezalniku


42

Slika 6.2: Postavitev ojačitvenega materiala v orodje

Slika 6.3: Orodje, pripravljeno za ulivanje

Smola, ki je skozi luknje vstopala v orodje, je zaradi vakuuma zapolnila celotno orodje in

prepojila ojačitveni material. Tlak injiciranja je bil zaradi majhne debeline nastavljen na 6

barov, kar je tudi najnižja nastavljiva vrednost. Ko je smola prepojila material, je začela

izstopati skozi luknjo za vakuum, kar je pomenilo tudi, da je postopek končan. S smolo

prepojeni material je ostal v orodju še en dan, da se je vse skupaj ustrezno strdilo.


43

Ročna laminacija

Priprava plošče s postopkom ročne laminacije je potekala na čisti ravni plošči, kjer smo polagali

sloj na sloj s sprotnim nanašanjem smole. Uporabljen je bil enak tip in delež ojačitvenih vlaken

ter smole kot pri postopku RTM. Strjevanje materiala je tudi pri tem postopku potekalo en

dan.

Postopek:

1. razrez in tehtanje ojačitvenega materiala,

2. priprava površine,

3. priprava potrebščin (čopič, valček, rokavice, zaščitna očala, zaščitna maska …),

4. priprava smole,

5. postavljanje ojačitvenega materiala sloj na sloj s sprotnim nanašanjem smole,

6. strjevanje materiala.

Slika 6.4: Priprava kompozitne plošče (ročna laminacija)

6.3 Preizkušanci

Po strditvi materiala je sledila kontrola kompozitnih plošč, saj so se zaradi majhne debeline

plošče pri RTM-postopku med iniciacijo in strjevanjem smole pojavljale napake, ki so se kazale

v nepopolni prepojenosti vlaken, zamaknjenosti ojačitvenega materiala, nagubanosti

ojačitvenega materiala … V tem primeru je bilo potrebno ulivanje ponoviti.


44

Slika 6.5: Nepopolno prepojena na levi in ustrezno prepojena kompozitna plošča na desni

Slika 6.6: Kompozitne testne plošče

Po preverjanju ustreznosti kakovosti kompozitnih plošč je sledil razrez na CNC-obdelovalnem

stroju, kjer smo iz kompozitnih plošč razrezali dimenzijsko različne preizkušance, na katere

smo zaradi boljših pogojev nateznega testiranja z dvokomponentnim lepilom prilepili

aluminijaste vpenjalne ploščice, ki smo jih pred tem zaradi boljšega oprijema rahlo pobrusili

in očistili z acetonom. Med strjevanjem lepila, ki je potekalo približno eno uro, smo vpenjalne

ploščice obtežili z utežmi.


45

Slika 6.7: Razrez kompozitne plošče in obtežitev lepljenih vpenjalnih ploščic


46

7 IZVAJANJE NATEZNIH PREIZKUSOV

Preizkuse smo izvajali v Laboratoriju za strojne elemente in konstrukcije na Fakulteti za

strojništvo univerze v Mariboru. Preizkušenih je bilo 30 različnih preizkušancev. Preizkusi so

bili izvedeni na večnamenskem servohidravličnem preizkuševalnem stroju Instron 1255. Za

merjenje pomika smo uporabili merilnik raztezka. Za zajemanje deformacij v vzdolžni in prečni

smeri pa je bil uporabljen še stereoskopski merilni sistem ARAMIS proizvajalca GOM. Vsi

preizkusi so bili izvedeni pri sobni temperaturi in s hitrostjo obremenjevanja 2 mm/min in

zajemanja podatkov 3 fotografije/s. Preizkušanci so bili vstavljeni v vpenjalne čeljusti tako, da

je bila razdalja med koncem čeljusti in vpenjalne ploščice 15 mm, da bi zmanjšali možnosti

loma na mestu vpetja. Frekvenca zajemanja slik sistema ARAMIS je bila nastavljena na dve sliki

na sekundo (2 Hz). Računalnik s programskim paketom ARAMIS in preizkuševalni stroj sta bila

povezana, tako da smo lahko ob vsaki zajeti sliki kamere spremljali tudi silo v preizkuševalnem

stroju.

Slika 7.1: Preizkušanec, vpet v preizkuševalnem stroju


47

Za uporabo optične metode zajemanja podatkov (ARAMIS), je bilo potrebno pred preizkusom

preizkušanec pobarvati s sivo barvo, kar je omogočilo izračun deformacijskega polja merilnega

območja. Glede na smer obremenitve, smo nato na merilnem območju, ki je bilo razdeljeno z

mrežo, za pridobitev vzdolžnih in prečnih deformacij določili črte, po katerih je bila prikazan

deformacija na tem območju. Skupaj s silo smo nato te podatke izvozili v programski paket MS

Excel.

Slika 7.2: Prikaz deformacijskega polja in graf pomikov v programskem paketu ARAMIS


48

7.1 Preverjanje vpliva tehnologije

Vpliv tehnologije na materialne lastnosti smo preverjali na prvi seriji preizkušancev, ki so bili

izdelani iz steklene mate in polimerne smole. Ker se material zaradi naključne orientiranosti

prekinjenih vlaken obnaša izotropno, smo preverili samo vzdolžne preizkušance, katerih

podatki so navedeni v preglednici 7.1.

Za vsako tehnologijo je bilo izvedenih pet preizkusov, pri katerih smo izolirali tri najboljše

rezultate. Preverjali smo, kakšna razlika se zaradi tehnologije pojavi pri:

− maksimalni doseženi sili,

− napetosti,

− pomiku,

− deformaciji,

− elastičnem modulu,

− Poissonovem številu.

Preglednica 7-1: Tehnični podatki steklene mate

Ojačitveni material Volumski delež [%] Ploskovna masa [g/m2] Št. slojev

Steklena mata 28 450 2

250 1

Preglednica 7-2: Tehnični podatki polimerne smole

Matrica Volumski delež [%]

Polimerna smola 72

Preglednica 7-3: Tehnični podatki preizkušancev pri preverjanju vpliva tehnologije

Preizkušanec Dolžina [mm]

Širina [mm]

Debelina [mm]

A [mm2] Gostota [kg/m3]

Tehnologija

1-1 250 15,08 1,985 29,93 1554 RTM

1-2 250 15,06 1,995 30,04 1554 RTM

1-3 250 14,89 1,950 29,04 1554 RTM

1-4 250 14,85 2,030 30,15 1554 RTM

1-5 250 14,83 1,980 29,36 1554 RTM

1-6 250 15,05 2,050 30,85 1554 RTM

1-7 250 14,97 2,020 30,24 1554 RTM

2-1 250 15,03 1,87 28,11 1554 RL

2-2 250 15,08 1,91 28,80 1554 RL

2-3 250 14,97 1,92 28,74 1554 RL

2-4 250 14,83 1,9 28,18 1554 RL


49

2-5 250 15,03 1,89 28,41 1554 RL

2-6 250 15,02 1,95 29,29 1554 RL

2-7 250 15,02 1,93 28,99 1554 RL

Rezultati

Po preizkusu sem izbral tri najboljše preizkušance glede na doseženo najvišjo napetost ter

področje zloma, ki je moralo biti znotraj merilnega območja. Trije najboljši preizkušanci za

vsako tehnologijo so podani v preglednici 7.4.

Preglednica 7-4: Rezultati nateznega prezkusa pri preverjanju vpliva tehnologije

Zap. št.

Tip loma

Max. Sila [kN]

Max. pomik [mm]

Napetost [Mpa]

Deformacija [%]

Poissonovo št.

1-3 LGM 3,04 0,91 101,49 1,83 0,29

1-4 LGM 3,32 0,86 110,82 1,73 0,29

1-6 LGM 3,033 0,92 101,32 1,84 0,29

2-2 LGM 4,12 1,06 137,50 2,11 0,33

2-4 LGM 3,595 0,9872 120,11 1,97 0,33

2-6 LGM 3,928 0,9629 131,21 1,93 0,33

Glede na povprečje vseh preizkušancev so primerjave na vseh merilnih področjih prikazane v

preglednici 7.5.

Preglednica 7-5: Razlike v materialnih podatkih med tehnologijama

Tehnologija Max.sila [kN]

Pomik [mm]

Natezna trdnost [MPa]

Deformacija [%]

Elastični modul [MPa]

Poissonovo št.

RTM 3,32 0,92 110,82 1,84 7540 0,29

RL 4,12 1,05 137,50 2,11 7586 0,33

Razliko v obnašanju materialov sem prikazal z grafom napetosti v odvisnosti od deformacije,

ki je prikazan na sliki 7.1. Kot je razvidno iz grafa, je napetost v materialu za oba tipa

preizkušancev naraščala dokaj premosorazmerno z deformacijo do točke porušitve, ki je v

primeru preizkušancev, izdelanih z RL, za skoraj 20 % višja od RTM-ovih. V primeru

preizkušancev, izdelanih z RTM-tehnologijo, je prav tako opaziti tudi mejo proporcionalnosti,

kjer je z nadaljnjim obremenjevanjem razmerje med σ-ε postalo nelinearno. Po doseženi

najvišji možni vrednosti, ki jo imenujemo natezna trdnost, se je material porušil.


50

Slika 7.3: Napetost v odvisnosti od deformacije

Razlike med materialoma ni opaziti samo iz grafa in preglednic, ampak je potrebno nameniti

pozornost tudi zlomljenim preizkušancem ter zvoku pokanja vlaken med obremenjevanjem. V

primeru RTM-preizkušancev, ki so, kot je vidno iz tabele, slabši preizkušanci, so po zlomljenih

primerih poleg glavnega zloma na sredini prisotne tudi male razpoke na številnih mestih po

celotni dolžini preizkušanca. Med obremenjevanjem je bilo skozi celoten preizkus tudi slišati

pokanje vlaken, ki se je stopnjevalo do končne porušitve. Zaradi razpok in stopnjevalnega

pokanja vlaken je verjetno prisoten prehod v nelinearno območje in hitrejša porušitev.

0

20

40

60

80

100

120

140

0,00 0,20 0,39 0,57 0,76 0,94 1,12 1,29 1,47 1,64 1,82

σ[M

Pa]

ε [%]

σ−ε

RTM

ROČNA LAMINACIJA


51

Slika 7.4: Prikaz zlomljenih preizušancev

Izkazalo se je, da ima tehnologija izdelave le majhen vpliva na lastnosti materiala. V primeru

drugih tehnologij, kot je avtoclav, kjer je material izpostavljen toplotnim vplivom, bi lahko bila

ta razlika višja. Preizkus je pokazal, da v primeru ročne laminacije dosežemo višjo natezno

trdnost. Razlog za to gre pripisati nanašanju smole sloj na sloj s konstantnim valjčkanjem, ki

zagotovi boljšo prepojenost ojačitvenih vlaken. Z boljšo prepojenostjo pa se zmanjša tudi

prisotnost zračnih mehurčkov v laminatu in možnost nastajanja in širjenja razpok.

V primeru steklene mate, ki jo uporabljamo za manj nosilne elemente, razlika slabih 20 % v

natezni trdnosti ne igra velike vloge, a v primeru zahtevnejših in večjih konstrukcij, kjer

uporabimo različne tkanine in pletenja, utegne biti velikega pomena. Na predelih, kjer imamo

koncentrirane napetosti, je potrebno zagotoviti dobro prepojenost vlaken in s tem manjši

delež zračnih mehurčkov, da preprečimo nastajanje razpok, ki nato vodijo v različne napake

laminata.


52

Seveda pa je glavni pogoj za izbiro tehnologije ekonomičnost, ki pa je odvisna od dimenzij

izdelkov, serije in vrste materiala.

7.2 Preverjanje strukture ojačitvenega materiala

Kako se material obnaša pri uporabi usmerjenih kontinuiranih vlaken in kako se ta razlikuje od

steklene mate, smo preverili v drugi seriji preizkusov, kjer smo izvedli natezni preizkus na treh

vrstah dimenzijsko različnih preizkušancih, izdelanih iz steklene tkanine in polimerne smole.

Preglednica 7-6: Klasifikacija preizkušancev

Ojačitveni material Zap. št.

Volumski delež [%]

Ploskovna masa [g/m2]

Št. slojev

Usmerjenost [°]

Steklena tkanina 3 55 530 2 0

Steklena tkanina 4 55 530 2 90

Steklena tkanina 5 55 530 2 + 45/- 45

Preglednica 7-7: Tehnični podatki polimerne smole

Matrica Volumski delež [%]

Polimerna smola 45

Preglednica 7-8: Tehnični podatki preizkušancev za tkanino

Preizkušanec Dolžina [mm]

Širina [mm]

Debelina [mm]

A [mm2] Gostota [kg/m3]

Tehnologija

3-1 250 15,6 2 31,20 1947 RTM

3-2 250 15,6 2 31,20 1947 RTM

3-3 250 15,6 2,05 31,98 1947 RTM

3-4 250 15,62 2,01 31,40 1947 RTM

3-5 250 15,6 2,05 31,98 1947 RTM

4-1 175 25,12 1,95 48,98 1947 RTM

4-2 175 25,12 1,96 49,24 1947 RTM

4-3 175 25,12 1,95 48,98 1947 RTM

4-4 175 25,12 1,98 49,74 1947 RTM

4-5 175 25,15 1,95 49,04 1947 RTM

5-1 250 25,7 1,99 51,14 1947 RTM

5-2 250 25,8 1,97 50,83 1947 RTM

5-3 250 25,85 1,97 50,92 1947 RTM

5-4 250 25,6 1,96 50,18 1947 RTM

5-5 250 25,8 1,97 50,83 1947 RTM


53

Rezultati

Enako kot pri preizkušanju steklene mate smo tudi v tem primeru za vsak tip preizkušancev

izvedli pet preizkusov in izolirali tri najboljše, iz katerih smo pridobili materialne podatke.

Rezultati preizkusov so podani v preglednici 7.9 in 7.10.

Preglednica 7-9: Rezultati nateznega preizkusa vzdolžnih in prečnih preizkušancev

Zap. št.

Tip loma

Max. Sila [kN]

Max. pomik [mm]


Deformacija [%]

3-2 DGM 14 1,5 446,7 3

3-3 DGM 16 1,3 513 2,6

3-5 XGM 15,6 1,3 500 2,5

4-1 DGM 2,5 0,7 71,5 1,3

4-2 DGM 2,4 0,7 72 1,4

4-4 DGM 2,4 0,7 75 1,4

Preglednica 7-10: Primerjava rezultatov med vzdolžnimi in prečnimi preizkušanci

Preizkušanci Max.sila [kN]

Pomik [mm]


Deformacija [%]

Elastični modul [MPa]

Poissonovo št.

VZDOLŽNI 15,2 1,4 486,6 2,7 29737 0,19

PREČNI 2,4 0,7 72,8 1,4 14069 0,13

Vzdolžni preizkušanci oz. preizkušanci z vlakni, orientiranimi v smeri obremenitve, so na vseh

področjih raziskovanja, kot je bilo pričakovano, dosegli višje vrednosti, kar je razvidno tudi iz

preglednice 7.10. Vzdolžni preizkušanci so dosegli zelo visoko natezno trdnost, in sicer

487 MPa, kar je višje tudi od številnih jekel, a je zato natezna trdnost v primeru prečnih

preizkušancev dosti nižja in kaže na šibkost kompozitnih materialov in potrebo po uporabi

laminatov z različno orientiranostjo ojačitvenih vlaken.


54

Slika 7.5: Napetost vzdolžnih in prečnih preizkušancev v odvisnosti od deformacije

Slika 7.6: Prikaz vlaken prečnega preizkušanca v programskem paketu Aramis

Obnašanje materiala oz. razmerje med napetostjo in deformacijo je v primeru vzdolžnih

preizkušancev potekalo ves čas linearno do točke zloma oz. do točke, kjer je izmerjena najvišja

natezna trdnost. Prečni preizkušanci, kjer so vso obremenitev prenašala polimerna smola in

šibka sekundarna vlakna, pa so pokazali dokaj nelinearno obnašanje. Da vso obremenitev

prenaša smola, je pokazala tudi vrednost natezne trdnosti, ki je za 20 MPa višja od natezne

trdnosti smole, ki smo jo uporabili. Razlog za to leži v prej omenjenih sekundarnih vlaknih, ki

služijo za urejenost primarnih vlaken.

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

0,00 0,28 0,54 0,78 1,00 1,20 1,39 1,56

NA

PET

OST

[M

Pa]

ε [%]

σ−ε

VZDOLŽNI

PREČNI

a b c

d e f


55

Prehod krivulje na grafu v primeru prečnih preizkušancev v nelinearno stanje je vzrok

porušitve vlakna, ki je prikazano na sliki 7.4 – c. S pomočjo programskega paketa Aramis, ki je

bil zaporedno povezan s strojem med preizkušanjem, je prikazano, da je po pretrganju vlakna

material prestopil v nelinearno stanje, ki je nato še trajalo, dokler ni zadostno število vlaken

popokalo (slika 7.5 – f), kar je povzročilo porušitev materiala.

V primeru strižnih preizkušancev je sodeč po standardu ASTM D 3518 mogoče upoštevati

napetost samo do točke, kjer nastopi 5 % deformacija. Napetosti, ki jih material doseže, so v

povprečju v vrednosti 52 MPa.

Zap. št.

Tip loma

Max. Sila [kN]

Max. pomik [mm]


Deformacija [%]

5-1 XGM 3,09 2,92 49,56 5

5-2 XGM 3,23 2,51 51,75 5 5-3 XGM 3,37 2,52 53,99 5

Preglednica 7-11: Rezultati strižnih preizkušancev

Preizkušanci Max.sila [kN]

Pomik [mm]

Strižna trdnost [MPa]

Deformacija [%]

Strizni modul [MPa]

STRIŽNI 3,4 2,6 52 5 5525

Slika 7.7: Napetost strižnih preizkušancev v odvisnosti od deformacije

0

10

20

30

40

50

60

0,0 0,3 0,7 1,0 1,4 1,8 2,1 2,5 2,8 3,2 3,5 3,9 4,2 4,5 4,9

NA

PET

OST

[M

Pa]

ε [%]

σ−ε

STRIŽNI


56

Material dosega nižjo napetost v primerjavi z materialom v vzdolžnih in prečnih preizkušancih,

a za razliko od teh dovoljuje najvišje pomike in s tem deformacijo, ki je pokazala vrednost 5 do

5 %. Graf na sliki 7.6 prikazuje prehod iz linearnega stanja pri vrednosti 20 MPa, kar se zgodi

točno v trenutku, prikazanem na sliki 7.7 – b. Vlakna v tej točki se ne porušijo, temveč jih

obremenitev sili v drugo lego, ki pa je zaradi matrice oteženo. Zaradi želje po poravnavi vlaken,

material omogoča doseganje velikih pomikov.

Slika 7.8: Prikaz vlaken strižnega preizkušanca v programskem paketu Aramis

7.3 Primerjava pridobljenih rezultatov z analitičnimi pristopi

Poznavanje in razumevanje analitičnega pristopa določanja materialnih podatkov trdnostnih

lastnosti materiala je zelo pomembno, saj ponavadi izvajanje eksperimentalnih preizkusov

zaradi obsežnosti, časa in ekonomičnosti ni mogoče. Tudi v primeru, ko se razvijajo novi

materiali, je potrebno najprej predvideti okvirne lastnosti in jih nato potrditi z mehanskimi

preizkusi, da bi potrdili predvidene materialne podatke trdnostnih lastnosti.

V tem poglavju so zato primerjani rezultati analitičnih pristopov in eksperimentalnih

preizkusov, kjer je razvidno, katerim podatkom lahko pri razvoju novih materialov zaupamo in

v kolikšni meri.

V poglavju 4 sta bila uporabljena oba pristopa za določitev materialnih podatkov in primerjana

s podatki iz poglavja 7.

a b c

d e f


57

Steklena mata

V primeru kompozitnega materiala, izdelanega iz steklene mate in polimerne smole, smo

preverjali elastični modul, Poissonvo število ter natezno trdnost. Z uporabo mikroskopskega

in makroskopskega analitičnega pristopa smo, kot je razvidno s slike 7.8, dobili primerljive

rezultate z eksperimentalnim preizkusom.

Analitičnim pristopom napovedovanju lastnosti materiala lahko v tem primeru zaupamo v

veliki meri. Izjema je le elastični modul, ki v primeru mikromehanike odstopa za 30 %.

Slika 7.9: Primerjalne lastnosti v primeru mate

Steklena tkanina

Pri analitičnem določanju materialnih podatkov pri dolgih kontinuiranih vlaknih v obliki

tkanine so se rezultati med obema pristopoma zelo razlikovali v vseh primerih. Natezna

trdnost je v tem primeru izključena, saj je bilo odstopanje od eksperimentalnih rezultatov zelo

veliko. Prav tako so odstopanja, kot je razvidno na sliki 7.9, prisotna v vseh primerih, kjer je

največje odstopanje opazno pri strižnem modulu.

Kljub odstopanjem, še posebej strižnega modula, kjer je potrebno raziskati vzroke za tako

veliko odstopanje, pa je iz rezultatov mogoče potegniti smernice zanesljivosti.


58

Slika 7.10: Primerjalne lastnosti v primeru tkanine


59

7.4 Preverjanje in uporaba rezultatov v numeričnem okolju

Pridobljeni rezultati z nateznim preizkusom so bili preverjeni tudi z numerično simulacijo, kjer

sem v programskem paketu Abaqus opravil analize nateznega preizkušanja za vseh pet

preizkusov in preveril, če se v modelu pojavijo enake napetosti, kot jih je material dosegel v

linearnem stanju.

Priprava modela

Preizkušance sem pripravil kar v programskem paketu Abaqus. Model je dvodimenzionalna

deformabilna ploskev (shell) in je narisana samo v področju merjenja pomika oz. merilnika

raztezka [2].

Vnos materiala

Materialni podatki za vsak preizkušanec so bili kreirani na podlagi pridobljenih rezultatov v

poglavju 7. Za stekleno mato je uporabljen izotropni tip materiala za tkanino lamina.

Robni pogoji

Preizkušanci so bili obremenjeni v y-smeri s pomiki, ki so jih dosegli pri eksperimentalnem

preizkusu v linearnem območju. Pomik je bil določen po zgornjem robu preizkušanca.

Vpetje je določeno s spodnjim robom, in sicer v smeri y po celotnem robu in v smeri x samo v

točki na sredini, da ni prišlo do horizontalnega vpetja in ravninskega deformacijskega stanja.


60

Slika 7.11: Prikaz vpetja in pomika

Rezultati

Rezultati numeričnih simulacij z izjemo strižnih preizkušancev so pokazali ujemanje z

eksperimentom, saj so bila odstopanja v napetosti zelo majhna, a je potrebno upoštevati, da

je zajeto samo linearno območje.

Preglednica 7-12: Primerjane napetosti med eksperimentom in numeriko

Napetost [MPa] ODSTOPANJE [%]

MATERIAL EKSPERIMENT NUMERIKA

Steklena mata

RTM 60 58 3,4

RL 130 140 7,2

Tkanina

0° 410 416 1,4

90° 40 44 9

±45° 25 40 37,5


61

8 PRIMERJAVA NUMERIČNE ANALIZE MED JEKLENO IN

KOMPOZITNO TLAČNO POSODO

Onesnaževanje okolja je danes že vsem znan problem, s katerim se borimo že vrsto let.

Poudarek je na področju prometa, ki je postal glavni vir škodljivih emisij, ki vplivajo na kakovost

zraka, vode in zemlje. Ker pa je to področje, ki omogoča gospodarski razvoj, je bilo potrebno

poiskati alternativna pogonska goriva. Eno izmed teh je zemeljski plin (CNG), ki se v Sloveniji

trži pod blagovno znamko Metan. Izkazal se je kot dobra rešitev pri zmanjševanju obremenitve

okolja s toplogrednimi plini in trdimi delci v izpušnih plinih vozil kot tudi v sami ceni v

primerjavi z bencinskim in dizelskim gorivom.

Proizvajalci vozil so zaznali potencial zemeljskega plina v prometu, kar se kaže v pestri ponudbi

vozil, ki iz leta v leto raste. Uporabljene tehnične rešitve so preverjene in zagotavljajo visoko

stopnjo varnosti uporabe. Tovarniško proizvedena vozila na plin so podvržena visokim

standardom varnosti in kakovosti. Večina vozil na metan je opremljena tudi z rezervoarjem za

bencinsko ali dizelsko gorivo. Takšno vozilo lahko uporablja obe vrsti goriva, kar povečuje

domet prevožene poti in rešuje problem v primeru pomanjkljive infrastrukture polnilnic [11].

Prednosti uporabe zemeljskega plina:

− cenovno bolj konkurenčno zaradi enostavnejšega pridobivanja v primerjavi z nafto,

− manjše emisije škodljivih snovi (žveplov dioksid, ogljikov monoksid, trdi delci),

− možna uporaba v kombinaciji z bencinskim motorjem,

− nižji stroški vzdrževanja in dolga življenjska doba motorja,

− nizka stopnja hrupa,

− boljše vozne lastnosti …

Slabosti uporabe zemeljskega plina:

− draga predelava avtomobilov (dragi rezervoarji, ki morajo prenesti 200–250 barov),

− zaradi dodatnega rezervoarja za plin je avto bolj obremenjen,

− investicijski stroški črpalk za zemeljski plin zelo visoki …


62

8.1 Opis problema

Dodatni rezervoar za zemeljski plin zaradi teže dodatno obremenjuje avtomobil, zato je

potrebno rezervoar izdelati iz materiala, ki je lažji, a vseeno prenese visoke obremenitve.

Obstajajo štiri vrste rezervoarjev za stisnjen zemeljski plin, ki se med seboj razlikujejo v ceni,

teži, korozijski odpornosti …

TIP MATERIAL PRENAŠANJE

OBREMENITVE

LASTNOSTI

1 kovina kovina najcenejši, najtežji, omejujejo domet

avtomobila, korozijsko manj odporni

2 kovina + kompozit kovina in

kompozit

lažji kot 1, korozijsko manj odporen

3 kovinska podloga +

kompozit

kompozit kovinska podloga onemogoča uhajanje

plina, dražja izdelava

4 kompozit kompozit najlažji, najdražji, korozijsko odporni

Slika 8.1: Vrste tlačnih posod za metan

S pomočjo numerične analize je bila izvedena primerjava med 1. in 4. tipom tlačne posode in

kako v primeru kompozitne tlačne posode z različnimi orientacijami hitro najdemo optimalni

laminat.

Potrebno je omeniti, da je v tem primeru geometrijsko in varnostno posplošen primer tlačne

posode, saj gre samo za prikaz možnosti uporabe izmerjenih rezultatov z nateznimi preizkusi

v numeričnem okolju in primerjava razlik obnašanja posode, izdelane iz kovinskega in

kompozitnega materiala. V modelu so izključeni majhni priključki za plin, pri izračunu pa je

upoštevana samo varnost za korozijo v primeru kovinske in višji tlak obratovanja v primeru

kompozitne posode.

Cilindrična tlačna posoda za shranjevanje stisnjenega zemeljskega plina meri v premer 300

mm. Za preprečevanje uhajanja je v notranjosti nastavljena podloga, ki pa pri preračunu ne

igra vloge, saj ne prenaša nobene obremenitve. Posoda je med polnjenjem izpostavljena

cikličnim obremenitvam, a je večino časa obremenjena z delovnim tlakom, ki znaša 200 barov

in ima tudi največji vpliv pri dobi trajanja.


63

Posoda je v primeru avtomobilov, ki imajo tudi bencinski ali dizelski motor, vgrajena v

prtljažnik, kjer je preko dveh pritrdilnih elementov pritrjena tako, da je onemogočen pomik v

vse smeri.

Slika 8.2: Tlačna posoda, vgrajena v avtomobil

Tlačna posoda, uporabljena za analizo v tem poglavju, je pripravljena po dimenzijah,

prikazanih na sliki 8.2. Debelina stene t je za vsak primer posebej izračunana glede na

materialne lastnosti uporabljenega materiala.


64

Slika 8.3: Dimenzije tlačne posode

Za numerično analizo je bil uporabljen programski paket Abaqus/CAE, ki omogoča analizo tako

izotropnih kot tudi ortotropnih materialov, razporejenih po plasteh v primeru kompozitnih

materialov.

Predstavljena je analiza tlačne posode, izdelane iz jekla S235, in tlačne posode, izdelana iz

zgoraj preizkušenega kompozitnega materiala, izdelanega iz steklenih vlaken in polimerne

smole.

8.2 Numerična analiza tip 1

Tlačna posoda je v tem primeru izdelana iz jekla S235, ki ima mejo plastičnosti 235 MPa. Ta

vrednost je tudi kriteriji ali bo posoda zdržala notranji tlak 200 barov, pod katerim je

obremenjena [9].

Debelino stene tlačne posode sem določil glede na napetosti v steni po obodu in v vzdolžni

smeri.

𝜎𝑥 =𝑝𝐷

4𝑡 (8.1)

𝜎𝑜 =𝑝𝐷

2𝑡 (8.2)


65

𝜎𝑥 - napetost v vzdolžni smeri

𝜎𝑜 - napetost po obodu

𝑝 - tlak

𝐷 - premer tlačne posode

𝑡 - debelina stene

Kot je razvidno, je napetost po obodu dvakrat večja kot vzdolžna, zato v primeru kovinske

tlačne posode debelino določimo na naslednji način:

𝑡 =𝑝𝐷

2𝜎𝑌=

20 𝑀𝑃𝑎∙300 𝑚𝑚

2∙235 𝑀𝑃𝑎= 12,8 ≈ 13 𝑚𝑚 (8.3)

Zaradi izpostavljenosti koroziji se k steni doda 2–4 mm dodatka. Debelina tlačne posode tipa

1 tako znaša 16 mm.

Priprava modela

Model sem pripravil kar v programskem paketu Abaqus po načrtu, prikazanem na sliki 8.2.

Pripravil sem tridimenzionalno (3D) deformabilno telo na volumsko-geometrijski osnovi

(Solid) s pomočjo ukaza revolution. Zaradi simetričnosti sem uporabil samo četrtino modela,

kar je omogočilo uporabo manj končnih elementov v mreži.

Vnos materiala

V bazi sem ustvaril novi material z imenom S235. Ker gre za kovinski material, sem uporabil

izotropni tip, ki sem mu dodal elastične lastnosti, in ga prepisal celotni geometriji.

Robni pogoji

Model je obremenjen z delovnim tlakom 200 barov po notranji steni posode, kot je prikazano

na sliki 8.3. Da sem ustvaril pogoje, da se posoda v prostoru ne premika, sem vsaki stranici

(slika 8.4) onemogočil pomik v smeri normale.


66

Slika 8.4: Predpisovanje tlaka

Slika 8.5: Vpetje


67

Mreža

Model sem zamrežil z končnimi elementi tipa C348R. Končna mreža je vsebovala milijon

končnih elementov.

Slika 8.6: Zamrežen element

Rezultati

Izračun je pokazal, da je najvišja dosežena napetost v posodi 226 MPa, in sicer na mestu

prehoda iz notranjega dela v predel, kjer se pritrdi ventil. Koncentracija napetosti je verjetno

rezultat radija na tem prehodu, ki znaša 15 mm. Debelina stene 16 mm se je izkazala za

ustrezno, saj je napetost po preostalem delu tlačne posode daleč pod mejo plastičnosti.

Slika 8.7: Napetosti v tlačni posodi


68

8.3 Numerični preračun tip 2

Tip 4 tlačne posode za shranjevanje stisnjenega zemeljskega plina je izdelan iz kompozitnega

ortotropnega materiala. Prav zaradi te lastnosti materiala ne moremo uporabiti meje

plastičnosti za kriterij ustreznosti modela, ampak je potrebno uporabiti enega izmed

porušitvenih kriterijev kompozitnih materialov.

Porušitveni kriteriji so osnovani na ravninskem napetostnem stanju plasti in najbolj

uporabljeni med njimi so kriterij maksimalne napetosti, kriterij maksimalne deformacije, Tsai-

Wu kriterij ter kriterij Tsai – Hill, ki ga bomo zaradi njegove enostavnosti in dejstva, da je že

vgrajen v programskem paketu Abaqus, tudi uporabili.

𝜎1

𝑋2 −𝜎1∙𝜎2

𝑋2 +𝜎2

𝑌2 +𝜏12

𝑆2 = 1 (8.3)

𝜎1, 𝜎2 - napetosti v glavnih materialnih smereh 1 in 2

X - natezna ali tlačna meja elastičnosti v smeri 1

Y - natezna ali tlačna meja elastičnosti v smeri 2

S - strižna meja elastičnosti v ravnini 12

𝜏12 - strižna napetost v ravnina 12

Priprava modela

V programskem paketu Abaqus sem za razliko od analize kovinske posode uporabil površinski

model (shell), in sicer notranji plašč, na katerega sem kasneje polagal poljubno število slojev.

Debelino stene sem določil z debelino in številom slojev, ki sem jih predpisal v pripravi

materiala v naslednji točki.

Material in materialne plasti

Za vnos materialnih podatkov v bazo sem izbral možnost dvodimenzionalnega materialnega

modela Elastic/Lamina. Vpisal sem 6 elastičnih konstant, ki sem jih pridobil z nateznimi

preizkusi. Zaradi relativno tankih slojev sem predpostavil, da so strižni moduli v vseh ravninah

približno enaki.

Da sem lahko kasneje rezultate obdelal s Tsai–Hillovim kriterijem, sem v podmeniju vnesel še

podatke za natezne in tlačne trdnosti. Ker tlačnih lastnosti uporabljenega materiala nismo


69

pridobili z eksperimentalnimi preizkusi, sem podatke pridobil s predpostavko, da je razmerje

med natezno in tlačno napetostjo podobnega materiala [1] enako našemu uporabljenemu

materialu.

Orientiranost vlaken sem določil glede na tehnologijo izdelave, s katero se izdelujejo

kompozitne tlačne posode. Optimalni kot navijanja vlaken se lahko določi glede na natezno

trdnost v smeri navijanja vlakna in z upoštevanjem razmerja 2 : 1 med napetostjo po obodu in

napetostjo vzdolž tlačne posode. Kot je razvidno na sliki 8.5 je kot navijanja med napetostima

označen z oznako α.

𝑁𝜃 = 𝐹1𝑡𝑡𝑠𝑖𝑛2𝛼 (8.4)

𝑁Փ = 𝐹1𝑡𝑡𝑐𝑜𝑠2𝛼 (8.5)

𝑁𝜃 - porazdeljena sila po obodu

𝑁Փ¸ - porazdeljena sila v vzdolžni smeri

𝛼 - kot med silama

𝐹1𝑡 - natezna trdnost vlakna

𝑁𝜃

𝑁Փ= 𝑡𝑎𝑛2𝛼 = 2 → 𝛼 = 𝑎𝑟𝑐 tan (√2) = 54,7° (8.6)

Slika 8.8: Smer navijanja tlačne posode

Izračun je pokazal, da je optimalni kot slojev 55°. Da sem to potrdil z numerično analizo, sem

izvedel izračune za 6 različnih kotov navijanja.


70

Uporabil sem simetrične laminate z 32 sloji, kar je naneslo na končno debelino stene tlačne

posode 32 mm.

Koti, pod katerimi so bili orientirani sloji, so:

[30°, -30°]s, [45°, -45°]s, [55°, -55°]s, [60°, -60°]s, [75°, -75°]s, [90°, -90°]s.

Slika 8.9: Razporejanje slojev v programskem paketu Abaqus

Robni pogoji

Model je bil vpet enako kot kovinska posoda s pomikom, ki je bil onemogočen v vse smeri.

Obremenitev je bila v tem primeru zaradi varnostnih ukrepov, ki predpisujejo, da mora

posoda, ki je med obratovanjem obremenjena z delovnim tlakom 200 barov, prenesti tlak 300

barov, kar je povzročilo, da je debelina stene tudi dvakrat večja.

Rezultati

Rezultati vseh laminatov so prikazani na sliki 8.7, kjer je razvidno, da je kot 55° res

najprimernejši za prenašanje notranjega tlaka. Tsai–Hillov kriterij napove porušitev materiala,


71

če faktor doseže vrednost 1. V tem primeru je faktor Tsai–Hill znašal 0,9, kar je pomenilo, da

je model na varni strani. Z uporabo dodatnih dveh slojev pa bi faktor 0,9 lahko še zmanjšali.

Slika 8.10: Tsai-Hillov kriterij v odvisnosti od orientacije vlaken

Slika 8.11: Rezultat numerične analize kompozitne tlačne posode

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

1,6

30 45 55 60 75 90

Tsai

-H

ill

Orintacija vlaken [°]


72

8.4 Primerjava in diskusija

Iz rezultatov numerične analize obeh tlačnih posod je razvidno, da bi posodi v obeh primerih

prenesli notranji tlak, ki znaša 200 barov. Razlika pa se je pokazala v masi posod, saj v primeru

kompozitne posode z gostoto 1947 kg/m3 prihranimo pri masi za kar 53 %, kar se pri

obremenitvi avta, še posebej pri polni posodi s plinom, precej pozna.

Slika 8.12: Masa tlačnih posod

Debelina stene v primeru kompozitne posode je dvakrat večja od kovinske, ker smo uporabili

material, ki ni najprimernejši za takšno aplikacijo. V tlačni posodi bi bilo potrebno, če bi želeli

manjšo debelino in tudi maso, uporabiti karbonska vlakna in epoksivno smolo, ki se odlikujeta

po mnogo boljših materialnih lastnostih kot steklena vlakna in polimerna smola.

Numerični pristop je pokazal, da lahko v primeru kompozitnih materialov hitro najdemo

optimalno razporeditev slojev v laminatu.

A ker gre le za prikaz razlike med različnima materialoma, je ta pristop tudi jasno prikazal,

kakšne prednosti nudijo kompozitni materiali v industrijskih aplikacijah. Na žalost pa je

uporaba teh materialov pogojena s ceno, ki je v primerjavi s tradicionalnimi materiali mnogo

višja.

0

20

40

60

80

100

120

140

Mas

a [k

g]

S235 Kompozit


73

9 DISKUSIJA

V magistrski nalogi smo se dotaknili področja kompozitnih materialov v strojništvu, kjer je še

veliko stvari neraziskanih in nudi prostor za inovacije. Seznanili smo se s postopkom

raziskovanja določenega materiala, od izbire ustreznega materiala za določeno fazo preko

izdelave in vse do eksperimentalnega preizkušanja in uporabe rezultatov merjenja v numerični

simulaciji po metodi končnih elementov. S preučitvijo literature o kompozitnih materialih in

dosegljivih standardih za preizkušanje smo pridobili znanja za razumevanje obnašanja

materialov, postopkov priprave in preizkušanja, ki omogoča nadaljevanje raziskovanja na tem

področju in s tem večjo konkurenčnost na trgu. S pridobljenimi rezultati smo dobili majhno

bazo podatkov, ki jih lahko uporabljamo in tržimo, ter vpogled, kako se materiali obnašajo pri

različnih tehnologijah izdelave, in spoznali, da je potrebno pri resnih strojniških aplikacijah

upoštevati vse faktorje, ki vplivajo na lastnosti kompozitnih materialov. Ker literaturi, v katerih

so navedeni določeni rezultati različnih raziskav, ne moremo popolnoma zaupati, smo s

primerjavo analitičnih, eksperimentalnih in numeričnih rezultatov spoznali medsebojna

odstopanja in tako prišli do smernic, ki nas vodijo do ustreznejših inženirskih odločitev pri

različnih pristopih, ki so v določenem trenutku dostopni. Z uporabo rezultatov v MKE-analizi

smo se dotaknili tudi konstruiranja novega izdelka, kjer nam programska oprema nudi hiter in

učinkovit način preizkušanja željenih izdelkov, ki sicer v tem trenutku še ni ovrednotena z

realnim izdelkom, a daje ustrezne smernice za nadaljnje delo.


74

10 LITERATURA

[1] E. J. Barbero, Introduction to composite materials design, druga izdaja. Boca Raton:

Taylor and Francis Group, 2011.

[2] E. J. Barbero, Finite element analysis of composite materials using Abaqus. Boca Raton:

Taylor and Francis Group, 2013.

[3] N. G. R. Iyengar, Composite materials and structural analysis.London: MV Learning,

2016.

[4] L. C. Bank, Composite for construction: Structural design with FRP materials. New

Jersey: John Wiley & Sons, Inc, 2006.

[5] M. Kegl, B. Harl, Mehanika 3. Maribor, Fakulteta za strojništvo.

[6] ASTM D3039/D3039M -14, "Standard Test Method for Tensile Properties of Polymer

Matrix Composite Materials1", 2014.

[7] ASTM D3518/D3518 -14, "Standard Test Method for In-Plane Shear Response of

Polymer Matrix Composite Materials by Tensile Test of a ±45° Laminate1", 2014.

[8] G.Cerinšek, S. Dolinšek, S. Knez, K. Bebar, J. Pocrnjič, P.Trebušak, K. Putanec, K.

Blahouš, A. Ptašniková, A. Uher, S. Ellermaa, A. Meisterson, V. Veelaid. Compohub

04: Training Material [svetovni splet],1. 8. 2017.

[9] C. Reddy, "Design and Finite Element Analysis of E-glass Fiber Reinforced Epoxy

Composite Air Bottle used in Missile System: Experimental Validation", International

Journal of Scientific & Engineering Research, izdaja 6, št. 8, avgust 2015.

[10] Ivan Anžel, Franc Zupanič: GRADIVA, Univerza v Mariboru, Fakulteta za strojništvo,

Katedra za materiale in preoblikovanje, 2007

[11] Agencija za energijo, [splet], Dosegljivo: https://www.agen-rs.si/avtomobili-na-

stisnjen-zemeljski-plin-cng

Documents

VPLIV SESTAVE IN TEHNOLOGIJE IZDELAVE NA MATERIALNE ... · materiali sestavljeni iz vsaj dveh različnih materialov, je poznavanje in načrtovanje njihovih lastnosti dokaj zahtevno