EN
Dlaczego wydajność mechaniczna prepregu jednokierunkowego zależy od kierunku naprężeń:
Anizotropowe rozkładanie obciążenia przez prepreg jednokierunkowy:
Ciągłe włókna węglowe i matryca polimerowa są głównymi składnikami preimpregu. Choć włókna nadają preimpregowi bardzo dużą wytrzymałość na rozciąganie oraz sztywność w kierunku włókien, to preimpreg traci większość swojej wytrzymałości, gdy obciążenia działają prostopadle do kierunku włókien. Gdy obciążenia działają wzdłuż kierunku włókien, utrata wytrzymałości w tym kierunku jest mniej istotnym problemem. Jednak gdy obciążenia działają prostopadle do kierunku włókien, matryca preimpregu traci znaczną część swojej wytrzymałości, co powoduje jej zniszczenie oraz powstawanie pęknięć i odwarstwienia. Ponadto, przy obciążeniach skierowanych jedynie o 5° od osi włókien występuje znaczne naprężenie w matrycy preimpregu, a przy odchyleniu o 15° od osi włókien matryca preimpregu traci ponad 40% swojej wytrzymałości. Tak skrajne zachowanie anizotropowe zależy od wzajemnego ułożenia obciążenia względem kierunku włókien. W związku z tym wybór konstrukcyjny oraz wydajność strukturalna w dużej mierze zależą od orientacji włókien oraz kierunku głównych obciążeń.
Prawo mieszania wyjaśnia, jaką wytrzymałość może osiągnąć materiał kompozytowy. Dokładność prawa mieszania zależy od wzajemnego ułożenia włókien względem kierunku naprężenia. W większości przypadków kąt ułożenia włókien jest tak mały, że wykorzystywane jest jedynie niewielkie ułamek ich potencjalnej wytrzymałości. Prawo mieszania może wyjaśnić negatywne skutki występowania słabego dopasowania między włóknami a macierzą w materiałach kompozytowych, ponieważ uwzględnia czynnik ułożenia.
Prawie doskonałe ułożenie włókien pod kątem minimalnym wynoszącym 0° pozwala osiągnąć teoretyczną wytrzymałość układu włókno–macierz. Jednak przy słabym ułożeniu, np. pod kątem 10°, potencjał wytrzymałościowy znacznie się obniża, a wykorzystanie wytrzymałości włókien nie przekracza 70%. Badania wykazały, że w materiałach kompozytowych o nieoptymalnym ułożeniu włókien – na przykład przy wykorzystaniu wytrzymałości włókien poniżej 30% – dochodzi do uszkodzeń macierzy spowodowanych ścinaniem oraz naprężeniami rozciągającymi. Słabe ułożenie włókien może prowadzić do różnych utrat wytrzymałości włókien, takich jak wyboczenie czy delaminacja.
Potencjał wytrzymałościowy prepregu jednokierunkowego (UD) jest znacznie niedoszacowany i może mieć istotny wpływ na wydajność konstrukcyjną. Badania wykazały, że warstwy kompozytowe z prepregiem UD ułożonym w kierunku największego odsetka naprężeń wykazują o 32% większą odporność niż warstwy wykonane z tradycyjnymi metodami układania oraz materiałów kompozytowych. Umieszczenie prepregu UD we właściwym miejscu i we właściwym czasie ma największy wpływ na osiągi. Nowoczesne zautomatyzowane systemy układania umożliwiają precyzyjne rozmieszczenie włókien w każdej warstwie prepregu UD. Każda warstwa jest układana na podstawie najnowszych danych dotyczących odkształceń. Prepreg UD współdziała z najbardziej zaawansowanymi systemami reakcji.
Strategie optymalnego ostatecznego projektowania układania prepregu zgodnie z polami naprężeń
Zautomatyzowane układanie włókien (AFP) przy wykorzystaniu manipulacji tensorem naprężeń
W systemach AFP taśmy z prepregu o jednokierunkowym (UD) ułożeniu włókien są prowadzone wzdłuż trajektorii głównych naprężeń podczas procesu układania, ponieważ systemy te w czasie rzeczywistym mapują parametry S głównych naprężeń za pomocą analizy metodą elementów skończonych (MES). Systemy AFP optymalizują orientację włókien z rozdzielczością ±0,1°, co zmniejsza błąd wyrównania wiązek włókien wzdłuż optymalnych ścieżek obciążenia. Pozwalają one na optymalizację w czasie rzeczywistym rozmieszczenia wiązek włókien nawet na powierzchniach o złożonej geometrii, co przekłada się na 29% redukcję odpadów materiału prepregowego. Korzyści wynikające z zastosowania tego systemu potwierdzono dodatkowo tym, że wyrównanie włókien zgodnie z rozkładem naprężeń przy użyciu systemu AFP pozwoliło osiągnąć poprawę sztywności o 31% w porównaniu do automatycznie wykonanych konstrukcji quasi-izotropowych (QI) zastosowanych do tego samego prototypu skrzydłowego żebra samolotu.
Zrównoważone projekty prepregowe zapewniające kompromis między wydajnością a innymi cechami
Zrównoważone konstrukcje preimpregów zapewniające zrównoważoną wydajność to takie, które tworzą równowagę poprzez jednokierunkowe (UD) preimpregi oparte na styrenie rozmieszczone w układzie poprzecznym. Równowaga ta przebiega wzdłuż krzywych geometrycznych, które pokonują najkrótszą odległość wzdłuż krzywych w formie. Te systemy preimpregów, wykorzystujące jednokierunkowe (UD) preimpregi oparte na styrenie w połączeniu z tkaninami poprzecznymi, eliminują nieciągłości mostkowania. Te hybrydowe systemy preimpregów zapewniają korzyści dla systemów nośnych przy ich stosowaniu w formach o znacznych nieciągłościach geometrycznych.
Weryfikacja prawidłowego ułożenia jednokierunkowych (UD) preimpregów: od symulacji do rzeczywistych wyników strukturalnych
Studium przypadku: poprawa wytrzymałości na rozciąganie o 32% w skrzydle lotniczym (element konstrukcyjny typu spar) dzięki zastosowaniu jednokierunkowych (UD) preimpregów ułożonych zgodnie z rozkładem naprężeń
Najnowszy projekt lotniczo-kosmiczny zademonstrował wartość symulacyjnie prowadzonej orientacji laminatów UD z materiału prepreg w przenoszeniu teoretycznej wydajności na potwierdzone w warunkach rzeczywistych korzyści strukturalne. Pierwszym zadaniem inżynierów było zaprojektowanie analizy metodą elementów skończonych (FEA) o wysokiej wierności oraz zmapowanie tensorów naprężeń roboczych na kracie skrzydła, aby określić miejsca, w których większość obciążeń rozciągających i ścinających będzie przechodzić. Następnym zadaniem było zastosowanie automatycznego układania włókien (AFP) i umieszczenie taśm prepreg jednokierunkowych z odchyleniem nie przekraczającym ±3° względem kierunków obciążeń uznanych za krytyczne. Oznaczało to przejście od tradycyjnego układu quasi-izotropowego, w którym średnie odchylenie w sekcjach krytycznych przekraczało dwanaście stopni. Badania w warunkach rzeczywistych potwierdziły, że zaprojektowana konstrukcja charakteryzuje się wytrzymałością na rozciąganie przekraczającą o ponad 32% wytrzymałość graniczną oraz zwiększeniem trwałości zmęczeniowej o 41% przy 100 tys. cyklach zmęczeniowych. Badania zostały wzmocnione i uzupełnione brakiem odwarstwiania na powierzchniach styku, które występowało przy niewłaściwej orientacji większości laminatów. Celem badań było potwierdzenie, że zależności międzyfazowe – od modelu obliczeniowego do kolejnego etapu układania jednokierunkowych laminatów prepreg zgodnie z kierunkami naprężeń – mają wysoką przydatność w poprawie wkładu właściwości międzyfazowych możliwych do selekcji.
Pytania i odpowiedzi
1. Co to jest UD prepreg?
Unidirectional Pre-impregnated Composite (UD prepreg) to materiał kompozytowy z jednokierunkowym wzmocnieniem węglowym (czyli włóknem węglowym), w którym żywica wypełniająca matrycę została już skonsolidowana i wstępnie nasączona włóknem.
2. Jak istotne jest ułożenie włókien w UD prepreg?
Ułożenie włókien ma kluczowe znaczenie dla zwiększenia wydajności mechanicznej, co pozwala również kontrolować wytrzymałość materiału oraz zapewnia maksymalną wytrzymałość i wzmocnienie materiału.
Pytanie 3: W jaki sposób automatyczne układanie włókien poprawia właściwości UD prepreg?
Odpowiedź 3: Automatyczne układanie włókien zapewnia lepszą wytrzymałość i wydajność dzięki zoptymalizowanemu ułożeniu włókien zgodnie z kierunkami obciążeń, co przekłada się na mniejsze odpady oraz lepsze właściwości użytkowe. Osiąga się to poprzez mapowanie tensora naprężeń w czasie rzeczywistym.
Pytanie 4: Czy można wyjaśnić zasadę mieszania?
A4: Prawo mieszania to metoda opisująca wytrzymałość materiałów kompozytowych, która w dużej mierze zależy od stopnia, w jakim włókna są zgodne z kierunkiem naprężeń.
Q5: Co oznacza pojęcie hybrydowego prepregu UD w produkcji materiałów kompozytowych?
A5: W produkcji materiałów kompozytowych hybrydowy prepreg UD oznacza stosowanie prepregu UD w połączeniu z tkaninami dwu- lub trójosiowymi, aby poprawić możliwości produkcyjne oraz zapewnić kontrolowaną wytrzymałość w określonych kierunkach, szczególnie w przypadku kształtów złożonych lub zakrzywionych.