Mekanik Anisotropy Nedir?
Mekanik anisotropy, bir malzemenin gücü, sertlik ve deformasyon davranışının uygulanmasının kuvvetle bağlı olduğunu açıklar. Çelik veya alüminyum alaşımlar gibi geleneksel mühendislik metalleri aslındaotropiktir, her yöndeki özelliklerle, fiber-reinforced polimerler (FRP) kompozitler kasıtlı olarak bir hata değildir, ancak birincil ısıtımı olan bir tasarım özelliğidir.
Mikromekanik düzeyde, anisotropy, malzemenin iki fazlı doğasından ortaya çıkıyor: sert, güçlü fiberler - nispeten uyumlu polimer matrixine gömülüdür.[Dönetici ve güç, transverse ve shear yanıtları ESF[Dönetici ve fiber-matrix arayüzü ile yönetilmektedir.)
Bir kompozitte anisotropy derecesi, tipik olarak 3:1 ile 5:1 arasında anlamlı derecede yüksek ısı iletkenliği gösteren 15:1'i aşabilir.Bu oran tasarımcılar, yönsel sertlik ve üretim karmaşıklığı arasındaki ticarete yardımcı olur.
Örneğin, ultrasonik hız ölçümleri gibi uçak başına gelen bağımsız sabitler veya transverse'in transistotropik (kökezleyicilerin fiberlere göre) yardımcı olur. Örneğin, tek yönlü bir şekilde sabit olmayan sabitler, simülasyon ve sertifika için kullanılan maddi mülklere güven sağlayarak mühendislere kritik hale gelir.
FRP Kompozitlerinde Birisotropy'ı Etkileyen Faktörler
Fiber Oryantasyon ve Mimari
En etkili faktör fiber yönelimdir. Bir şekilde, tüm fiberler bir yönde çalışır, fiber eksen boyunca yüklenirken, karbon veya cam elyaflar, yüksek sertlik ve güç verir.Ins amonly 0°, ±45°, ve 90°'de aynı yükü alır - genellikle 20-30 kez daha düşük olan bir betonda yatan bir betonda.
Fiber mimarisi de hasar toleransını etkiler. Woven kumaşları, örneğin, tek yönlü kasetlerden daha iyi etki direnci sağlar, çünkü crimped fiber yollar, küçük boyutlu kaplamalara karşı dirençli olmayan yüzeyler sunar. ancak, crimp ayrıca yüksek hızda sertlikte yüksek tutma süresine göre% 5 ila 15 oranında azalır. Mimarlık seçimi, doğrusal olmayan bir şekilde yükleyici ve performans için uygun olmayan üç boyutlu yapılar ile genellikle daha az sayıda şarj edilebilir.
Fiber
Fiberlerin hacimleri, genellikle yüksek performanslı yapısal laminatlarda% 50-65, doğrudan uzun süreli özellikleri gösterir. Yüksek fiber içeriği, fiberlerin yük paylaşımı kapasitesini artırır, ısıtılır ve fiber yönde güç verir.[Dönetici: 8/01/2012)
Fiber hacim ve transverse modulus arasındaki ilişki, tasarım amaçları için daha karmaşık mikromekanik modelleri takip eder, çünkü Halpin-Tsai denklemleri veya Mori-Tanaka yönteminin hacmindeki boşluklar, fiber geometri ve paketleme düzenlemesi için, transistimal ve hear özellikleri için daha doğru tahminler sağlar. Tasarım amaçları için, üreticiler genellikle proses edilebilirliği ve maliyetle ilgili olarak dengeler ölçebilir ve maliyetle şarj edilebilirlik sağlar.
Matris Malzeme Seçici
Polimer matrisi - poxy, vinyl ester, poliimide veya termoplastik - öncelikle kendi sertlik, iyoniklik ve cam-transkasyon sıcaklığı ile transistimalasyona sahip bir brittle epoxy, küçük transversekisler, aksançlamalar ve termoplastikler transistotropik kuvvet ve interlaminar oar direncini artırabilir, anisotropy'in bazı zararlı etkilerini azaltacaktır.
Matrix seçimi, fiber-matrix arayüzü kalitesini etkiler, ki doğrudan alüminyum ve yorgunluk performansını etkiler. Güçlü bir arayüz, uzun süreli performanstan ödün vermeden transiste özelliklerini teşvik eder, ancak daha zayıf bir arayüz nano-parçacıklı devreler içinde üç boyutlu bir ağ oluşturabilir ve çatlakları yükselten matrisler için yüksek sıcaklık transferleri sağlar.
Üretim Parametreleri
Fiber hizalama nadiren mükemmel. Prepreg handle, otomatik fiber yerleştirme, filament rüzgar ve reçine-infüzyon süreçleri küçük ama önemli fiber yanlışlık, sallanma ve yerel hacim-uygun varyasyonları. Birkaç derece yanlış ve hearudi sıkıştırılabilir, böylece bir parçanın her iki hammaddenin de bir ürünüdür.
Prodüksiyon, kuru noktalar ve fiber sallanma gibi süreçlere yol açan yönelleri tehlikeye atarak, fiber mimarisini kuru preforms. Post-cure işlemleri ile değiştirmek için özellikle hassastır, işleme ve delme dahil olmak üzere, doğru zamanda doğru zamanda doğru yöndeki parametreleri çözmeye dayalı olarak yükseltebilirsiniz.Otomatik fiber yerleştirme ile otomatik olarak üretim teknikleri.
Fiber Waviness ve Yanlış
Fiber sallanma - fiber yolda uçaktaki ve tebrikler -% 20-40 oranında sıkıştırılabilir ve ayrıca yorgunluk hayatını etkiler.Dörtülme genellikle kontraksiyon sırasında veya diferansiyel reçine akışından kaynaklanan gecikmeler.
Orthotropic Elasticity: The Mathematical Framework
Bireotropy'yi ölçmek için mühendisler, kompozit olmayan bir mekanik sabit laminatlar için bağımsız bir uyum matrisinin teorisini kabul eder (1 = fiber yön, 2 = in-plane transverse, 3 = via-thickness) [Döneticileri, düzlemde bulunan ve yüksek çözünürlükte bulunan bir uyumluluk matrisi ile ifade edilir[Döneticileri, yüksek çözünürlükte)[Döneticileri içerir[Döneticileri).
Bir ortootropik materyal için uyum ve sertlik matrisleri, 21'den itibaren tamamen anisotropik durumdan 9'a veyaotropik malzemeler için entropik materyale sahiptir - malzemedeki özel bir durum, fiber yöndeki mekanikseldir - Jones tarafından sağlam metin sayısı 5'e daha fazla azalır.
Koordinasyon dönüşümleri pratik kompozit analizde merkezi bir rol oynar.Dönetici koordinatlar ve küresel koordinatlar arasındaki dönüşümler, fiber yönelim açısının trigonometrik fonksiyonlarını içerir. Bu dönüşümler, normal ve hear stresleri arasında bile bir darbe sergileyecek, çünkü otizmle bilinen bir fenomendir (örneğin, yapısal tasarım için önemli etkileri olan bir plaka).
Anisotropic Properties'in Test ve Karakterizasyonu
Çekme Testi
Uniyway testleri kompozit karakterizasyon temel taşıdır. Kuponlar 0° yönde kesilir, çünkü [[0Contament:0)ASTM D3039/D3039M), verim uzunlamasına modulus, güç ve Poisson'un oranı. Transverse'in testi, tipik epoxys için sadece% 0,5-1.5 oranındaki reaksiyonları ortaya çıkarır.
Spekomotif test için özel hazırlıklar, bu hataları tanımlamaya ve daha doğru modlama algılamasına yardımcı olan tam alan basıncı ölçümlerini sağlar.Insquamental testing uses careful care to edge quality, tabification, and fibereks rate systems with the installing and machine vision interval are become standard in Optical image testing Laboratories.
Termal ve Hygroterm Etkileri
Anisotropic özellikleri sıcaklık ve nemse içerik ile değişir. ASTM D7028 gibi standart test yöntemleri, cam geçiş ısısını belirler, hangi matris odaklı özelliklerin hızla düşmesine izin verir. Tasarım için kullanılabilir, kuponlar ne kadar az önce doygunsuzca% 1-2 ağırlık epoxies için kazanılabilir ve yüksek sıcaklıklarda test edilebilir. anisotropy oranı genellikle çevre ile değişir: uzun zaman uzun süre sadece% 5-10% 100°C, transistasyon modları 20-30 düşebilir, aynı zamanda yönsüzlüğü azaltır.
Kompucu Test Test
Kompiyonel anisotropy özellikle önemlidir, çünkü FRP malzemeleri genellikle gerginlikten daha zayıftır, özellikle transistör oluşumunda ve matrix ezicisi ASTM D6641 veya IITRI fikstürleri için yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlüktedir.
Kompresyon testlerinde son gelişmeler, milisaniyelerde meydana gelen ve çarpma koşulları altında kompozit yapıların çökmesine izin veren anti-buckling rehberlerinin gelişimini içerir.Prodüksiyon testleri sırasında yüksek hızlı görüntüleme, başlangıç için gerekli olan stres durumuna göre öngörür.
Shear ve Off-Axis Testleri
Uçakta oar mod Gulus)) ve oar gücü Iosipescu Shear testi (ASTM D5379) veya V-notched raylı test (ASTM D7078) ile ilgili testlerden elde edilebilir bir V-notated örnek, neredeyse üniformalı bir şekilde sabitlenmiş bir şekilde dışlama işlemine izin veren özel bir ortamdaki baskılı bir şekilde uygulanır.
Shear test yönteminin seçimi önemli ölçüde ölçülebilir. Iosipescu testi nispeten düzgün hear stres dağılımı sağlar, ancak dikkatli örnek işleme gerektirir, ancak ±45° çekme testi daha basit ancak tasarım amaçları için, kombine edilmiş bir stres durumu üretir. Interlaminar shear gücü, kısa süreli testler kullanılarak ölçülmüş sonuçlar verir (ASTM D2344), basit bir kalite kontrol metrik sağlar, ancak gerçek shear modulus verileri sunar.
Çok-Axial ve Full-Field Yöntemleri
Dijital görüntü korelasyon ve bi aksiyel krilektif test gibi gelişmiş teknikler, tam susamı ortaya koyuyor ve normal ve oar streslerin gerçekçi yükleme altında kullanılmasını sağlar. Bu yöntemler, anisotropik laminatlarda bağımsız olarak gelişmiş hasar birikimini vurgulamaktadır -matrix mikrokınma, delaminasyon ve fiber kırılması - bu basit aksiyel testler tek başına yakalamaya olanak tanır.Bu tür testlerden gelen veriler, havacılık ve motorsport tasarımında kullanılan karmaşık hasar modellerini besleyebilir.
Tam alan ölçüm teknikleri ayrıca termal anisotropy'nin karakterizasyonuna da olanak sağlar. Dijital görüntü korelasyonu, kızılötesi ısıtma ile birlikte bir araya getirilen, anotropik malzemelerdeki başarısızlığın sırasını belirlemesine yardımcı olur.Bu veriler, uzay aracı yapıları ve yüksek hızlı uçak bileşenleri gibi uygulamalar için kritiktir.
Anisotropic Composites için Başarısızlık Kriterleri
Bir anisotropic materyalindeki başarısızlık, Gergin'in fiber gerilim, fiber sıkıştırma, matris gerilimi ve matris sıkıştırma modları gibi metalik bir başarısızlık teorilerine başvurmaktan daha fazla karışır ve LaRC05 ve World Wide Başarısızlık kriterleri için bu tahminleri üç boyutlu stres için inceler ve o zaman dışı yüklere güvenir.In practice, fiber kompresyon, matrix gerilimi ve matris sıkıştırma modları, her biri kendi güç parametresi ile daha son derece karmaşıktır.
Puck başarısızlık teorisi, transistör-dominated başarısızlıklar için kırılma konseptini içeren başka bir büyük ilerlemeyi temsil eder.Bu teori, matrix çatlaklarının stres durumu ve malzeme özellikleri tarafından belirlenen belirli uçaklarda başladığını, transist ve hear yükleme koşullarını sağlayan daha doğru tahminler sunar. Teorinin eylem planı geniş bir deneysel verilere karşı doğrulandı ve şimdi birkaç ticari kompozit analiz kodunda uygulanıyor.
Başarısızlık üzerindeki çevresel etkiler standart kriterler tarafından ele alınmaz, ancak tasarımda dikkate alınmalıdır. Moisture absülfat, transverse'i azaltmak ve ücretli güçlüleri% 10-30'a kadar saturasyona dayalı olarak ayrıştırılmış özellikler, cam geçiş sıcaklık azaltımı ile 10-20°C'nin ortalamaları.
Progresif hasar analizi modelleri, LS-DYNA veya Abaqus'te uygulananlar gibi, son rupture'ye girişten zararın evrimini simüle eder. Bu modeller her başarısızlık modu için kırık sert değerlerin girişini gerektirir - fiber gerginlik, fiber sıkıştırma, matrisi, matrisi, matrisi ve delaminasyon.
Anisotropic Bileşenleri için Tasarım
FRP kompozitleri ile mühendislik, bıçakların yukarı doğrultmasına karşı başlar. Amaç, aerodinamik merminin birincil çekme veya sıkıştırıcı kuvvetlerle malzemenin en güçlü, sert yönünü hizaya sokmaktır.Bir rüzgar türbini bıçağında, tek yönlü spar kapakları, uzunlamasına dayanıklı özelliklerini kullanmaya yönelik uzun süre boyunca çalışır, çünkü tasarım kılavuzlarında belirtilenler 44 °T'ye kadar uzanır.
Başka bir tasarım meydan okuması düşük transistör gücüdür ve anisotropic termal genişlemenin ilişkili riski, fiber ve transverse yönlerdeki ısıtımı arasındaki yanlışlıkların, parçanın veya mikrokökezlerin başlaması gerektiği konusunda hassas olan stres konsantrasyonlarını ortaya koyar.For karbon/epoxyifiers, uzun metotropic termik genişlemenin katsayıları genellikle sıfır veya negatif yöndeki hassaslıkta karşılaştırılabilirken, bu hassaslıkların ve hassaslıkların yerlerine karşılaştırılabilir.
Dengeli ve simetrik laminatlar, orta ölçekli bir darbeyi ortadan kaldırmak için asimetrik olarak ayarlanan standart yaklaşımdır. Dengeli bir laminat + ⁇ ve - Uçak yükleri ve hear deformasyonu arasındaki darbeyi ortadan kaldırmak için bazı uygulamalar kasıtlı olarak kullanılır.
Optimizasyon teknikleri, maksimum yapısal verimlilik için anisotropy'yi kullanmak için giderek daha fazla kullanılır. Genetik algoritmaları ve gradient tabanlı yöntemler karmaşık yükleme koşulları için en uygun ölçüm modülleri ve donanım sıralamalarını içerir. İmalat kısıtlamaları, ply süreklilik gibi, düşüş serisine kıyasla, ve araç sınırlamaları, uyumluluk sınırlamaları, optimizasyona dahil edilmelidir. Modern kompozit tasarım yazılım paketleri, bileşeninin ağırlığı 20-30% olarak sezgisel olarak tasarlanmış laminatlar ile karşılaştırabilir.
Bolted Ortak Tasarım
Kompozitlerde Bolted eklemler, deliklerdeki özel bir dikkat gerektirir ve metalik tomurcuklama basıncı da başarısızlık modunda olabilir: düşük fikre sahip olma veya ağlama gücü, yüksek fikre paralel olarak, fiberler gibi yerel takviyeler sıklıkla sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık, farklı laminat yönlendirmeler için tepki verir.
Üretim-Indük Anisotropy ve Quality Control
Mükemmel bir laminat tasarımıyla bile, fark edilen anisotropy, tahminlerden itibaren tahminlerden uzaklaşabilir, aksi takdirde düz filamentlerin uzayda veya dışı olmayan, uzun süreli lif mimarisini ve kimyasal olmayan cepleri doldurmaya duyarlıdır.
Proses simülasyon araçları, üretime dayalı anisotropy. Sıvı kompozit işlemler için gerekli hale gelir, fiber deformasyon analizi ile kombine edilen taşıyıcılar ve fiber yönlendirme değişiklikleri karmaşık geometrilerde hızlanan sıcaklık ölçümlerinin ısıl simülasyonları, mevcut stres gelişimini ve son anisotropik özellikleri için, genişletilmiş bir şekilde azaltılabilir.
İstatistiksel süreç kontrol yöntemleri, tutarlı anisotropic özelliklerini korumak için kompozit üretime uygulanır.Sessiz anisotropic özelliklerini izlemek için anahtar süreci parametrelerini izlemek, basınç, reçine akışı oranı ve fiber yerleştirme doğrulukları, üreticiler nominal işlem penceresinden sapmaları tespit edebilir ve hataların gerçekleşmesinden önce doğru bir şekilde harekete geçebilirler. Mekanik öğrenme algoritmaları tarihsel üretim verileri üzerinde eğitilmiştir.
Exploit Mekanik Anisotropyy
Havacılık Uzay Yapıları
Modern uçak kanatları ve fuselage bölümleri, uygun bir anisotropy'ye bağlıdır. kanat derisi, eğimli bükme kıvrımları için 0° plies ile, statik yorgunluk ve 90° plies ile karıştırılmış bir şekilde tasarlanmıştır. Boeing 787 ve Airbus A350 XWB, karbon-fiber-reinforced epoxy'ı yaygın olarak kullanır ve sertifika, statik yorgunluk altında askalar ve 90° yükleri ile sabitlenebilir, ve efekt yüklemeleri, 0,0.
Uzay uygulamaları, yakın-zero termal genişleme katsayısı, karbon /epoxy kompozitlerinin fiber yönü, teleskop boom patlaması ve anten reflektörleri gibi boyutsal olarak istikrarlı yapılar için sömürüldü.Düzücüklerin ısıtılmasıyla, çok yönlü net ısı genişletmeyi başarabilir, geniş sıcaklıklarda hassas bir şekilde koruyabilir.The Hubble Uzay Teleskobunun karbon fiber truss yapısı bu uygulamayı genişletir ve mikron seviye seviye seviye stabiliteyi düşük Dünya yörüngesinden ayırarak.
Rüzgar Enerji Rüzgarı
Rüzgar türbinleri rotor bıçakları, yönsel tasarımdan muazzam ölçüde faydalanır. Spar caps, tek yönlü karbon fiber veya cam fiber prepregs en az ağırlıkta maksimum fütürel sertlikte sertlikte yüksek oranda azaltır ve ters yöndeki zayıflığı hesaplayın.
Bıçak üretim süreçleri 100 metreyi aşabilecek uzunlukların üzerinde hassas fiber hizalamalarını sağlamalıdır. Birden fazla tow kafa ile otomatik fiber yerleştirme sistemleri, özellikle de anisotropic özelliklerinin en ağır şekilde sömürüldüğü kritik bölgelerden aşağı yukarı 50 metreden fazla şekilde, tasarım niyetiyle, özellikle de tasarım aşamasındaki bıçak maçlarıyla ilgili olarak, tasarımdaki aisotropik özellikleri korumak için doğrulanma denetimini korumak için kesin olarak kullanmalıdır.
Otomotiv ve Motor
Monocoque şasi ve Formula 1 ve yüksek performanslı yol arabalarında vücut panelleri, diğerlerinde bozulmamış metaller ve titreşim yanıtını yönetmek için de kullanılır, motor veya yol açma işlemi için.For Dorm 1, süspansiyon itmeleri ve rockers, diğerlerinde tam olarak fiberler boyunca kontrol edilen bir şekilde yapılır. Mekanik anisotropy aynı zamanda sert ve titreşim yanıtını değiştirmek için de kullanılabilir.
Elektrikli araçlar, alüminyum kompozit tasarımı için yeni fırsatlar sunuyor. Metal fiber kompozitlerden yapılan batarya muhafazaları, elektrik izolasyonunu korumak için uygun şekilde üretilen yüzeylere karşı etkili ve termal olaylara karşı korumaları gerektirir.Spektif fiber optiklerin yönsel iletkenliği, otomatik kaplama prosesleri için kullanılıyor.
Sivil Altyapı Güçlendirmek
Dışsal olarak beton sütunları ve kirişler için FRP sistemleri, kirişlerin yüksek sert gücü ile tam olarak kullanılan, düzelme kapasitesinin sabitlenmesini ve elektriksel kuvvetlendirme sınırlarını artırdığını belirtir.ACI 440.2R rehberi, düzelmesel sertlik ve yüksek çözünürlükte uzunlamasına izin verir.
FRP güçlendirme sistemlerinin dayanıklılık, uzun süredir keşfedilmemiş özellikleri korumak için bağlıdır. Garantili kaplamalar ve doğru detaylandırma noktalarında nemlendirici ve donmuş bisiklet, matrix ve fiber-matrix arayüzünü bozabilir, transistimal özelliklerini azaltırken, uzun süreli özellikleri nispeten etkilenmez.Demir kaplamalar ve doğru detaylandırma noktalarında bozulmaları önlemek için gereklidir.
Marine ve Sports Equipment
Tekne hulls ve masts, üst kısmındaki keel hattı ve ±45° camı boyunca bir yarışçıklık bıçakları ve bisiklet çerçeveleri, güç transferini ve vibasyonunu kontrol etmek için yönsel sertlikleri birleştirmek için bir araya gelir.
Anisotropic Composite Design
Değişken tow yerleştirme, kompozit tasarımda bir paradigma değişikliği temsil eder, fiber yönelimlerin sürekli olarak geri kalan sabitler içinde değiştirilmesine izin verir.Bu teknoloji, gelişmiş otomatik fiber yerleştirme makineleri tarafından etkinleştirilir, geleneksel olarak farklı anisotropy ile kıyasla, karmaşık yükleme koşullarını karşılamak için optimize edilebilir. Örneğin, yeni bir delikli analiz ve üretim yöntemlerinde bir delik etrafında, ancak potansiyel performans kazançlarını takip etmek için yönlendirilebilir, stres konsantrasyonlarını önemli ölçüde azaltın ve 30-50% geleneksel olarak düzelme tasarımlarına kıyasla% 30–150 oranında azalır.
Fiber-reinforced kompozitlerin üretimi, mevcut teknoloji nispeten küçük parçalar ve düşük fiber hacimler için yeni olasılıklar açıyor, sürekli fiber-reinforced filamentler bu yöntemleri üretim uygulamaları için uygulanabilir hale getiriyor.Gerçekten üç boyutlu fiber mimarileri oluşturmak için yeteneği, mevcut tüm üç boyutlu fiber yüzeysel olmayan küçük parçalar ve düşük fiber hacimler ile sınırlıyken, baskı hızı, malzeme kalitesi ve kontrol süreçleri bu yöntemleri doğru şekilde üretebilme yeteneği.
Yapısal anisotropy'yi, enerji depolama, algılama gibi ek yeteneklerle birleştirir veya ölçümleme bir araştırma sınırı olarak ortaya çıkabilir. Yapısal elektrolitler, yapısal ve işlevsel bir optik kontrolde gömülü olan karbon fiberlerin geçici iletkenliği ile ilgili olarak, tasarımda merkezi bir rol oynayan bir polyester elyafı kullanarak.
Bio-Inspired Anisotropic Architectures
Doğa, belirli fiber yerleştirme ve işlevsel olarak derecelendirilmiş arayüzleri kullanarak bu kalıpları taklit eder. Hedef, yük taşıma bölgelerinden daha uyumlu bölgelere sorunsuz bir geçiş oluşturmaktır.Böyle tasarımların stres konsantrasyonlarını azaltabileceği şekilde azalır.
Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç
Mekanik anisotropy, fiber-reinforced polimer kompozitlerine dikkat çekici performanslarını ve aynı zamanda, doğrusal olmayan bir test yoluyla tasarım ve analiz için daha sofistike bir yaklaşım gerektirir.In control fiber Orient, volume fraction, matrix kimyası ve üretim prosedürleri, mühendisler, betonun hassas bir şekilde kullanılmasını gerektiren, daha önce yapılmış bir şekilde tasarlanmış fiziksel bir tasarım ve analiz için doğru bir şekilde tasarlanabilir bir şekilde tasarlanabilir, güvenilir bir şekilde yapılanma ile doğrulanabilir bir şekilde, daha iyileştirici bir şekilde tasarıma ve analize olanak sağlar.