Kompozitne svemirske konstrukcije - aktivnosti i potencijali

Ivica Smojver, Darko Ivančević

Sveučilište u Zagrebu, Fakultet strojarstva i brodogradnje,

Zavod za zrakoplovstvo

Znanstvena radionica „Obzor2020 - tematsko područje SVEMIR”

FSB, 12. lipnja 2014.

Uvod

Aerotermodinamika

Lattice konstrukcije

Mikromehanika

Zaključak

2

Uvod Aerotermodinamika Lattice konstrukcije Mikromehanika Zaključak

I. Smojver, D. Ivančević: Kompozitne svemirske konstrukcije – aktivnosti i potencijali

Uvod Aerotermodinamika Lattice konstrukcije Mikromehanika Zaključak

• AeroDamageLab - osnovan 2009. godine u okviru Tehnologijskog projekta TP-07/0120-30

„Numeričko modeliranje oštećenja u zrakoplovnim konstrukcijama“

Aktivnosti:

• analiza naprezanja u kompozitnim i metalnim

konstrukcijama

• ekspertize i izrada studija u području zrakoplovnog

inženjerstva i drugim područjima zrakoplovstva

• suradnja na znanstveno/inženjerskim projektima u

području kompozitnog inženjerstva i zrakoplovnog

inženjerstva u širem smislu

aerodamagelab.fsb.hr 3 I. Smojver, D. Ivančević: Kompozitne svemirske konstrukcije – aktivnosti i potencijali

Uvod Aerotermodinamika Lattice konstrukcije Mikromehanika Zaključak

• aerotermodinamički problemi zrakoplovnih (svemirskih)

konstrukcija u hiperzvučnom strujanju

• proračun radijacijske-adijabatske temperature ravne stijenke pod

nultim napadnim kutom

• dobra procjena stvarne temperature površine letjelice

aerodamagelab.fsb.hr 4 I. Smojver, D. Ivančević: Kompozitne svemirske konstrukcije – aktivnosti i potencijali

Uvod Aerotermodinamika Lattice konstrukcije Mikromehanika Zaključak

• rešetkaste konstrukcije – dobra otpornost na

oštećenja uz minimalnu masu konstrukcije

• WW2 Wellington

• kompozitne rešetkaste konstrukcije - FP7

WASIS projekt

• rešetkaste konstrukcije u svemirskim

konstrukcijama – rakete Titan, Atlas i Delta,

Minotaur I -IV

aerodamagelab.fsb.hr 5 I. Smojver, D. Ivančević: Kompozitne svemirske konstrukcije – aktivnosti i potencijali

•Collier Research HyperSizer •Abaqus/Standard

• primjer proračuna – aksijalno opterećenje panela:

Uvod Aerotermodinamika Lattice konstrukcije Mikromehanika Zaključak

Oplata Ukrute

Materijal IM7/8552 IM7/8552

Raspored slojeva u

oplati

[45/0/90/0/45] [45/0/45/0/90/0/45/0/45]

Dimenzije (presjek u

ravnini oplate)

1 x 1 m 0,00135 x (1 ili (L)) m

Dimenzije poprečnog

presjeka

1 x 0,00075 m 0,00135 x 0,01 m

aerodamagelab.fsb.hr 6 I. Smojver, D. Ivančević: Kompozitne svemirske konstrukcije – aktivnosti i potencijali

Uvod Aerotermodinamika Lattice konstrukcije Mikromehanika Zaključak

Program Sila popuštanja prema Tsai-Wu

kriteriju

Sila popuštanja prema Hashin

kriteriju

HyperSizer 352,1 kN/m (oplata i ukrute) 369,7 kN/m (matrica ukrute)

Abaqus/Standard 345,2 kN/m (oplata i ukrute) 362 kN/m (matrica ukrute, vlačno)

Razlika (Abq – HS /

Abq)

1,99 % 2,13 %

• usporedba Abaqus vs. HyperSizer:

7 I. Smojver, D. Ivančević: Kompozitne svemirske konstrukcije – aktivnosti i potencijali

aerodamagelab.fsb.hr

•primjer proračuna: opterećenje tlakom

Uvod Aerotermodinamika Lattice konstrukcije Mikromehanika Zaključak

aerodamagelab.fsb.hr 8 I. Smojver, D. Ivančević: Kompozitne svemirske konstrukcije – aktivnosti i potencijali

Uvod Aerotermodinamika Lattice konstrukcije Mikromehanika Zaključak

Popuštanje kompozitnih materijala :

• inženjerska praksa: jednostavni kriteriji popuštanja

• mehanizmi popuštanja kompozita ovise o

procesima unutar mikrostrukture heterogenog

materijala

• modeliranje procesa unutar strukture kompozita -

mikromehanika

• multiscale analize

Primjena:

• High Fidelity Generalized Method of Cells

(HFGMC) – mikromehanički model

• Abaqus/Explicit

• mikromehanički kriteriji popuštanja – na

razini konstituenata kompozitnih materijala

aerodamagelab.fsb.hr 9 I. Smojver, D. Ivančević: Kompozitne svemirske konstrukcije – aktivnosti i potencijali

HFGMC:

• diskretizacija jedinične ćelije sa Nβ x Nγ podćelija

• podćelije mogu biti “popunjene” materijalom

vlakna ili matrice

• prve primjene – kompozitni materijali sa metalnim

matricama (Metal Matrix Composites - MMC) - NASA

• prezentacija „Multiscale, Damage and Failure

Analysis in the Aeronautical Composite Structures" na

NASA Glenn Research Center

Uvod Aerotermodinamika Lattice konstrukcije Mikromehanika Zaključak

Modeliranje oštećenja kompozitnih materijala:

• kriteriji popuštanja na razini konstituenata

• modeli degradacije mehaničkih svojstava -

mehanika oštećenja kontinuuma

• višerazinske analize

aerodamagelab.fsb.hr 10 I. Smojver, D. Ivančević: Kompozitne svemirske konstrukcije – aktivnosti i potencijali

Višerazinske analize (multiscale analyses)

• Abaqus/Explicit –VUMAT potprogram za definiranje korisničkih konstitutivnih jednadžbi

• usporedba kriterija popuštanja

• maksimalne vrijednosti mikromehaničkih kriterija popuštanja unutar jedinične ćelije (40x40 HFGMC):

• kriteriji popuštanja definirani za kompozitni sloj:

Uvod Aerotermodinamika Lattice konstrukcije Mikromehanika Zaključak

3D Tsai-Hill MCT 3D Hashin

Puck (Mode A) Hashin (vlačno

popuštanje matrice) Tsai-Wu

aerodamagelab.fsb.hr 11 I. Smojver, D. Ivančević: Kompozitne svemirske konstrukcije – aktivnosti i potencijali

Mogućnost suradnje i istraživanja:

• kompoziti sa obnavljanjem mehaničkih svojstava Self-Healing Composite Materials

• 3D woven kompozitni materijali

• C/C – ugljik/ugljik kompozitni materijali

• MMC na povišenim temperaturama - termoelastičnost, termoplastičnost, zaostala naprezanja

Slika: Shematski prikaz principa kompozitnih materijala sa obnavljanjem mehaničkih svojstava

Slika: Realni primjer primjene šupljih staklenih vlakana na CFRP kompozite

Uvod Aerotermodinamika Lattice konstrukcije Mikromehanika Zaključak

aerodamagelab.fsb.hr 12 I. Smojver, D. Ivančević: Kompozitne svemirske konstrukcije – aktivnosti i potencijali

Hvala na pažnji!

divancevic@fsb.hr ismojver@fsb.hr

aerodamagelab.fsb.hr

aerodamagelab.fsb.hr 13

Uvod Aerotermodinamika Lattice konstrukcije Mikromehanika Zaključak

I. Smojver, D. Ivančević: Kompozitne svemirske konstrukcije – aktivnosti i potencijali