Geavanceerde composietproductie:basisprincipes voor straalbuigen

Voordat u naar materialen en instellingen gaat die de sterkte bepalen van een onderdeel dat is geproduceerd met ATL/ AFP en composieten, is het belangrijk om de fysica en theorie achter verschillende aspecten die van invloed zijn op de sterkte te begrijpen. In deze sectie behandelen we 3 concepten die de basis leggen voor sterke ATL/AFP-onderdelen.

Beam Bending Basics

ATL/AFP-onderdelen zijn zelden 100% koolstofvezel, omdat het gunstig is voor kosten- en materiaalbesparingen om alleen de secties te versterken die de meeste kracht ervaren. Dit is de reden waarom de meeste composietonderdelen meer als sandwiches zijn geconstrueerd, waarbij de buitenste secties het composietmateriaal zijn en de interne structuur de kern.

Het belangrijkste doel van de kern is om het onderdeel tot de gewenste dikte te vergroten, zonder het op te bouwen met dure koolstofvezel. Dus, draagt ​​de schaaldikte of kerndichtheid meer bij aan de sterkte van het onderdeel? Het antwoord komt voort uit de eenvoudige bundelbuigingstheorie.

De belangrijkste conclusie van de balkbuigingstheorie is dat de boven- en onderoppervlakken van een balk de meeste kracht ervaren wanneer ze worden gebogen, en we kunnen de sterkte van een balk optimaliseren voor zijn gewicht door alleen materiaal toe te voegen aan deze extremen, en met zo min mogelijk materiaal.

Stel dat we een eenvoudige balk hebben, zoals een brug, die aan beide zijden wordt ondersteund, en dat het gewicht gecentreerd is tussen de eindsteunen, zoals weergegeven in het volgende diagram.

Afbeelding 1:Een standaard laadgeval van een balk die op twee punten wordt ondersteund, met een gewicht in het midden

We kunnen dit model abstraheren naar de 3 contactpunten die de straal ervaart - één voor het gewicht en twee voor de steunen. Dit vormt een driehoek, zoals zo, waar de contactpunten de hoekpunten worden.

Afbeelding 2:Door de contactpunten te vereenvoudigen, ontstaat een driehoek waar kracht wordt uitgeoefend

Als het gewicht een kracht uitoefent op deze balk, stel je dan de krachten voor die zich samen met deze driehoekige structuur verdelen. De twee schuine segmenten worden samengedrukt en het horizontale segment wordt onder spanning belast.

Afbeelding 3:De krachten zijn verdeeld over de lengtes van de driehoek

De krachten zijn verdeeld over de lengtes van de driehoek. De grootte van de horizontale kracht hangt uiteindelijk af van de dikte van de balk. Naarmate de balk dikker wordt terwijl de belasting constant blijft, nemen de basishoeken van de driehoek toe, waardoor de resulterende horizontale kracht op de balk afneemt. Wanneer we de balk vergroten, zoals zo, kunnen we zien dat de hoek van de kracht die op de steunen wordt uitgeoefend, meer verticaal wordt:

Afbeelding 4:Naarmate de straal dikker wordt, wordt de driehoek groter. Dus de krachtverdeling verandert

Als deze hoeken groter worden, neemt de resulterende trekkracht af. Dit betekent dat een dikkere balk de buigtrekkracht van het gewicht veel gemakkelijker kan weerstaan ​​dan een dunnere balk. Het is logisch dat een dikkere balk meer gewicht kan dragen dan een dunnere, en deze theorie verklaart waarom.

Een gerelateerd aspect aan de balkbuigingstheorie beschrijft dat de grootste belastingen op een gebogen balk worden uitgeoefend aan de uiteinden. Een buigkracht die op een balk wordt uitgeoefend, wordt omgezet in trek- en drukkrachten aan weerszijden van wat de "neutrale as" wordt genoemd, het vlak in een balk waarop geen belasting wordt ervaren.

In dit geval wordt het materiaal onder de neutrale as onder trek belast en boven de neutrale as onder druk.

Afbeelding 5:Hoe verder weg van de neutrale as, hoe groter de resulterende kracht is

Deze informatie suggereert dat als een balk wordt geoptimaliseerd voor zijn sterkte en gewicht, het materiaal de grootste impact heeft op de boven- en onderkant van het deel, terwijl het midden relatief weinig afschuifkrachten verdraagt.

Vooral in ATL/AFP zijn trekbelastingen belangrijker en gemakkelijker te optimaliseren dan drukbelastingen, omdat elke vezellaag zich als een streng gedraagt ​​(hierover later meer).

Dit verklaart waarom cirkelvormige en kokervormige buizen, I-balken en T-balken zo gebruikelijk zijn in de constructie; ze besparen gewicht door alleen materiaal toe te voegen waar de hoogste spanningen worden ervaren. Een ronde buis kan belasting van alle kanten aan, want ongeacht waar de kracht wordt uitgeoefend, er zijn twee "oppervlakken" aan de uiteinden.

Een doos kan ladingen van vier kanten aan, omdat aan welke kant de lading ook wordt uitgeoefend, een andere kant klaar is om spanning te ervaren. Een I-balk is echter alleen in staat om extreme kracht van twee kanten aan te pakken, en op dezelfde manier is een T-balk alleen efficiënt wanneer hij van één kant wordt belast.

Afbeelding 6:Verschillende doorsneden van structurele liggers

De verschillende soorten liggers snijden materiaal in verschillende gebieden op basis van hoe ze verwachten te worden geladen. Dus als u denkt aan onderdelen bij het buigen, onthoud dan deze twee dingen:

• Een dikkere straal is sterker dan een dunnere straal

• Een balk bij het buigen ervaart de hoogste belastingen op zijn vlakken

Nu we de basisprincipes van balkbuigen hebben besproken, kan deze theorie verder worden ontwikkeld door kritische componenten te ontwerpen, zoals vliegtuigvleugels, scheepsmasten en zelfs autochassis. Zodra een stevige greep is gevestigd, zijn de mogelijkheden van composieten bijna eindeloos!

Over Addcomposites

Composieten toevoegen is de leverancier van het Automated Fiber Placement (AFP) systeem. Het AFP-systeem kan op maandelijkse basis worden gehuurd om te werken met thermoharders, thermoplasten, plaatsing van droge vezels of in combinatie met 3D-printers.