Dylanwad dilyniant llwytho ar briodweddau hyblyg polymer laminad wedi'u hatgyfnerthu gyda ffeibr carbon hybrid

Tachwedd 2024

Yn ddiweddar fe wnaeth ymchwilwyr peirianneg yng Nghyfadran y Celfyddydau, Cyfrifiaduron a Pheirianneg, Dr Shafiul Monir, Maria Kochneva, Professor Richard Day, Dr Nataliia Luhyna a Dr Yuriy Vagapov, ysgrifennu papur ar y cyd ar Ddylanwad dilyniant llwytho ar briodweddau hyblyg polymer laminad wedi'u hatgyfnerthu gyda ffeibr carbon hybrid, ynghyd â Dirk Banhart. Cafodd y papur ei gyhoeddi yn y cyfnodolyn Engineering Research Express, cyfnodolyn amlddisgyblaethol sy'n cwmpasu pob maes o fewn gwyddor peirianneg.

Roedd yr astudiaeth yn archwilio traweffaith dilyniant llwytho ac amrywiad ffeibr ar briodweddau hyblyg polymer laminad wedi'i atgyfnerthu gyda ffibr carbon (CFRP) gan ddefnyddio dulliau rhifyddol a dulliau aml brofi. Mae'r papur yn darparu trosolwg o'r ymchwiliad rhifyddol.

Polymerau wedi'u hatgyfnerthu gyda ffeibr carbon (CFRPau)

Mae'r awduron yn darlunio'r sefyllfa lle mae'r diwydiant ffeibr carbon yn mynd trwy gyfnod o dwf cyflym ar hyn o bryd a hynny o ran ei boblogrwydd ac o safbwynt economaidd. 

Mae CFRPau yn ddeunyddiau cyfansawdd sydd wedi'u gwneud o ffeibrau carbon a matrics polymer. Mae gan CFRP gyfradd uchel o ran cryfder i bwysau, maent yn gallu gwrthsefyll ffactorau amgylcheddol, ac mae ganddynt lefelau isel o ddargludedd thermol ac ehangiad. O ganlyniad mae CFRPau yn cael eu defnyddio'n gynyddol mewn peirianneg awyrofod, modurol a sifil. Mae gan briodweddau CFRP nifer o fanteision gan gynnwys y gallu i leihau pwysau awyrennau sydd wedi eu gwneud o ddeunyddiau cyfansawdd, sydd yn ei dro, yn gallu lleihau faint o danwydd a ddefnyddir o oddeutu 25%.
Mae'n bosib bod gan drawstiau strwythurol CFRP hefyd sawl cymhwysiad o ran y gallu i ddal llwyth pwysau uchel tra'n bod yn pwyso prin ddim eu hunain. Dylanwadir ar berfformiad gweithredol cydrannau CFRP gan eu cyfluniad geometregol a phriodweddau'r deunydd cyfansawdd. Mae'r prif ffactorau sy'n gallu effeithio ar briodweddau mecanyddol y cydrannau hyn yn cynnwys:

• Y math o ffeibr carbon a ddefnyddir
• Deunydd matrics yn y cyfansoddyn
• Ffracsiwn y ffeibr i'r deunydd matrics
• Dilyniant llwytho'r deunydd 

Bydd y cyfuniad a'r trefniant penodol o'r ffactorau hyn yn penderfynu pa mor dda mae cydran CFRP yn gweithio o fewn ei gymhwysiad bwriadedig. 

Mae dadansoddi a gwella nodweddion hyblyg deunyddiau cyfansawdd a laminadau CFRP yn faes ymchwil poblogaidd ac mae'r papur yn darparu trosolwg o'r ymchwil presennol ar nodweddion hyblyg trawstiau laminad cyfansawdd, sydd yn canolbwyntio'n bennaf ar gynyddu dilyniannau a gwella priodweddau deunyddiau gan ddefnyddio profion tri phwynt er mwyn dilysu'r canlyniadau. 
Eglura'r awduron bod eu gwaith ymchwil yn darparu dadansoddiad o draweffaith dilyniant llwytho a'r amrywiad o ran ffeibr yn y pentwr ar briodweddau hyblyg laminadau cyfansawdd CFRP gan ddefnyddio trawstiau plygu cantilefer a phrofion hyblygrwydd tri phwynt. Defnyddiwyd Dulliau Elfen Benodol sydd ymhlyg (sy'n berthnasol ar gyfer dadansoddiad sefydlog a lled-sefydlog) er mwyn cynnal yr ymchwiliad rhifyddol.

Yn ogystal â gwella traweffaith hyblygrwydd drwy'r dilyniant llwytho, mae'r ymchwil hefyd yn anelu at atgyfnerthu pentyrrau sy'n dueddol o fethu drwy gyfnewid y prepreg ffeibr carbon. Byddai atgyfnerthu yn arwain at fwy o effeithlonrwydd economaidd drwy ddefnyddio'r prepreg ffeibr carbon mwy costus o fewn y pentyrrau sy'n dueddol o fethu, yn hytrach na gorfod cynhyrchu'r laminad cyfan yn y cynnyrch mwy costus. 

Gosodiadau Profion Hyblygrwydd

Mae dau osodiad hyblyg rhifyddol wedi'u datblygu er mwyn ymchwilio i briodweddau'r deunydd:

• Y prawf plygu cantilefer
• Y prawf hyblygrwydd tri phwynt

Rhestrir y prif ddimensiynau a phriodweddau'r deunydd o fewn y papur.

Hafaliadau Llywodraethol

Defnyddiodd yr astudiaeth nifer o hafaliadau llywodraethol er mwyn cyfrifo priodweddau'r cyfansoddyn amlhaenog orthotropig i'r un cyfeiriad, ac mae'r cyfan wedi'u cynnwys o fewn y papur:

Rheol Voigt o gysylltiadau cymysgedd a Hashin 

Rhoddir manylion am y rheol Voigt syml ar gyfer cymysgedd ei defnyddio er mwyn penderfynu ar ddwysedd y deunydd cyfansawdd a'r hafaliadau a ddefnyddir i sicrhau'r modwlws tryloyw G23 yn y pen draw.

Damcaniaeth Laminadu Glasurol (CLT)

Caiff CLT ei rhoi ar waith er mwyn darogan ymddygiad mecanyddol deunyddiau cyfansawdd sy'n dal pwysau, gyda thybiaethau penodol yn cael eu gwneud er mwyn symleiddio'r broblem. Mae'r enghreifftiau o ragdybiaethau a ddefnyddir yn yr astudiaeth yn cynnwys (ond heb fod yn gyfyngedig i):

• Mae'r trawst wedi'i wneud o bentyrrau orthotropig sydd wedi eu cadw at ei gilydd gydag echelau deunydd egwyddor pentyrrau orthotropig sydd wedi'u halinio ar onglau gormesol mewn perthynas ag echelau X ac Y
• Trwch y T y trawst yn sylweddol llai nag unrhyw ddimensiwn nodweddiadol
• Mae dadleoliadau u, v, ac w yn ddibwys mewn perthynas â thrwch T

Mae CLT wedi galluogi i gyfradd gwyro'r trawst a phwysau amlhaenog trawst cantilefer sy'n dal llwyth gael ei bennu a'r hafaliadau dilynol gael eu cymhwyso er mwyn caniatáu i amcangyfrif o faint mae blaen y trawst yn ei wyro gael ei osod allan.

Meini Prawf Methiant Puck

Mae meini prawf methiant Puck yn cael eu defnyddio'n helaeth er mwyn asesu moddau methu o fewn CFRP, gan ystyried pwysau hydwyth, cywasgedig, a thryloyw. Darperir hafaliadau penodol ar gyfer methiant ffeibr a matrics o fewn yr astudiaeth. 

Priodweddau Deunydd Laminad CFRP

Defnyddiwyd ffeibrau Toray T300 a T1100G yn yr ymchwil ac mae priodweddau'r deunyddiau wedi'u crynhoi, gan gynnwys priodweddau deunydd cyfansawdd orthotropig y ddau laminad CFRP.

Defnyddiwyd rhaglenni profi cynhwysfawr er mwyn adnabod paramedrau meini prawf methiant Puck ar gyfer CFRP a chafodd efelychiadau rhifyddol FEM eu cynnal, gan gynnwys:

Y prawf plygu cantilefer

Roedd hwn yn gweithredu fel achos dilysu mewn cyfuniad gyda chyfrifiadau CLT er mwyn cael cymhariaeth. Arweiniodd y rhwyll prawf plygu cantilefer a gynhyrchwyd at werthoedd dangosyddion ansawdd rhwyllau cyffrous (safon yr elfen, gwyrgamedd a meinhad cymhareb) oedd yn mynd y tu hwnt i'r argymhellion.

Y prawf hyblygrwydd tri phwynt

Roedd y prif efelychiadau i gyd yn defnyddio'r prawf hyblygrwydd tri phwynt, gyda dangosyddion ansawdd yn cael eu gostwng oherwydd y trwyn llwytho a'r dull o gefnogi, roedd y gwerthoedd yn parhau i gael eu hystyried i fod yn rhagorol. Gwnaed addasiadau yn y man yn seiliedig ar y prawf hwn gan gynnwys addasiadau i'r sampl prawf; cafodd llwythi ychwanegol eu cymhwyso ac ymchwiliwyd i laminadau hybrid.

Canlyniadau a Thrafodaeth

Ystyrir bod canlyniadau'r ymchwiliadau FEM rhifyddol yn foddhaol, gyda'r cyfyngiadau yn nifer yr elfennau a'r nodau yn cael eu hystyried ochr yn ochr ag amhariad cefnogaeth sefydlog yn yr achos dilysu'r prawf plygu cantilefer.

Y Prawf Plygu Cantilefer - Achos Dilysu

Dangosodd yr achos dilysu gydberthyniad cryf rhwng CLT a chanlyniadau dadansoddiad elfen benodol (FEA), gan gadarnhau dibynadwyedd y dulliau rhifyddol a ddefnyddiwyd. Mae'r cydberthyniad rhwng gwyriad brig y traws a'r pwysau amlhaenog yn yr achos dilysu wedi eu dogfennu, ac yn nodi bod y pwysau amlhaenog yn gymesur o ran maint.

Dilyniant Llwytho

Nid yw'r pwysau hydwyth a chywasgedig yn ystod y profion hyblyg tri phwynt yn gymesur ac o ganlyniad ceir pwysau amlhaenog gwahaniaethol. Darperir dadansoddiad o bwynt gwyro, pwysau amlhaenog a sbesimen prawf Puck IRF o T300 gyda gwahanol ddilyniannau llwytho o dan bwysau o 250 N yn y papur. Ymysg y dilyniannau llwytho a brofwyd, roedd QISS-7 yn arddangos perfformiad rhagorach gyda llai o wyro a'r gallu i wrthsefyll methiant amlhaenog yn well.

Laminad CFRP T300 a aT1100G

Datgelodd cymariaethau rhwng laminadau T300 a T1100 (o dan lwyth amrywiol N) bod T1100G yn arddangos gwyriad is o dan lwyth, gan ddynodi gwell perfformiad. Mae'r gwyriad a'r pwysau arferol yn erbyn hyd y crymedd wedi eu dogfennu.

Laminad CFRP Hybrid T300 + T1100G

Cafodd gwyriad a phwysau arferol hyd y sbesimen prawf hybrid T300 a T1100G (gyda dilyniant llwytho o dan amrywiol lwyth QISS-7) eu cymharu gyda'r sbesimen prawf 'pur' T1100G. Mae'r awduron yn manylu bod "cyfnewid pentwr allanol laminad cyfansawdd T300 gyda'r prepreg T1100G wedi arwain ato'n ymddwyn fel laminad cyfansawdd T1100G pur wrth gymhwyso trawst. Mae'r dull hwn wedi lleihau cost y trawst cyfansawdd yn sylweddol," gan ddangos bod modd bod yn gost-effeithiol heb gyfaddawdu ar y gallu i berfformio.

Casgliadau

Daeth yr astudiaeth i'r casgliad y gall dilyniannau llwytho ar eu gorau a deunydd strategol wella perfformiad laminadau CFRP a lleihau costau yn sylweddol. Dangoswyd mai'r dilyniant llwytho lled-isotropig [0/90+45/-45]s oedd y mwyaf addas ar gyfer gosod trawst. Fe wnaeth cyfnewid pentyrrau allanol o laminad cyfansawdd gyda deunydd amlhaenog cryfach roi canlyniadau tebyg (o ran gwyriad a methiant y deunydd amlhaenog) o'i gymharu gyda laminadau cyfansawdd 'pur'. 
Cafwyd argymhellion ar gyfer gwaith ymchwil yn y dyfodol, gan gynnwys archwilio laminadau cyfansawdd hybrid gyda gwahanol gyfuniadau o ddeunyddiau ffeibr a geometregau trawst mwy cymhleth.

Gallwch ddarllen y papur yn llawn yma..