13
Multe repere din componența autovehiculelor de astăzi sunt realizate din materiale compozite. Materialele compozite din care se realizează aceste repere se aleg funcție de rolul pe care aceste componente îl au în ansamblul autovehiculului. La alegerea materialului utilizat pentru realizarea reperelor auto un rol important îl are și tehnologia de obținere a acestor componente. Reperele pot fi realizate din unul sau mai multe subansamble, din acelașii tip de material compozit, sau din materiale diferite, demontabile sau nedemontabile. - o față exterioară; - o ramă interioară. S-a optat pentru un model de portieră existent și din metal pentru a se putea face încercări comparative. Având în vedere rezultatele obținute în timpul încercărilor realizate pe epruvetele din diferite materiale compozite s-a stabilit ca fața exterioară a portierei să se realizeze din fibră de carbon, iar rama interioară din fibră de sticlă. În figura 5.1.3 este prezentat modelul 3D al feței exterioare a portiere. Modelarea s-a realizat folosind dimensiunile din desenul de execuție din figura 5.1.1. 1 În acestui proiect s-a optat pentru realizarea experimentală a unei portiere de autoturism. Varianta aleasă a fost o portieră dreapta față pentru un autoturism GOLF 3 în cinci uși. Pentru construirea portierei auto a fost nevoie de realizarea a două repere: 5.1. Realizarea unei fețe exterioare de portieră auto Prima fază în realizarea feței exterioare a portierei a constat în prelevarea dimensională a unei portiere de autoturism, de același tip, realizată din metal. Cu ajutorul acestor date s-a realizat un desen de execuție al acestei fețe de portieră, care va fi folosit și pentru realizarea modelului 3D al acestui reper. În figura 5.1.1 este ilustrat desenul realizat cu datele prelevate. În figura 5.1.2 se vede fața exterioară a portierei realizate din răsină epoxidică armată cu două straturi de țesătură din fibră de carbon și un strat din poliester, la interior.

proiect materiale compozite

Embed Size (px)

DESCRIPTION

proiect materiale compozite

Citation preview

  • Multe repere din componena autovehiculelor de astzi sunt realizate din materiale

    compozite. Materialele compozite din care se realizeaz aceste repere se aleg funcie de rolul pe

    care aceste componente l au n ansamblul autovehiculului. La alegerea materialului utilizat

    pentru realizarea reperelor auto un rol important l are i tehnologia de obinere a acestor

    componente. Reperele pot fi realizate din unul sau mai multe subansamble, din acelaii tip de

    material compozit, sau din materiale diferite, demontabile sau nedemontabile.

    - o fa exterioar;

    - o ram interioar.

    S-a optat pentru un model de portier existent i din metal pentru a se putea face ncercri

    comparative.

    Avnd n vedere rezultatele obinute n timpul ncercrilor realizate pe epruvetele din

    diferite materiale compozite s-a stabilit ca faa exterioar a portierei s se realizeze din fibr de

    carbon, iar rama interioar din fibr de sticl.

    n figura 5.1.3 este prezentat modelul 3D al feei exterioare a portiere. Modelarea s-a

    realizat folosind dimensiunile din desenul de execuie din figura 5.1.1.

    1

    n acestui proiect s-a optat pentru realizarea experimental a unei portiere de autoturism. Varianta aleas a fost o portier dreapta fa pentru un autoturism GOLF 3 n cinci

    ui. Pentru construirea portierei auto a fost nevoie de realizarea a dou repere:

    5.1. Realizarea unei fee exterioare de portier auto

    Prima faz n realizarea feei exterioare a portierei a constat n prelevarea dimensional a

    unei portiere de autoturism, de acelai tip, realizat din metal. Cu ajutorul acestor date s-a realizat

    un desen de execuie al acestei fee de portier, care va fi folosit i pentru realizarea modelului

    3D al acestui reper.

    n figura 5.1.1 este ilustrat desenul realizat cu datele prelevate. n figura 5.1.2 se vede faa

    exterioar a portierei realizate din rsin epoxidic armat cu dou straturi de estur din fibr de

    carbon i un strat din poliester, la interior.

    [email protected] textCrearea unei portiere din materiale compozite

  • Figura 5.1.1. Desenul feei exterioare a portierei auto

    Figura 5.1.2. Faa portierei realizat din fibre de carbon

    Figura 5.1.8. Modelul 3D al feei exterioare a portierei auto

    2

  • 5.2. Realizarea unei rame interioare de portiera auto

    Execuia ramei interioare a portierei auto a nceput tot cu o aciune de prelevare

    dimensional a portierei auto metalice. Cu ajutorul acestor date s-a realizat un desen de execuie

    al ramei interioare a portierei, care va servi i pentru realizarea modelului 3D al acestui reper.

    Desenul realizat cu datele prelevate este prezentat n figura 5.2.1. n figura 5.2.2 se vede

    rama interioar a portierei realizate din rsin poliesteric armat cu dou straturi de mpslitur

    din fibr de sticl.

    Figura 5.2.1. Desenul ramei interioare a portierei auto

    Figura 5.2.2. Rama interioar a portierei realizat din fibr de sticl

    Modelul 3D al ramei interioare a portierei, realizat pe baza desenului de execuie din

    figura 5.2.1, este prezentat n figura 5.2.3.

    3

  • Figura 5.2.10. Modelul 3D al feei exterioare a portierei auto

    5.3. Realizarea unei portiere auto

    Portiera realizat din materiale compozite trebuie s fie conform desenului de ansamblu

    realizat, cu datele prelevate de la portiera din metal. Ansamblul portierei este realizat prin

    montarea mpreun a feei exterioare a portierei i a ramei interioare a portierei. Desenul de

    ansamblu este prezentat n figura 5.3.1.

    Figura 5.3.1. Desenul de ansamblu al portierei realizat din materiale compozite

    Rama interioar i faa exterioar s-au fixat una de cealalt pentru a forma portiera

    autoturismului cu ajutorul unor uruburi, de M4, pe intreg conturul, pentru a permite montarea i

    demontarea de cte ori va fi nevoie n timpul probelor pe stand. Portiera realizat nu se va monta

    pe un autoturism, ci va fi montata pe un stand, unde va fi supus unor probe de rezisten la

    deformaii, comparativ cu o portier de acelai tip, dar realizat din tabl de oel.

    4

  • Portierei din materiale compozite i s-au montat bara antimpnare, o pereche de balamale

    i un mecanism de inchidere, identice cu cele ale variantei din tabl de oel.

    n figura 5.3.2 se vede portiera realizat din materiale compozite, dup asamblare i

    vopsire cu alb mat a feei exterioare.

    Figura 5.3.4. Portiera montat

    Figura 5.3.3 prezint modelul 3D al portierei, ce a fost realizat pornind de la desenul de

    execuie din figura 5.3.1.

    Figura 5.3.3. Modelul 3D al portierei auto

    5

  • 6.1. Modelarea matematica a structurii auto

    Modelele 3D realizate ale elementelor portierei au servit pentru realizarea analizei cu

    element finit. Metoda Elementului Finit (MEF): este o metod numeric de determinare a unor

    soluii aproximative la probleme de condiii la limit. Folosete metode variaionale de

    minimizare a funciei eroare i de obinere a unei soluii stabile.

    Condiia la Limit (Boundary Condition) este o ecuaie diferenial care mpreun cu un

    set de condiii suplimentare definete matematic un sistem fizic. Soluia acestei ecuaii este i

    soluia problemei definite prin condiiile de limit.

    Metoda elementelor finite s-a dezvoltat foarte mult odat cu apariia i perfecionarea

    calculatoarelor electronice, n ultimii ani reuindu-se dezvoltarea unor sisteme mecanice

    complete exclusiv virtual.

    Analiza modal este studiul caracterului dinamic al unui sistem mecanic, definit

    independent de ncrcarea extern aplicat i de rspunsul sistemului.

    Mod Propriu (al unui sistem dinamic) este un model de micare al tuturor componentelor

    unui sistem, micarea se realizeaz n faz i la aceeai frecven.

    Pentru discretizarea modelului CAD s-a folosit suita software Hyperworks / Hypermesh.

    n urma analizei fcute s-au determinat zece Moduri Proprii. n figura 6.1.1 este

    reprezentarea grafic pentru Modul 10, la frecvena de 152.01Hz.

    Figura 6.1.1 Reprezentarea Modului 10

    6

    [email protected] textTestarea portierei create din materiale compozite

  • 6.2. Realizare stand de ncercare a structurii auto

    Cercetarea experimental a portierei auto construit, din materiale compozite, se poate

    realiza cu ajutorul unui stand. Standul trebuie s reproduc, ct mai fidel, modul de fixare a

    portierei pe autoturism. Din acest motiv, pentru realizarea standului s-a folosit o caroserie, a unui

    autoturism Volkswagen Golf 3, n cinci ui, pe care portiera realizat din materiale compozite s

    se poat monta. Pe caroserie nu sunt montate portierele, capota, hayonul spate, prbrizul.

    Caroseria nu dispune de sistemul de suspensie, direcie sau grupul de for.

    Standul a fost realizat pe platforma metalic a Laboratorului de ncercri din cadrul

    INSTITUTULUI DE AUTOVEHICULE RUTIERE INAR Braov. Pentru ca portiera s se poat

    monta exact ca pe autoturism, pe caroserie s-au pstrat garnitura de etanare a portierei

    (chederul), balamalele portierei, sistemul de zvorre al acesteia.

    Pe stand portierele, att cea metalic, dar i cea din materiale compozite au fost solicitate

    static i dinamic. Schema de principiu a standului este prezentat n figura 6.2.2.

    Figura 6.2.2. Schema dispozitivului de ncrcare static

    1. Platform metalic; 2. Caroserie de autoturism; 3. Montant; 4. Suport mecanism de ncrcare; 5. Piuli; 6. Tij mecanism de ncrcare; 7. Traductor de for; 8. Portier. 9. Difuzor fr membran; 10. Sonometru; 11. Camere ale sistemului VIC; 12. Trepied; 13. Unitate de calcul.

    2

    3

    4

    5 6 7

    1

    8 11

    13

    12 10 9

    7

  • Pentru monitorizarea suprafeei din structura portierei supus solicitrilor, s-a utilizat

    Metoda Corelrii Digitale a Imaginilor VIC (Video Image Correlation), prin utilizarea

    sistemului produs de compania ISI-Sys GmbH, Kassel, Germania (11).

    Pentru aceast ncercare, portierele auto, att cea metalic, ct i cea din materiale

    compozite au fost acoperite, pe faa exterioar, cu un strat de vopsea alb mat. Peste acest strat de

    vopsea alb, n zona monitorizat, se vor aplica, prin pulverizare, pete cu dimensiuni, form i

    distribuie aleatoare, care vor asigura un bun contrast i o identificare ulterioar uoar pentru

    camarele sistemului VIC.

    Pentru nregistrarea comportamentului portierei n regim dinamic se utilizeaz un

    sonometru.

    6.3. Funcionarea standului de solicitare a portierei

    Pe caroseria de autoturism, fixat pe platforma laboratorului, se vor monta, pe rnd,

    portiera din metal i cea din materiale compozite pentru a fi solicitate att static, ct i dinamic.

    Pentru monitorizarea suprafeei portierei supus solicitrii statice, se utilizeaz Metoda

    Corelrii Digitale a Imaginilor VIC (Video Image Correlation). care permite efectuarea unor

    investigaii experimentale de mare precizie (de ordinul micronilor, m). Aceasta este o metod

    optic de investigaie, fr contact direct cu suprafaa piesei analizate i nu este dependent nici

    de materialul acesteia. Nu intervine n procesul intim al modificrii cmpului de deplasri i de

    deformaii al structurii sub aciunea unor factori de influen externi, la care piesa ar fi supus

    sau interni.

    Aplicarea acestei metode a fost posibil prin utilizarea sistemului produs de compania

    ISI-Sys GmbH, Kassel, Germania [124,125] i un soft-ware de la Correlated Solutions, USA

    [94].

    Metoda se bazeaz pe utilizarea a dou camere video, aflate la o distan una de cealalt,

    ale cror imagini nregistrate simultan ofer o imagine spaial a obiectului analizat, asemntor

    ochiului uman.

    Prile principale ale sistemul VIC-3D sunt:

    - dou camere video de nalt rezoluie;

    - un trepied rigid

    - o unitate de calcul.

    Cele dou camere (1) sunt dispuse pe travers (2) astfel, nct s vad obiectul analizat

    sub aceleai unghiuri, dispuse simetric (figura 6.3.1). Obiectul analizat este vopsit cu pete de

    8

  • dimensiuni, form i distribuie aleatoare, care pe fundalul alb al suprafeei portierei, vor asigura

    un bun contrast i o identificare ulterioar uoar ale acestora.

    Mecanismul de solicitare static a portierei funcioneaz pe principiul urubului-piuli.

    Astfel, rotind piulia (5) din figura 6.2.2, se produce o deplasare orizontal a tijei mecanismului

    (6), care, la rndul ei solicit portiera, prin intermediul traductorului de for (8). n timp ce

    traductorul de for nregistreaz fora de apsare sau de tragere aplicat pe faa portierei,

    sistemul VIC nregistreaz deformaiile care apar pe suprafaa acesteia.

    Figura 6.3.1. Elementele de baz ale sistemului VIC-3D

    Pentru analizarea comportrii portierelor n timpul solicitrilor dinamice, pe acestea se va

    monta, cu ajutorul dispozitivului realizat, difuzorul fr membran. Acesta este alimentat, prin

    intermediul unui amplificator, de un generator de semnal, ai crui parametri sunt controlai. cu

    ajutorul unui sonometru, amplasat n dreptul portierei, se va nregistra reacia acesteia.

    6.4. Cercetare experimentala a unei structuri clasice din metal

    Pentru portiera metalic s-au fcut nregistrri pentru 12 frecvene diferite de solicitare.

    Frecvenele utilizate la solictarea portierei au fost: 80Hz, 90Hz, 100Hz, 115Hz, 130Hz, 160Hz,

    170Hz, 200Hz, 250Hz, 360Hz, 500Hz i 600Hz.

    1

    4 3

    2

    1. Camer video de nalt rezoluie; 2. Suport; 3. Trepied; 4. Lamp LED.

    9

  • Pentru fiecare frecven, cu ajutorul sonometrului s-au realizat cte dou grafice, unul de

    nivel de zgomot i cellalt pentru spectru de frecvene.

    Prima frecven de solicitare a portierei metalice a fost de 80 Hz. nregistrrile grafice

    pentru nivelul de zgomot pentru aceast frecven se gseste n figura 6.4.1.

    #1 Leq 1s A dB dBTHU 07/11/13 08h24m07 50.4 THU 07/11/13 08h24m27 49.9

    Spectrum

    40

    42

    44

    46

    48

    50

    52

    54

    56

    58

    60

    24m10 24m20 24m30 24m40 24m50 25m00 Figura 6.4.1. Nivelul de zgomot pentru frecvena de 80 Hz

    In figura 6.4.2 este ilustrat spectrul de frecvene pe care-l dezvolt faa exterioar a

    portierei.

    #1 Hz;(dB[2.000e-05 Pa], PWR) 80 71.3 160 51.3

    0

    10

    20

    30

    40

    50

    60

    70

    80

    16 31.5 63 125 250 500 1 k 2 k 4 k 8 k 16 k Figura 6.4.2. Spectrul pentru frecvena de 80 Hz

    Astfel de grafice s-au realizat i pentru celelalte frecvene analizate.

    Deformrile panoului portierei metalice, solicitat static au fost puse n eviden cu

    ajutorul sistemului VIC-3D. O astfel de nregistrare este ilustrat n figura 6.4.3.

    10

  • Figura 6.4.3. O imagine 3D a deformaiei panoului portierei metalice, la apsare

    n rezumat, din lips de spaiu nu se pot prezenta toate registrrile realizate.

    6.5.Cercetare experimentala a unei structuri realizate din materiale compozite

    Pentru portiera din materiale compozite s-au fcut nregistrri pentru 8 frecvene diferite

    de solicitare. Frecvenele utilizate la solictarea portierei au fost: 80Hz, 100Hz, 130Hz, 160Hz,

    200Hz, 250Hz, 500Hz i 600Hz.

    i n acest caz, pentru fiecare frecven s-au realizat cte dou grafice, unul de nivel de

    zgomot i cellalt pentru spectru de frecvene.

    Prima frecven de solicitare a portierei metalice a fost tot de 80 Hz. nregistrrile grafice

    pentru nivelul de zgomot pentru aceast frecven se gseste n figura 6.5.1. Astfel de grafice s-

    au realizat i pentru celelalte frecvene analizate.

    #1 Leq 1s A dB dBTHU 07/11/13 03h36m14 53.5 THU 07/11/13 03h36m17 50.0

    Spectrum

    47

    48

    49

    50

    51

    52

    53

    54

    55

    56

    57

    58

    59

    60

    36m10 36m20 36m30 36m40 36m50 37m00 Figura 6.5.1. Nivelul de zgomot pentru frecvena de 80 Hz

    Deformrile panoului portierei din maeriale compozite, solicitat static au fost puse n

    eviden cu ajutorul sistemului VIC-3D. O astfel de nregistrare este ilustrat n figura 6.5.3.

    11

  • #1 Hz;(dB[2.000e-05 Pa], PWR) 80 71.5 160 55.9

    0

    10

    20

    30

    40

    50

    60

    70

    80

    16 31.5 63 125 250 500 1 k 2 k 4 k 8 k 16 k Figura 6.5.2. Spectrul pentru frecvena de 80 Hz

    Figura 6.5.3. O imagine 3D a deformaiei panoului portierei din compozite, la apsare

    6.6. Optimizarea structurii realizate din materiale compozit

    Analiznd modurile de vibraie ale structurii s-a ajuns la concluzia c suprafaa feei

    exterioare se poate rigidiza prin realizarea unui cheson, pe interior, din materiale compozite, ca

    n figura 6.6.1. Chesonul se poate realiza cu ajutorul unui reper ondulat, din fibr de sticl, lipit

    pe partea interioar a feei portierei, peste care se mai lipete nc un strat neted de fibr de sticl.

    Figura 6.6.1. Chesonul realizat din materiale compozite

    12

  • 6.7. Evaluarea comparativ a componentelor din materiale clasice i compozite

    Se constat c deformaiile suferite de portiera din materiale compozite au valori

    apropiate cu cele nregistrate pentru portiera metalic.

    Pentru deformarea portierei din metal a fost nevoie de fore mult mai mari, de ordinul sutelor de

    Newtoni. Pentru portiera realizat din materiale compozite, forele de solicitare au fost doar de

    ordinul zecilor de Newtoni. De aici se poate trage concluzia c portiera din materiale compozite

    are o rigiditate mai mic dect portiera din metal

    6.8. Concluzii

    Portiera din materiale compozite prezint o rigiditate mai mare dect portiera metalic.

    Realizarea unei structuri ntrite, nchise, similare unui cheson, crete rigiditatea reperului

    solicitat. Dup cum s-a constatat n urma ncercrilor de anduran, efectuate pe epruvete,

    datorit depformaiilor la care sunt supuse componentele realizate din materiale compozite, n

    rin ncep s apar microfisuri, chiar dac solicitrile sunt n domeniul elastic al materialului.

    Dac sarcinile care solicit aceste repere nu depesc valorile admisibile, piesele se vor deteriora

    mai rapid dect cele metalice. Piesele nu se vor rupe brusc, ci vor ceda treptat, diminundu-i

    proprietile n timpul exploatrii. Din momentul apariiei microfisurilor n rin, piesele

    realizate din materiale compozite devin vulnerabile n faa condiiilor meteorologice.

    13