Process induced distortions of composite structures
Authors: Τραϊφόρος Νεοκλής 
Published: September 2023

Ένα σημαντικό πρόβλημα που προκύπτει κατά τη διαδικασία παραγωγής εξαρτημάτων από σύνθετα υλικά είναι η παραμόρφωση του σχήματός τους από την ονομαστική τους γεωμετρία. Σε αυτή την έρευνα εξετάζεται πειραματικά και αριθμητικά, η επίδραση της αλληλουχίας διαστρωμάτωσης, του πάχους της κατασκευής, του υλικού των καλουπιών και του θερμικού κύκλου σκλήρυνσης της ρητίνης στην παραμόρφωση δοκιμίων σχήματος L από σύνθετα υλικά που προκαλείται κατά την κατασκευή τους. Τα δοκίμια κατασκευάστηκαν μέσω διάχυσης ρητίνης υπό κενό και υψηλή θερμοκρασία (Vacuum Assisted Resin Transfer Molding (VARTM)). Ο τύπος της θερμοσκληρυνόμενης ρητίνης που χρησιμοποιήθηκε είναι το EPIKOTE System 600 και οι ίνες IMS65. Η παραμόρφωση των δοκιμίων μετρήθηκε με έναν τρισδιάστατο σαρωτή και μια μηχανή μέτρησης συντεταγμένων (CMM). Αναπτύχθηκε λογισμικό για την προσομοίωση του πειράματος το οποίο λαμβάνει υπόψιν τα θερμικά, χημικά και μηχανικά φαινόμενα που λαμβάνουν χώρα κατά τον θερμικό κύκλο σκλήρυνσης της ρητίνης. Το λογισμικό απαρτίζεται από δύο μέρη. Το πρώτο μέρος λαμβάνει υπόψιν τα θερμικά και χημικά φαινόμενα και υπολογίζει ανά πάσα στιγμή την κατανομή θερμοκρασίας σε όλη τη κατασκευή. Αυτή η κατανομή μπορεί στη συνέχεια να χρησιμοποιηθεί ως είσοδος στο δεύτερο τμήμα του λογισμικού, έτσι ώστε να υπολογιστεί η τάση του υλικού σε κάθε χρονική στιγμή του θερμικού κύκλου σκλήρυνσης της ρητίνης. Για τoν υπολογισμό των τάσεων του υλικού αναπτύχθηκαν δύο μοντέλα υλικών. Το πρώτο κάνει χρήση της καταστατικής εξίσωσης ενός τροποποιημένου μοντέλο υλικού γνωστού ως Cure Hardening Instantaneously Linear Elastic (CHILE) και το δεύτερο μοντέλο της καταστατικής εξίσωσης ενός γραμμικού ιξωδοελαστικού υλικού. Η μοντελοποίηση σε κάθε περίπτωση ξεκινάει από το σημείο υαλώδους μετάπτωσης του υλικού και υλοποιείται με τη χρήση του λογισμικού ανάλυσης πεπερασμένων στοιχείων ABAQUS. Επιπλέον διερευνήθηκε η επίδραση διαφόρων οριακών συνθηκών (BCs) στα αποτελέσματα της προσομοίωσης. Τα αποτελέσματα της προσομοίωσης συγκρίθηκαν τόσο με τα πειραματικά αποτελέσματα όσο και με τα αποτελέσματα ενός αναλυτικού μοντέλου. Η παραμόρφωση των δοκιμίων που προβλέφθηκε με την χρήση του μοντέλου υλικού CHILE ήταν υψηλότερη από αυτή με την χρήση του ιξωδοελαστικού μοντέλου υλικού. Το υλικό των καλουπιών επηρεάζει σημαντικά την παραμόρφωση των δοκιμίων και θα πρέπει να χρησιμοποιούνται οριακές συνθήκες επαφής/τριβής για την ακριβή πρόβλεψη του σχήματος του δοκιμίου. Οι συμμετρικές διαστρωματώσεις αποτελούμενες από πολλές στρώσεις συμβάλλουν στη μείωση της παραμόρφωσης των δοκιμίων, ενώ οι υψηλές θερμοκρασίες του κύκλου σκλήρυνσης της ρητίνης επηρεάζουν ελαφρώς το επίπεδο παραμόρφωσης των δοκιμίων. Το λογισμικό που αναπτύχθηκε εφαρμόστηκε επίσης για την πρόβλεψη των παραμορφώσεων ενός πλαισίου που ανήκει στη περιβάλλων δομή της πόρτας του αεροσκάφους A350. Τα υλικά και η διαδικασία κατασκευής αυτού του εξαρτήματος είναι τα ίδια με εκείνα των δοκιμίων σχήματος L που μελετήθηκαν στο εργαστήριο. Η γεωμετρία του πλαισίου που κατασκευάστηκε αφού μετρήθηκε με την χρήση τρισδιάστατου σαρωτή συγκρίθηκε με τα αποτελέσματα της προσομοίωσης με την χρήση των δύο μοντέλων υλικού (CHILE και ιξωδοελαστικό μοντέλο υλικού). Διαπιστώθηκε ότι η κατασκευή του προϊόντος χωρίς κανένα μηχανισμό άμβλυνσης των κατασκευαστικών παραμορφώσεων θα παράγει ένα εξάρτημα που δεν πληροί τις προδιαγραφές κατασκευής του. Επιπλέον, μια προσέγγιση άμβλυνσης των κατασκευαστικών παραμορφώσεων μέσω αντιστάθμισης τους στην γεωμετρία του καλουπιού η οποία όμως βασίζεται στο σχήμα του εξαρτήματος μετά το ξεκαλούπωμα θα παράγει ανακριβή αποτελέσματα, καθώς οι μηχανουργικές εργασίες που ακολουθούν την κατασκευή απελευθερώνουν τάσεις και επηρεάζουν το πεδίο παραμόρφωσης του εξαρτήματος. Τέλος, αναπτύχθηκε λογισμικό για την αυτοματοποίηση της διαδικασίας κατοπτρισμού των υπολογισμένων παραμορφώσεων σε περιβάλλον προεπεξεργασίας πεπερασμένων στοιχείων.