Příklady použití

Využití kompozitních materiálů
v leteckém průmyslu
Tato prezentace je spolufinancována Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky
Využití kompozitních materiálů v leteckém
průmyslu
Výzkumný a zkušební letecký ústav, a.s.
útvar Kompozitní technologie
Beranových 130
199 05 Praha - Letňany
Vilém Pompe
Výzkumný a zkušební letecký ústav, a.s.
Obsah přednášky
Specifické vlastnosti leteckých konstrukcí
Co je to kompozitní materiál
Příklady použití
Kdy se rozhodnout pro kompozitní
konstrukci
Postřehy z praxe
Specifické vlastnosti leteckých
konstrukcí
• Létání je o rovnováze sil
• Minimální hmotnost = minimální síly
• Minimální síly na rychlosti letu = minimální spotřeba energie
• Minimální spotřeba energie = úspora hmotnosti
• ... a tak stále dokola
L
N ⋅η p = T ⋅ v
( )
D = f Ln
T
D
G
Specifické vlastnosti leteckých
konstrukcí
Specifické vlastnosti leteckých
konstrukcí
Použití kompozitů v letecké konstrukci
není samoúčelné – je jednou z možností
jak pozměnit návrhové parametry
konstrukce
Specifické vlastnosti leteckých
konstrukcí
Celá historie letectví je vlastně o:
Pochopení principu vzniku vztlaku (aerostatické a
aerodynamické síly = ne „jak ptáci létají“, ale „proč ptáci
létají“)
Nalezení vhodné propulse (gravitace, vzdušné proudy,
uhlovodíková paliva, elektrické akumulátory,...?)
Nalezení tuhé a dostatečně pevné konstrukce (v tomto
pořadí!!!) s přijatelnou vlastní hmotností
Přístrojové vybavení a systémy = zvýšení výkonů, snížení
hmotnosti, nové možnosti rozhraní člověk/stroj, ....
Co je to kompozitní materiál
Kompozitní materiál je směs fází vyrobená ze dvou a více
konstitučních materiálů, jejíž vlastnosti jsou lepší, než prostý
součet vlastností jednotlivých konstituentů = synergie!
Dívat se na kompozit jako na prostou materiálovou náhradu je
pokřivený přístup – důsledkem jen minimální nebo žádný
přínos ve srovnání s klasickými konstrukčními materiály a
technologiemi.
Nezaměňovat anizotropní vícefázový materiál s kompozitem –
např. dřevo; půvab kompozitu tkví v jeho účelové přípravě, tj.
namíchání = naprogramování směsi pro konkrétní aplikaci.
Hart--Smith: “composition of materials”
Hart
materials”,, “composite material”
ve skutečnosti neexistuje.
V českém prostředí používané odborné výrazy význam
nevytváří, jsou to obvykle cizí slova – umožňuje nejednotný
výklad.
Příklady použití
Příklady použití
Příklady použití
B 787 – navíjený trup.....
Příklady použití
A380
Příklady použití
Příklady použití
Příklady použití
A380 – fabrika na vodu.....
Příklady použití
www.vanessaair.cz
Allegro 2000
Qualt 200
TL-96 Star
VL-3
Flamingo
Příklady použití
www.vanessaair.cz
Příklady použití
www.vanessaair.cz
Příklady použití
www.vanessaair.cz
Příklady použití
Aplikace a projekty VZLÚ
Wolfsberg Corvus
Příklady použití
Aplikace a projekty VZLÚ
Příklady použití
Aplikace a projekty VZLÚ
Příklady použití
Aplikace a projekty VZLÚ
Příklady použití
Aplikace a projekty VZLÚ
Příklady použití
Motory
Uhlík/Epoxy na méně tepelně namáhané díly, aramidové vlákno pro
zachycení rázu; existují i aplikace keramické matrice pro horké díly.
Příklady použití
Vrtule
Kdy se rozhodnout pro kompozitní
konstrukci
1. Ocel
2. Dural
3. C/E
• Maximální napětí závisí na ohybovém modulu – geometrická
závislost.
• Průhyb závisí na momentu setrvačnosti a modulu pružnosti –
geometrická a materiálová závislost.
Kdy se rozhodnout pro kompozitní
konstrukci
Materiál
Modul pružnosti
[GPa]
Pevnost v tahu
[MPa]
Hustota
[kg/m3]
Ocel
cca 210
800 až 1100
7850
Hliníkové slitiny
cca 73
cca 400
2780
cca 200 až 230
3100
2600
cca 3,5
(zanedbatelné vůči
vláknu)
70
(zanedbatelné vůči
vláknu)
1150
Jednosměrový kompozit,
50% objemu vlákno
cca 100
cca 1500
1875
Kompozit s ortogonální
vazbou výztuže, 50%
objemu vlákno
cca 48
cca 530
1875
Uhlíkové vlákno, běžná
kvalita
Epoxidová matrice
Kdy se rozhodnout pro kompozitní
konstrukci
•
•
•
•
Ocel: 94.0 kg
Dural: 32.7 kg
Kompozit: 11.4 kg
Jasanové dřevo: 9.7 kg
Použití kompozitu přináší zcela
zásadní úsporu hmotnosti
Postřehy z praxe
Statická zkouška metodou řízeného
posuvu – síly jako závislé veličiny.
Postřehy z praxe
Lom nastává v místě
první ztráty stability
potahu
Postřehy z praxe
Dolomení nastává okamžitě po
návratu na původní silový
účinek
Postřehy z praxe
Hoffman
Maximální napětí
Stabilita
V1
L1
C2
Y
Z
X
Output Set: Eigenvalue 1 0.792165
Deformed(0.137): Total Translation
Postřehy z praxe
Postřehy z praxe
Primární spoj – adhesní
Tvarový zámek – pojistka
Pojistka za normálních provozních podmínek
nepřenáší zatížení
Výztuž orientována do všech směrů, ve
kterých se přenáší zatížení
Vlákno se může z tvarového zámku uvolnit
jen za cenu svého lomu
Postřehy z praxe
Postřehy z praxe
Smykové
porušení
Kritický
lom
tvarového
zámku
Zbytková
únosnost
Provozní režim 200% Fc
Provozní režim 100% Fc
Postřehy z praxe
Technologie výroby určuje vlastnosti konstrukce
včetně ovlivnění mechanických vlastností – stopa
po infuzních kanálech může iniciovat lom!
Postřehy z praxe
Srovnání výsledků
Hoffman
Max Stress
Modifikované
Max Stress
Závěr
Kompozitní materiály a technologie jsou prakticky neomezené ve své
variabilitě. Je možno je „namíchat“ a přizpůsobit podle fantazie tvůrce pro
konkrétní aplikaci.
Nejde tedy o další „tabelizovaný“ materiál, který lze spoutat do několika
pouček a formalizovaných postupů. Takto můžeme přistupovat pouze ke
konstituentům, které k přípravě kompozitu použijeme.
Návrh kompozitu a jeho technologie výroby je součástí procesu návrhu
výrobku. Jakékoliv zkoušky výrobku by měly být zahájeny ověřením
vlastností kompozitu ve vztahu k vlastnostem předpokládaným.
Děkuji za pozornost