A shell theory based on two-phase porous media for process modeling of structural composites
Research Project, 2014
– 2017
Processimulering av tunnväggiga kompositmaterial Avancerade kompositmaterial består av extremt starka fibrer sammanbundna av plast. De tillhör våra absolut starkaste, lättaste och mest allsidiga material. De har hittills använts främst till nischprodukter som låter sig produceras i liten skala till höga kostnader, till exempel militär teknologi, rymd och i ständigt ökande utsträckning i civil flygteknologi samt i sportredskap. Kompositmaterial har länge ansetts höra framtiden till, men frälsningen har låtit vänta på sig på grund av tillverkningstekniska svårigheter. Högpresterande kompositer tillverkas nämligen oftast i en process som kan liknas vid en kombination av skrädderi och bakning. Plana materialark skärs till rätt form, läggs därefter in i ett formverktyg för att slutligen "bakas" i en ugn, s.k. autoklav. Detta förfarande har varit en hämmande faktor, då processen är begränsad till relativt små och geometriskt enkla detaljer, samtidigt som genomloppstiderna är långa, vilket ger dyra produkter. De senaste årens fokusering på mänsklighetens miljöpåverkan har medfört att både den civila flygindustrin och fordonsindustrin har velat dra fördelar av kompositernas låga vikt och höga styrka för att utveckla bränslesnålare flygplan och bilar. Som exempel kan nämnas att andelen kompositer i ett civilt flygplan har ökat från ca 2 % år 1970 (Boeing 747) till 25 % i dagens flygplan (Airbus A380). Nästa generations flygplan som kommer kring 2010, t.ex. Airbus A350 och Boeing 787, kommer att bestå av över 50 % kompositer. Motsvarande utveckling pågår även i fordonsindustrin tillverkning av vardagliga bilar planeras av både stora och små tillverkare. En större användning av kompositer i de civila flygplanen och bilarna har drivit fram utvecklingen mot nya tillverkningsprocesser som är betydligt snabbare och mera automatiserade. Ett sätt att radikalt korta ner tillverkningstiden är att utföra flera processteg samtidigt och att tillverka geometriskt komplicerade produkter i ett och samma stycke, istället för att sammanfoga en mängd delar. Genom att tillverka hela produkter i ett enda stycke kan produkten göras billigare, men även starkare och lättare då olika former av förband undviks. Helt nya tillverkningsprocesser har därför utvecklats som medger avsevärt kortare cykeltider. Dessa bygger på helt nya materialsystem. Dessa är ofta porösa, som en schweizisk ost ungefär, och innehåller små sammanbundna kanaler genom vilka luften kan evakueras och medför att råmaterialet är väldigt formbart. Detta fungerar bra, men formningsprocessen är komplicerad och dåligt förstått. I ett och samma steg och på kort tid skapas kompositmaterialet ur sina komponenter, flytande plast och fibrer, samtidigt som det formas till en färdig produkt. Detta innefattar en rad fysikaliska processer som sker samtidigt och påverkar varandra. Projektet angriper problemet med en matematisk simulering av formningsprocessen i sin helhet. Ett centralt problem är sammankopplingen av fysikaliska processer hos de olika beståndsdelarna, den flytande plasten och fibrerna, den så kallade flerprocessmodelleringen. De enskilda fysikaliska processerna, hos både den flytande plasten och fibrerna, måste beskrivas på korrekt sätt och sättas i ett sammanhang. Att på detta sätt angripa hela problemet och simulera alla dessa delar tillsammans är unikt, och möjligt endast genom en ovanlig kombination av flera olika kunskapsområden: kontinuumskekanik, mikromekanik och materialvetenskap. Projektet kommer att ge oss möjlighet att simulera flera aktuella tillverkningsförlopp, och samtidigt lägga grunden för simulering och utveckling av framtida, än mer komplexa, tillverkningsprocesser. En speciell inriktning av projektet gäller hanteringen av tunnväggiga kompositer i ett simuleringssammanhang, för att erhålla en bra beräkningsbarhet av problemet.
Participants
Ragnar Larsson (contact)
Chalmers, Industrial and Materials Science, Material and Computational Mechanics
Funding
Swedish Research Council (VR)
Project ID: 2013-3907
Funding Chalmers participation during 2014–2017