Konstrukce prototypových kompozitních rámů z před-impregnovaných vláken

Ing. Petr Kulhavý

Doctoral thesis

Design of Prototype Composite Frames Made of Prepreg Fibres

Abstract:

Nosným tématem disertační práce je studium a popis možností aplikace kompozitních materiálů navíjených z dlouhých předimpregnovaných vláken do rámových konstrukcí otevřených, ale i uzavřených tvarů. Daná práce by měla poskytnout v současné době chybějící popis tohoto konstrukčního přístupu a představit vlastní metodiku vhodnou pro návrh pokročilých rámových struktur komplikovaných tvarů a průřezů, v prototypovém či malosériovém objemu produkce. První kapitoly práce se zaobírají popisem kompozitních materiálů používaných v oblasti konstrukce automobilů, jejich členěním, základním fyzikálním parametrům a konvenčními možnostmi výroby. V práci jsou testovány mechanické vlastnosti daných kompozitních materiálů a navržených laboratorních dílů, včetně přenosu vibrací či nalezení závislosti dílčích parametrů na vnitřní geometrii jednotlivých vlákenných vrstev. Práce obsahuje teoretickou studii a výklad jednotlivých principů metod výpočtu. Následují praktické aplikace numerického modelování kompozitních struktur s využitím nejmodernějších simulačních nástrojů, včetně jejich verifikace a úprav materiálových modelů na bázi výsledků získaných z provedených experimentů. Významným přínosem je aplikace numerického algoritmu, vhodného pro nalezení optimálních parametrů dané vrstvené struktury s ohledem na reálné okrajové podmínky definované charakterem působícího zatížení, demonstrované na problému tříbodého ohybu. Dále se práce zabývá studiem současných trendů ve výrobě kompozitních dílů od tvarů jednoduchých až po složité prostorově zakřivené a uzavřené rámové konstrukce. Jedním ze stěžejních cílů práce je ovšem na základě výše zmíněných poznatků, dostupných výrobních metod a principů využívaných při navíjení dlouhých vláken, modifikace výrobního zařízení a souvisejících metod pro vlákna předimpregnovaná. Daná techologie bude následně využita pro výrobu prototypu vlastního kompozitního rámu. V práci je na základě provedených testů a simulací navržen vhodný materiál, vnější tvar i řídící křivka použitých nenosných jader s ohledem na sériovou či prototypovou tvorbu výrobku. Pro celý proces ovíjení dané struktury jsou z konstrukčního i technologického hlediska zpracovány parametrické simulace a následně vyrobeny prototypové rámy. Na výrobě daných dílů byla ověřena funkčnost celého výrobního zařízení, zjištěných vlastností na reálném dílu a posouzena vhodnost dané metodiky. Dané rámy byly podrobeny testům a výsledky porovnány s analytickým výpočtem i s konvenčním ocelovým rámem identického tvaru. Na příkladu možného těla opěradla automobilové sedačky je představen rám uzavřený a na příkladu podvozku dětského vozítka rám otevřený. V závěru práce je posouzena vhodnost náhrady konvenčních metalických rámů kompozitními a uvedeny možné příležitosti pro budoucí rozvoj a inovace v dané oblasti konstrukčního návrhu.

Abstract:

The main topic of this dissertation thesis is study and description of possibilities in application of composite materials wound from long fiber prepregs into open and closed frame structures. This thesis should provide the missing description of this structural designing approach and introduce its own methodics, suitable for designing prototype frames. The designed parts will be frame structures with complicated shapes and variable cross-sections, targeted to the field of small-volume production. The first chapters of the thesis deal with description of composite materials used in the field of automotive, their sorting and classification, basic physical parameters and possibilities of conventional manufacturing processes. Further, the mechanical properties of the chosen composite materials and of the designed laboratory parts have been assessed. The carried tests include transmission of vibrations, dynamic sensitivity and determination dependencies of the main mechanical parameters on the internal structure of individual layers. The next chapters contains a theoretical mechanical description and practical applications of numerical modeling of composite structures by means of the most modern simulation tools, including verification and modification of the models based on results obtained from the performed experiments. An important chapter is the application of advanced numerical methods, suitable for obtaining the optimal parameters of the given layered structure regards to the real boundary conditions, demonstrated on the real problem of three point bending. Furthermore, the thesis deals with study of the current trends in the field of composite parts production from the simple shapes to the complicated spatially curved and closed frame structures. However, one of the main tasks in this work, based on the available production methods and principles used for the winding, it was design modification of the production device and methods used for so called wet winding. This inovated device and methods were used for production of the own prototype frames. Based on the conducted experiments and carried simulations, the suitable material, shape and the leading curve of the non-bearing mandrels were designed. For the entire process of the structure winding, the parametrical simulations of the mechanical and technological aspects were carried and subsequently two kinds of open and closed prototype frames have been created. Based on production of those parts, functionality of the manufacturing device, individual features and suitability of the proposed methodology have been verified. The frames were tested and the results compared with the analytical calculation and subsequently also with the experimental data obtained on the conventional steel frames. The closed frame should represent an example of the body of a car seat backrest and the open frame represents the example of a child cart chassis. At the end of this thesis, the suitability of the replacement of conventional metallic frames with composite materials and the opportunities for future development and innovation in the field of designing of wound pre-impregnated materials have been assessed.

Keywords

Navíjení, Prepreg, Kompozit, Rám, Výroba, Konstrukce

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 21. 2. 2019

Thesis defence

• Supervisor: doc. Ing. Vítězslav Fliegel, CSc.

Technical University of Liberec

Faculty of Mechanical Engineering

Doctoral programme / field:
Machines and Equipment / Machine and Equipment Design