Få mest muligt ud af dine kompositmaterialer med den rette beregning
Kompositmaterialer kombinerer forskellige materialer for at opnå forbedrede egenskaber, og beregningen af disse kræver en grundig forståelse af både de enkelte materialer, og sammenspillet med hinanden.
Introduktion til kompositmaterialer
Kompositmaterialer som glasfiber og kulfiber vinder stadig større udbredelse i en lang række brancher, hvor der er behov for lette og stærke materialer. I modsætning til traditionelle metaller som stål og aluminium, består kompositter af to eller flere materialer, der kombineres på en sådan måde, at de opnåede egenskaber overgår egenskaberne for de enkelte materialer.
Glasfiber og kulfiber er eksempler på forstærkningsfibre, der giver kompositmaterialet høj styrke i fiberretningen. Ved at orientere fibrene optimalt i forhold til de påvirkninger materialet udsættes for, opnås en meget stiv og let konstruktion. Kompositter har typisk en vægtbesparelse på 20-30% sammenlignet med tilsvarende metalkonstruktioner.
Anvendelsesmulighederne for kompositmaterialer spænder vidt – fra vindmøllevinger, skibe og fly til sportsgrej og elbiler. Overalt hvor der er behov for høj styrke og stivhed kombineret med lav vægt, er kompositmaterialer et oplagt valg. Kompositter muliggør desuden frihed i design og funktionalitet, og mulighed for at skabe emner, der er optimalt udformet.
Hvad kan kunderne forvente ved en forespørgsel om beregning af kompositter?
Som kunde kan du forvente en dybdegående analyse og optimering af dit produkt eller koncept. FRECON har ekspertise inden for beregning af kompositmaterialer som glasfiber og kulfiber, og kan tilbyde værdifulde indsigter og løsningsforslag. F.eks. nacelle covers, spinner covers, vindmølle vinger og meget andet.
En typisk opgave kunne starte med, at kunden har et koncept eller en idé til et produkt, som de ønsker undersøgt. Det kunne være alt fra en komponent til bilindustrien til en vindmøllevinge. Kunden behøver ikke have et færdigt design, men kan komme med en grov skitse eller 3D-model, som FRECON så kan videreudvikle og optimere.
For at kunne udføre beregningerne kræver FRECON input fra kunden i form af tekniske specifikationer og egenskaber for de ønskede materialer. Dette kunne være data fra materialetest eller specifikationer fra en leverandør. Hvis kunden ikke har adgang til sådanne data, kan FRECON hjælpe med at indhente dem, f.eks. ved at samarbejde med Teknologisk Institut.
Kompetencer og licenser til beregning af kompositmaterialer
For at kunne udføre beregninger på kompositmaterialer som glasfiber og kulfiber, kræves der særlige kompetencer og licenser. Først og fremmest skal man have en grundlæggende forståelse for de unikke egenskaber ved kompositmaterialer i forhold til isotropiske materialer som stål og støbejern.
Kompositmaterialer er anisotropiske, hvilket betyder, at deres mekaniske egenskaber som styrke og stivhed varierer afhængigt af fiberorienteringen. Dette gør beregningerne mere komplekse, da man skal tage højde for denne retningsafhængighed. For at kunne modellere og analysere kompositmaterialer korrekt, kræves der avanceret simuleringssoftware som eksempelvis Ansys.
Ansys tilbyder et dedikeret modul kaldet ACP (Ansys Composite PrepPost) til analyse af kompositmaterialer. Dette modul kræver en særlig licens udover den grundlæggende Ansys-licens. ACP-modulet giver mulighed for at definere materialeegenskaber, lagopbygning (layup), fiberorientering for hvert enkelt lag i kompositkomponenten. På denne måde kan man præcist modellere den anisotropiske opførsel af kompositmaterialet.
Udover licenskravet til ACP-modulet, er det også nødvendigt at have solide kompetencer inden for kompositmaterialer og deres unikke egenskaber. Dette omfatter forståelse af koncepter som lagopbygning, fiberorientering, styrke, anisotropi og deformationsopførsel. Erfaring med at arbejde med kompositmaterialer i praksis kan også være en stor fordel for at kunne tolke og anvende resultaterne fra simuleringerne korrekt.
Modellering af isotropiske vs. anisotropiske materialer
For isotropiske materialer som stål og støbejern er materialets egenskaber som f.eks. styrke og stivhed ens uanset retning. Når man derimod arbejder med kompositmaterialer som glasfiber og kulfiber, er egenskaberne afhængige af fiberretningen. Dette gør modelleringen mere kompleks.
For at modellere kompositmaterialer defineres egenskaberne for tre hovedretninger (x, y, z) i det såkaldte anisotropiske materialesystem. Herefter kan man i simuleringsprogrammer som ANSYS opbygge et “layup”, hvor man angiver tykkelse og fiberorientering for hvert enkelt lag. Denne proces resulterer i en stivhedsmatrix for den samlede komposit-komponent.
Ved at variere fiberorienteringen i hvert lag kan man optimere designet for at opnå den ønskede styrke og stivhed. Det er en iterativ proces, hvor man kører simuleringer og justerer layup’et indtil man finder den bedste løsning. På denne måde bidrager beregningerne ikke kun til det endelige design, men også til selve produktionsprocessen ved at angive den optimale fiberorientering.
Fortolkning af resultater fra kompositberegninger
Fra kompositberegningerne får man primært en stivhedsmatrix for den analyserede komponent. Denne stivhedsmatrix afhænger af en række input som materialeparametre, lagopbygning, fiberorientering osv. Med stivhedsmatricen kan man beregne spændinger, tøjninger og deformationer for den pågældende komponent under forskellige lasttilfælde.
For at vurdere holdbarheden sammenlignes de beregnede maksimale tøjninger og spændinger med tilladelige grænseværdier, som typisk fås fra materialeproducenten gennem tests. Er de beregnede værdier under de tilladelige, er designet holdbart. Ellers må man justere lagopbygningen, materialevalget eller geometrien.
Udover selve tallene for spændinger og tøjninger giver kompositberegningerne også et indblik i komponentens deformationsmønster og svage områder. Dette kan benyttes til at optimere designet yderligere – f.eks. ved at ændre fiberorienteringen i kritiske områder. Samlet set giver beregningerne et solidt grundlag for at designe stive, lette kompositkonstruktioner med den rette sikkerhedsmargin.
Kombination af kompositmaterialer med andre materialer
Kompositmaterialer som glasfiber og kulfiber kan kombineres med andre materialer som skumkerner, metal og samlinger til at opnå unikke egenskaber og fordele. Ved at integrere skumkerner i fiberkompositter kan man reducere vægt og pris samtidig med at bibeholde styrke og stivhed. Eksempelvis kan man lave skumbjælker, der yder den nødvendige styrke til tag eller andre konstruktioner, der skal modstå last fra sne, is eller vind.
I boltesamlinger, hvor man går fra fiberkomposit til metal som stål eller aluminium, kan man indsætte skumkerner for at opnå den bedste stivhedsoverførsel. Ved at kombinere med skumkerner og forme overgangen korrekt kan man undgå brud og sikre en jævn overgang mellem materialerne.
Denne kombination af materialer giver mulighed for at designe komplekse geometrier og optimere styrke, stivhed og vægt alt efter belastningstilfældet. Ved at samle forskellige materialer opnår man synergieffekter og kan udnytte de enkelte materialers fordele optimalt i den endelige konstruktion.
Beregninger på komposit til optimering af design og produktion
Vil du optimere komponenter lavet af glasfiber og kulfiber, kan du med fordel få lavet en beregning. Ved at modellere de specifikke egenskaber af kompositmaterialerne, såsom fiberorientering og lagopbygning, kan man analysere og justere designet for at opnå den ønskede styrke, stivhed og vægt.
Disse beregninger giver mulighed for at undersøge forskellige fiberorienteringer og lagopbygninger for at finde den mest optimale løsning. Det er ikke kun designet, der kan optimeres, men også produktionsmetoderne kan vurderes og tilpasses ud fra beregningsmæssige resultater. Erfaringer fra produktionen kan inddrages for at vurdere, hvad der reelt er muligt at fremstille.
Inputtene til beregningerne kan komme fra forskellige kilder, såsom materialedata fra leverandører eller tests foretaget af f.eks. Teknologisk Institut. Når den optimale løsning er fundet, kan man kombinere kompositmaterialerne med andre materialer som skumkerner eller metal for at opnå den bedste stivhedsoverførsel og samling mellem forskellige materialetyper.
Samlet set giver kompositberegninger et solidt grundlag for at designe og producere højteknologiske komponenter med præcis den ønskede ydelse og egenskaber, samtidig med at vægt og produktionsomkostninger minimeres.
Kom godt i gang med den rette beregning og design af kompositter
Hos FRECON har vi omfattende ekspertise inden for beregning og design af kompositmaterialer som glasfiber og kulfiber. Vi tilbyder kunderne en komplet løsning, hvor vi ikke blot bidrager med det endelige design, men også rådgivning om den mest optimale produktionsmetode og materialesammensætning.
Vores beregninger tager højde for den anisotropiske natur af kompositmaterialer, hvor fiberretningen og lagopbygningen har afgørende betydning for de mekaniske egenskaber. Ved at variere disse parametre kan vi optimere designet til kundens specifikke anvendelse og lasttilstande. Ydermere kan vi integrere skumkerner og andre materialer for at reducere vægt og pris uden at gå på kompromis med styrken.
En vigtig del af vores tilgang er at udnytte vores brede produktionsviden til at sikre, at det endelige design er produktionsvenligt og økonomisk rentabelt. Vi rådgiver om formgivning, samlingsmetoder og materialevalg for at opnå den bedst mulige kombination af funktionalitet, levetid og produktionsomkostninger.
Hos FRECON leverer vi ikke blot et design, men en helhedsorienteret løsning tilpasset kundens behov. Vi tilbyder vores ekspertise gennem hele forløbet – fra de indledende beregninger til det færdige produkt er klar til produktion.
