BIA-Brukerstyrt innovasjonsarena

Generell bakgrunn Avanserte komposittmaterialer blir brukt i økende grad i en rekke sektorer som maritim, offshore, luftfart, forsvar, transport, bygg, infrastruktur (vei, jernbane, strømforsyning etc.) og sport. Denne utviklingen har kommet som en følge av disse materialenes mange positive egenskaper sammenlignet med konvensjonelle materialer; som en gunstig kombinasjon av lav vekt og gode mekaniske egenskaper, lite korrosjonsproblemer og god bestandighet overfor mange kjemikalier. Utfordringen med å ta disse materialene i bruk har vært at de sammenlignet med konvensjonelle materialer som metaller, har en relativt kort bruddforlengelse med svært liten eller ingen plastisk deformasjon. De er hva vi kaller sprø! Derfor er skader og sprekker i slike materialer en bekymring, og mye forskning over lang tid har blitt gjort for å lære materialene å kjenne og bli sikrere på bruken av dem. Men for optimal design, samt minimalisere/optimalisere kostnader til drift og vedlikehold, er det fortsatt mye som kan forbedres. Dette gjelder kanskje først og fremst modellene som er i bruk i de numeriske verktøyene man har til hjelp for å kunne forutsi omfang og alvorlighetsgrad av skader i ulike situasjoner. Ettersom de numeriske modellene blir mer kompliserte, så kreves det stadig flere materialparametere som må bestemmes. Nye eksperimentelle teknikker må utvikles for å bestemme disse. En føring i praktisk bruk er å forstå hva som er godt nok: Bestemmelse av materialparametere og numeriske modelleringen må kunne gjennomføres i et tids-/kostnads-vindu som er akseptabelt. Målet med COMPACT prosjektet Støtskader på komposittstrukturer er et spørsmål som fortsatt vekker bekymring i mange anvendelser. I motsetning til formbare materialer som kan absorbere store mengder energi via plastisitet uten tap av stivhet og styrke, så vil kompositter som er relativt sprø, i hovedsak absorberer energi ved elastisk deformasjon og irreversible skader mekanismer. Disse skademekanismene degraderer materialet og svekker strukturens stivhet og styrke. Slike skader deles opp i sprekker i selve polymermatrisen, skade/brudd på fiber, og delaminering mellom fiber og matrise og mellom ulike lag som kompositten er bygd opp av. Målet med COMPACT prosjektet har vært å utvikle nye modeller og metoder for å kunne forutsi effekt og skadeomfang på komposittstrukturer utsatt for støtbelastninger. Gjennom dette forskningsprosjektet har vi etablert generisk kompetanse, eksperimentell teknologier, og numeriske metoder for utforming av komposittstrukturer. Gjennomføring og resultater Først i prosjektet implementerte vi flere forskjellige feilkriterier beskrevet i litteraturen i numeriske beregningsmodeller og gjennomførte simuleringer der forutsigbarheten til disse ble sammenlignet med eksperimentelle resultater. På den måten lærte vi hva som var styrken og svakheten til disse modellene, og hvilke effekter som var viktig å ta hensyn til. Vi startet med en forenklet situasjon med langsomme deformasjoner der delamineringskader kan bli neglisjert. Hovedresultatene indikerte at eksisterende modeller klarte å gi ganske god prediksjon i situasjoner der strekk og kompresjon dominerte, men at situasjoner med mye skjær var mer utfordrende. Deretter gikk vi over til å studere deformasjoner ved høyere rater, helt opp til det som kalles lavhastighets støt eller slag, samt situasjoner der delaminering av strukturen er viktig. En utfordring med komposittmaterialer sammenlignet med andre materialer, er at man bygger egenskapene til materialet under selve produksjonsprosessen. Det betyr at materialet i en plate (laminat) ikke nødvendigvis er det samme som for et rør. Derfor har vi i prosjektet jobbet med å utvikle karakteriseringsmetoder for å kunne bestemme materialegenskaper til rør og andre (i hovedsak) sylindriske produkter. Spesielt kan nevnes et testprogram som ble gjennomført i den hensikt å fremskaffe forståelse og pålitelige materialdata nødvendig for å beskrive delamineringsprosessen. En del av dette arbeidet har blitt utført i nært samarbeid med DTU Risø i Danmark. De har utviklet et unikt eksperimentelt oppsett som vi har benyttet. Fra disse eksperimentene har vi utviklet en ny måte å analysere disse forsøkene. Dette har gitt oss mulighet til å videreutvikle den numeriske modellen som beskriver delamineringsprosessen. Til sist i prosjektet har vi testet våre numeriske modeller samt våre eksperimentelle metoder for å fremskaffe nødvendige materialdata, på situasjoner og produkter relevant for industripartnerne som har deltatt i prosjektet, som trykkrør for Flowtite, gassbeholdere for Ragasco og trykkbeholdere for Nammo. Sammenligning av de eksperimentelle resultater med prediksjoner fra numeriske modelleringer, viser at vi i mange tilfeller får god overenstemmelse. Vårt arbeidet viser at vi er på rett vei for å kunne modellere støt og skader, men at det gjenstår fortsatt utfordringer for at for at vi skal få robuste prediksjoner basert kun på numerisk m

The research project shall establish generic competence, experimental technologies, and numerical methods for the design of safe, robust and cost-efficient composite structures. The developed methodologies shall be applicable for design of structures unde r loading ranging from quasi-static to impact loads. Preliminary design through reliable simulation tools will shorten the development and test phase, and reduce unexpected failure occurrences and the number of late expensive modifications. This knowledge shall be implemented in the industrial companies and used for design, improvement and optimisation of any relevant industrial product. Better conceptual and preliminary design methodologies are essential to ensure a competitive Norwegian industry. The de velopment of design tools and methodologies requires knowledge on material behaviour and material modelling, structural behaviour of elementary structures and accurate and robust solution techniques. The research methodology in this project will be based on an integrated use of theoretical work, numerical simulations and high precision physical. Four work packages have been defined within the project: WP 1 Mechanical characterisation of composite materials, WP 2 Modelling of composite materials, WP 3 Test ing of composite structures and WP 4 Modelling of composite structures. The project will address major shortcomings of models and analysis techniques reported in the literature. The project will yield new, more reliable and more complete experimental data of failure envelopes, especially for certain ratios of biaxial stress. Furthermore, numerical models including state-of-the-art criteria for prediction of delamination resulting from impact loading will be established and checked against experimental res ults from advanced tests on coupon and structural level, and a recommended design practice will be established.