Lentokonesuunnittelun yleiset vauriokriteerit : Hiilikuitukomposiitin ominaisuudet ja konservatiivinen vauriokriteeri
Cavallotti, Marissa (2023)
Cavallotti, Marissa
2023
Teknisten tieteiden kandidaattiohjelma - Bachelor's Programme in Engineering Sciences
Tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunta - Faculty of Engineering and Natural Sciences
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2023-05-22
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202304264532
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202304264532
Tiivistelmä
Työn teoreettisen taustan osuudella keskitytään lentokoneen operointiin ja rakenteeseen, tarkastellaan materiaalivaatimuksia, ja vertaillaan erilaisia yleisiä materiaalivaihtoehtoja keskenään. Lentokoneen operoinnin todetaan perustuvan aerodynaamisiin voimiin. Säätelemällä lentorataa vastaan kohtisuoraa voimaa sekä työntövoimaa saadaan lentokone nousemaan, laskeutumaan sekä kulkemaan haluttua lentorataa pitkin. Rakennekomponenteista tärkeimpiä ovat siipi, runko, moottorit sekä ohjainpinnat, joihin kuhunkin perehdytään tässä työssä rakennusmateriaalin vaadittavien ominaisuuksien näkökulmasta.
Tyypillisiä materiaalivaatimuksia lentokonemateriaaleille ovat alhainen tiheys sekä alhainen hinta raaka-aineen, prosessoinnin, ja huollon näkökulmasta. Materiaalin on oltava myös helposti saatavissa, jotta voitaisiin välttyä suurilta vaihteluilta hankintakustannuksissa. Mekaanisilta ominiaisuuksiltaan materiaalin on oltava sitkeää ja lujaa, jotta rakenne kestää muuttamatta muotoaan ja väsymättä vaihtelevia kuormituksia vastaan, sekä lämpötiloja sekä esimerkiksi salamaniskuja vastaan. Yleisimmät käytössä olevat lentokonemateriaalit matkustajalentokoneille ovat alumiini-, titaani- ja terässeokset sekä komposiitit. Komposiitit ovat erityisen kevyitä ja lujia, ja siksi niitä käytetäänkin yhä enemmän lentokoneiden tärkeimmissä rakenteissa metallien sijaan.
Työssä tarkasteltavaksi materiaaliksi vaalittiin hiilikuitu-epoksimatriisikomposiitti, jonka kuidut ja siten lujuusominaisuudet ovat suuntautuneet voimakkaasti. Hiilikuitukomposiitti valinta perustui sen alhaiseen tiheyteen ja erinomaisiin mekaanisiin ominaisuuksiin suhteessa tiheyteen, minkä ansiosta tämä materiaali on tyypillisesti käytössä lentokoneiden rakenteissa. Aiheen rajauksen vuoksi työssä ei ole esitetty yksityiskohtaista materiaalinvalintaa, vaan on hiilikuitukomposiitti on valittu esimerkkimateriaalina vauriokriteereiden vertailuun kuvastamaan sovelluskohdetta parhaiten. Altair EsaComp 2020 – ohjelmalla rakennettiin hiilikuitukomposiitista kolme nelikerroksista laminaattia, joiden kerrosten orientaatiot vaihtelivat. Kerrosrakenteen ansiosta lujuusominaisuudet saadaan kaikkiin suuntiin säädettyä.
Työn laskentaosuudella selvitetään, miten hiilikuitulujitetun komposiitin vaurioitumista voidaan ennustaa vauriokriteereiden avulla. Vauriokriteerit ovat erilaisia teorioita, joita käytetään vaurion alun mallintamiseen vertailemalla sovellukseen vaikuttavaa jännitystilaa materiaalin lujuusominaisuuksiin, esimerkiksi myötö- ja murtolujuuteen.Työssä tarkasteltavat vauriokriteerit ovat maksimijännityksen ja maksimivenymän kriteerit, sekä Von Misesin, Tsai–Hillin, Tsai–Wun, Hashinin ja Puckin vauriokriteerit. Kuhunkin kriteeriin liittyvät kaavat sekä teoreettinen tausta on esitetty.
Vauriokriteereitä sovelletaan komposiittilaminaatteihin, joihin kohdistetaan 500 N/m vetojännitys ja 500 N/m leikkausjännitys. Altair EsaComp 2020 – ohjelmalla selvitetään laminaatin kriittisin kerros eli kerros, joka ensimmäisenä vaurioituu. Ohjelman avulla saadaan myös selville varmuusmarginaali, ja sen suuruus oletetaan vaihtelevan eri kriteerien välillä. Varmuusmarginaalia hyödynnetään konservatiivisimman vauriokriteerin selvittämiseen. Työssä saadaan selville, että konservatiivisin vauriokriteeri tarkasteltuun tapaukseen on Puckin vauriokriteeri. Työssä todetaan myös, että konservatiivisuus ei tarkoita parasta vauriokriteeriä tiettyyn sovelluskohteeseen, vaan kriteereistä paras riippuu suunnittelun tyypistä ja suunnittelijasta itsestään. Työssä saatuja tuloksia voitaisiin hyödyntää esimerkiksi kehittäessä uusia, parempia materiaaleja, jolloin voitaisiin simuloida vauriokäyttäytymistä ja tarkastella mekaanisia ominaisuuksia.
Tyypillisiä materiaalivaatimuksia lentokonemateriaaleille ovat alhainen tiheys sekä alhainen hinta raaka-aineen, prosessoinnin, ja huollon näkökulmasta. Materiaalin on oltava myös helposti saatavissa, jotta voitaisiin välttyä suurilta vaihteluilta hankintakustannuksissa. Mekaanisilta ominiaisuuksiltaan materiaalin on oltava sitkeää ja lujaa, jotta rakenne kestää muuttamatta muotoaan ja väsymättä vaihtelevia kuormituksia vastaan, sekä lämpötiloja sekä esimerkiksi salamaniskuja vastaan. Yleisimmät käytössä olevat lentokonemateriaalit matkustajalentokoneille ovat alumiini-, titaani- ja terässeokset sekä komposiitit. Komposiitit ovat erityisen kevyitä ja lujia, ja siksi niitä käytetäänkin yhä enemmän lentokoneiden tärkeimmissä rakenteissa metallien sijaan.
Työssä tarkasteltavaksi materiaaliksi vaalittiin hiilikuitu-epoksimatriisikomposiitti, jonka kuidut ja siten lujuusominaisuudet ovat suuntautuneet voimakkaasti. Hiilikuitukomposiitti valinta perustui sen alhaiseen tiheyteen ja erinomaisiin mekaanisiin ominaisuuksiin suhteessa tiheyteen, minkä ansiosta tämä materiaali on tyypillisesti käytössä lentokoneiden rakenteissa. Aiheen rajauksen vuoksi työssä ei ole esitetty yksityiskohtaista materiaalinvalintaa, vaan on hiilikuitukomposiitti on valittu esimerkkimateriaalina vauriokriteereiden vertailuun kuvastamaan sovelluskohdetta parhaiten. Altair EsaComp 2020 – ohjelmalla rakennettiin hiilikuitukomposiitista kolme nelikerroksista laminaattia, joiden kerrosten orientaatiot vaihtelivat. Kerrosrakenteen ansiosta lujuusominaisuudet saadaan kaikkiin suuntiin säädettyä.
Työn laskentaosuudella selvitetään, miten hiilikuitulujitetun komposiitin vaurioitumista voidaan ennustaa vauriokriteereiden avulla. Vauriokriteerit ovat erilaisia teorioita, joita käytetään vaurion alun mallintamiseen vertailemalla sovellukseen vaikuttavaa jännitystilaa materiaalin lujuusominaisuuksiin, esimerkiksi myötö- ja murtolujuuteen.Työssä tarkasteltavat vauriokriteerit ovat maksimijännityksen ja maksimivenymän kriteerit, sekä Von Misesin, Tsai–Hillin, Tsai–Wun, Hashinin ja Puckin vauriokriteerit. Kuhunkin kriteeriin liittyvät kaavat sekä teoreettinen tausta on esitetty.
Vauriokriteereitä sovelletaan komposiittilaminaatteihin, joihin kohdistetaan 500 N/m vetojännitys ja 500 N/m leikkausjännitys. Altair EsaComp 2020 – ohjelmalla selvitetään laminaatin kriittisin kerros eli kerros, joka ensimmäisenä vaurioituu. Ohjelman avulla saadaan myös selville varmuusmarginaali, ja sen suuruus oletetaan vaihtelevan eri kriteerien välillä. Varmuusmarginaalia hyödynnetään konservatiivisimman vauriokriteerin selvittämiseen. Työssä saadaan selville, että konservatiivisin vauriokriteeri tarkasteltuun tapaukseen on Puckin vauriokriteeri. Työssä todetaan myös, että konservatiivisuus ei tarkoita parasta vauriokriteeriä tiettyyn sovelluskohteeseen, vaan kriteereistä paras riippuu suunnittelun tyypistä ja suunnittelijasta itsestään. Työssä saatuja tuloksia voitaisiin hyödyntää esimerkiksi kehittäessä uusia, parempia materiaaleja, jolloin voitaisiin simuloida vauriokäyttäytymistä ja tarkastella mekaanisia ominaisuuksia.
Kokoelmat
- Kandidaatintutkielmat [8709]