Analyse van composieten

Composietmaterialen voorzien in innovatieve oplossingen voor producenten in heel uiteenlopende sectoren, die op zoek zijn naar sterkere, lichtere en meer kostenefficiënte materialen. Tegelijkertijd veroorzaken ze door de aard van de materialen nieuwe ontwerp en fabricage uitdagingen. Met onze uitgebreide ervaring en gespecialiseerde analyse- en simulatiesoftware, kan ons ingenieursteam rekening houden met residuele spanningen, de performantie voorspellen, de bedrijfszekerheid en potentiële defecten analyseren, de constructie optimaliseren en nauwkeurige informatie bezorgen voor de fabricage, en dit alles vooraleer een fysisch prototype wordt gebouwd.

Wat is een composiet?

Een composiet is een materiaal dat uit meerdere componenten bestaat en is opgebouwd uit meerdere lagen. De belangrijkste componenten zijn:

  • Kernmateriaal
    Honingraat, hout, PU, PVC, PS, ...
  • Matrix
    Dit is het bindmateriaal tussen de verschillende lagen. De matrix is meestal een hars.
  • Versterkingsvezels
    De vezels zijn verantwoordelijk voor de anisotropische (d.i. richtingsafhankelijke) eigenschappen en de grootste sterkte en stijfheid van het composietmateriaal. De vezels kunnen uni-directioneel, gebreid, genaaid of geweven zijn.

Voordelen van composieten

Composietmaterialen hebben onmiskenbaar een groot aantal voordelen t.o.v. andere, meer traditionele materialen:

  • Doorgaans vrij goedkoop
  • Complexe geometrische vormen zijn mogelijk, die vaak moeilijk te realiseren zijn met traditionele vervaardigingstechnieken
  • Hoge sterkte en een laag gewicht.
  • Goed bestand tegen chemicaliën en kunnen o.a. gebruikt worden voor het vervaardigen van opslagtanks voor chemische producten
  • Roesten of oxideren niet
  • Hoge vermoeiingsweerstand (bv. koolstofvezel)
  • De materiaaleigenschappen van het composiet kunnen aangepast worden (materiaalontwerp)
  • Absorberen weinig vocht
  • Hoge trillingsdemping

Nadelen van composieten

Composietmaterialen hebben ook een aantal negatieve eigenschappen:

  • Anisotropisch thermisch vervormingsgedrag
  • Lage interlaminaire afschuifstijfheid en -sterkte
  • Lange-termijn duurzaamheidsproblemen (UV, warmte, veroudering, ...)
  • Beperkte warmteweerstand en vuurbestendigheid van het matrix materiaal
  • Ongewenst brosse-breuk gedrag
  • Recyclage van composieten is een uitdaging
  • Moeilijkheden bij gebruik samen met conventionele verbindingen (bouten, verlijming, klinknagels)
  • Gevoelig voor de kwaliteit van de productie (stof, blaasjes, onvolmaaktheden)

Bijzondere eigenschappen van composieten

Door het zorgvuldig kiezen van de materialen van de verschillende componenten waaruit een composietmateriaal is opgemaakt, kunnen een aantal interessante eigenschappen ontstaan:

  • Composieten zijn niet of net wel geleidend, zijn niet-magnetisch en zijn transparant voor radargolven.
  • Composieten kunnen een lage thermische geleidbaarheid hebben.
  • Thermische stabiliteit door negatieve thermische uitzettingcoëfficiënt (koolstofvezels)

Analyse en berekening van composietmaterialen

Composietanalyse met de Eindige Elementen Methode

Onderdelen gemaakt uit composietmaterialen worden berekend en geanalyseerd met de Eindige Elementen Methode. De analyse van composieten verschilt grondig van de analyse van conventionele materialen, omdat composietmaterialen laag per laag geanalyseerd moeten worden, zowel voor het kernmateriaal, de versterkingsvezels als de matrix. De sterkte en stijfheid van een composietmateriaal zijn ook heel sterk richtingsafhankelijk (anisotropisch).

De berekening van de stijfheid van een laminaat (d.i. een aantal lagen van composietmaterialen op elkaar) is een belangrijke stap in het evalueren van het composiet met de Eindige Elementen Methode. De stijfheid van het laminaat is afhankelijk van het aantal lagen en de richting van de individuele materiaallagen. Elke laag kan andere materiaaleigenschappen hebben, een andere dikte en een andere vezelrichting hebben.

Voorspellen van het bezwijken van composieten

De eenvoudigste benadering om het bezwijken van een composietmateriaal te voorspellen, is veronderstellen dat het materiaal bezwijkt van zodra één enkele laag breekt. Deze benadering wordt de First Ply Failure mode genoemd. Een andere benadering is het veronderstellen dat een composietmateriaal pas bezwijkt wanneer de laatste laag breekt. Deze benadering wordt de Last Ply Failure mode genoemd.

Een andere benadering is het Tsai-Wu bezwijkcriterium. De filosofie van deze benadering is gelijkaardig aan het Von Mises criterium voor isotropische materialen. Het Tsai-Wu criterium onderzoekt volgende zaken:

  • Directionele materiaalsterkte en -stijfheid (longitudinale, dwarse en afschuifsterkte)
  • Onderscheid tussen trek- en drukspanningen
  • Directionele spanningsinteracties tussen de verschillende lagen

Bezwijkcriteria

Naast de criteria hierboven aangehaald, zijn er nog een aantal andere bezwijkcriteria beschikbaar voor het evalueren van composietmaterialen:

  • Maximum spanning
  • Maximum vervorming
  • Tsai-Hill
  • Tsai-Wu
  • Hashin
  • Puck
  • Cuntze
  • LaRC
  • Hoffman
  • Sandwich

Bijkomende bezwijkcriteria zijn ontwikkeld voor de vermoeiingsanalyse van composietmaterialen:

  • Norris
  • Franklin-Marin
  • Hashin-Rotem
  • Hashin-Sun
  • Modified NU
  • Norris-McKinnon
  • Christensen

Vragen over ontwerpen met composietmaterialen?

Ons ingenieursteam heeft jarenlange ervaring met het ontwerpen met composietmaterialen en het analyseren en evalueren van de sterkte en stijfheid van composieten. Heeft u vragen over composieten of heeft u een project waar composietmaterialen gebruikt worden, laat het ons dan weten via email. We laten u graag weten hoe we u kunnen helpen met uw projecten!