Kompoziti bu kadar özel kılan nedir? Optimizasyon için neden mükemmeldir?

Kompozitin ne olduğunu herkes bilir: yarış arabası, uçak, pahalı görünmesi gereken sıradan ürünler, hepsi kompozit malzemeler kullanır – bazen teknik avantajlar nedeniyle, bazen de sadece tasarım amaçlarıyla.

Kompozit temel olarak en az iki farklı malzemeden oluşan yeni bir “malzeme “dir – bir karışım. Kompozitler normalde mukavemet sağlayan bir malzemeye (fiberler) ve her şeyi/lifleri birbirine bağlayan bir malzemeye (matris) sahiptir. Sonuç, tek başına tek bir malzemeye kıyasla yeni özellikler sağlayan bir malzemedir. Kompozit, birlikte görüldüğünde yeni özelliklere sahip iki veya daha fazla malzemenin bir bağı olacaktır, ancak tüm malzemeler tek başına gözlemlendiğinde özelliklerini koruyacaktır. Kompozitler sertliği artırmak, ağırlığı düşürmek, yoğunluğu azaltmak vb. amaçlarla kullanılır. Tasarım sürecinde optimizasyonun kullanım amaçları da çoğunlukla budur: sertliği arttırmak, ağırlığı düşürmek vb.

Kompozit kullanmanın avantajları ve dezavantajları vardır. Ana avantaj şudur: ulaşılmak istenen kullanım amacına göre malzemenin nihai özelliklerini değiştirmek için çok daha fazla değişken vardır. Dezavantajlar çoğunlukla farklı malzemelerin kombinasyonundan kaynaklanmaktadır. Farklı malzemeler arasındaki yüksek sertlik değişimleri nedeniyle aralarında parçalanmalar (failure) meydana gelebilir. Ve bunların tespit edilmesi gerekir – ki bu o kadar da basit değildir.

Yaygın kompozit, bir elyaf malzemeden (örneğin cam, karbon, aramid veya doğal malzemeler) ve bunları birbirine bağlayan bir “matris” malzemeden – çoğunlukla plastikten – hazırlanır.

Enjeksiyon kalıplama içinde kullanılabilen kompozitler vardır, bunlar kısa elyaf takviyeli plastikler içerir. Tipik olarak kullanılan elyaflar 0,01 ila 5 mm arasında bir uzunluğa sahiptir. Tüm kompozit içindeki elyaf hacmi %5-30 civarındadır. Ana avantajı, saf plastiğe kıyasla kompozitin artan sertliğidir. Kullanılan elyaflar çoğunlukla cam elyaftır. Bunların tipik yoğunluğu 1.8-2.7 t/m³ arasındadır. Bu kompozitlerin izotropik olduğu kabul edilir. Kısa elyaflı kompozitlerin bir dezavantajı, kalıplama işlemi sırasında kendilerini akış yönünde yönlendirme eğiliminde olmalarıdır – bu da izotropik olmayan davranışa yol açabilir. Kullanılan matris malzemeleri genellikle elyaflarla bağ kurabilmek için ısıtılan termoplastiklerdir. Termoplastikler ısıtıldığında sıvı hale gelecektir. Termoset plastikler kimyasal bir reaksiyon ve ısıtma işlemi ile sertleşirken, termoplastikler sertliklerini soğuyarak alırlar.

Diğer kompozitlerin çoğu uzun elyaf/ sonsuz elyaf olarak adlandırılan elyaflar içerir. Tipik olarak tabaka malzemeler şeklindedir. Dokuma veya tek yönlü kumaşlar/lifler vardır, bazıları birbirine yapıştırılmıştır. Yüksek performanslı amaçlar için karbon veya aramid elyaflar kullanılır. Matris için termoset malzemeler kullanılır. Sertliği artırmak ve matris yüzdesini azaltmak için bir fırın (konklav) içinde ısıtılırlar ve burada malzemenin bağını artırmak için genellikle preslenirler. Matris hacim oranı ne kadar düşük olursa, karbon matrise kıyasla daha hafif olduğu için sertlik o kadar iyi ve yoğunluk o kadar düşük olur.

Endüstrilerde karbon elyaf takviyeli plastiklerin (cfrp) kullanım amacı farklıdır.

Otomobil üreticileri, performansı artırmak için daha yüksek fiyatlı otomobillerde kullanmaktadır. Kompozit parçaların üretimi daha karmaşık ve zaman alıcı olduğundan, normalde normal tüketici arabalarında kullanılmazlar. Metale kıyasla kompozitin maliyet/ağırlık oranı daha yüksektir. Tipik olarak kompozitler, motor kaputunda olduğu gibi teknik kullanımlarının yanı sıra “gösteriş” için de kullanılır. Ya da yüksek yüklü parçalar için yüksek sertlik/ağırlık oranına sahip olma gibi teknik avantajlarından dolayı. Genel olarak çeliğin yerine kullanılır.

Uçak sistemleri alüminyumun yerine cfrp kullanmaktadır. Uçaklardaki yükler, arabalara kıyasla yapının boyutuna göre daha düşüktür. Çoğunlukla levha malzemeler cfrp ile değiştirilmek için kullanılır.

Üretimdeki sorunlar, örneğin çelik veya alüminyuma kıyasla kalınlıktaki yüksek toleranstır. Kompozitler kendi başlarına akımı iletmezler – yıldırım çarpması riski nedeniyle bir uçakta dış kabuk olarak kullanılmak için gerekli olan şey. Ve son olarak: bir hasar durumunda delaminasyon noktalarını bulmak çok zordur (fiberler kompozitin içindeki matristen ayrılır), tamir edilebilirlik metal yapılara kıyasla çok daha kötüdür.

Son soruya gelecek olursak: neden optimizasyonda kullanılmak için mükemmeller? Malzeme içinde çok fazla değişken vardır (hangi elyaf türü, elyafların hangi yönü, hatta katmanlar sayı, yön ve kalınlık bakımından farklılık gösterebilir vb.) Tüm bunlar, bir parçanın her konumunda mükemmel malzemeyi bulmak için bir bilgisayar yardımı olmadan zordur. Kompozit malzemeler kendi içlerinde her konumda farklı olabilir, bu kompozitlerin ana avantajıdır – ve bu optimumu bulmak için optimizasyonu kullanmanın nedenidir.

Altair OptiStruct Kompozit Optimizasyonu: Konseptten Nihai Tasarıma Üç Adım

Optimizasyon, kompozit bir parçayı ilk konseptten güncellenmiş ürüne kadar götürebilir. Altair OptiStruct‘ın benzersiz kompozit optimizasyon odaklı tasarımı üç aşamalı bir süreçtir.

Aşama I – Konsept düzeyinde kat şekli: Serbest Boyut (Free-Size) Optimizasyonu

• Şu soruyu cevaplar: “Kullanabileceğim potansiyel verimli kat şekilleri nelerdir?”
• Konsept düzeyinde optimizasyon formülasyonu
• İstifleme sırasından bağımsız

Aşama II – Ayrıntılı kat sayısı: Boyut Optimizasyonu

• Şu soruyu cevaplar: “Her bir kat şeklinden kaç taneye ihtiyacım var?”
• Genellikle mühendislik gereksinimlerine göre optimize edilir
• İstifleme sırasından bağımsız

Aşama III – Ayrıntılı istifleme dizisi: İstifleme Sırası Optimizasyonu

• Şu soruyu cevaplar: “Tasarımın mühendislik kısıtlamalarını karşılaması için katlar nasıl istiflenmelidir?”

Serbest Boyut (Free-Size) Optimizasyonu

Serbest Boyut Optimizasyonu, her bir katın kalınlığını eleman bazında optimize eden kavram/konsept düzeyinde bir optimizasyondur.
SMEAR teknolojisi, optimize edilen laminatın istifleme sırasının başlangıçta belirsiz olduğu kompozit tasarım optimizasyonunda kullanılır.

Bu optimizasyonun sonuçları, optimize edilmiş geometrik kat sınırlarını göstermektedir

• Elementler bu geometrilere göre kümeler halinde gruplandırılır
• Bu işlem ‘ply tailoring’ olarak bilinir

Boyut (Size) Optimizasyonu

Boyut Optimizasyonu, özel katların kalınlığını optimize eden ince ayar düzeyinde bir optimizasyondur.

• Kat tabanlı modelleme, tasarımcıların yüzlerce veya binlerce ‘bölgeyi’ takip etmesini gerektirmek yerine, yamalar boyunca katların sürekliliğini otomatik olarak izler
• Kat demeti boyutlandırma optimizasyonunun ardından, yönlendirme başına gereken kat sayısı, her bir kat kalınlığının temel üretilebilir kat kalınlığına bölünmesiyle belirlenebilir.

Karıştırma (Shuffling) Optimizasyonu

Karıştırma Optimizasyonu, optimum istifleme sırasını belirlemek için boyutlandırma optimizasyonunun sonuçlarından katları karıştıran kompozite özgü bir optimizasyondur

• Karıştırma işlemi, optimize edilmiş kompozit yapı için nihai ply-book oluşturur
• Kompozit karıştırma optimizasyonu, istifleme sırasındaki beklenen kat sürekliliğine getirilen üretime özgü ek kısıtlamalar dahilinde çalışır.

Kaynaklar

Kompozit modelleme, analiz ve optimizasyonu daha detaylı öğrenmek için aşağıdaki bağlantıları kullanabilirsiniz.

Kurumsal kullanıcılar için yazılım indirme bağlantıları –> Altair HyperWorks (Kompozit FE Modelleme) ve Altair OptiStruct ( kompozit analiz ve optimizasyon)

Öğrenciler için ÜCRETSİZ Altair HyperWorks (Kompozit FE Modelleme) ve Altair OptiStruct ( kompozit analiz ve optimizasyon) versiyonu İNDİRME adresi

ÜCRETSİZ 208 sayfa e-kitap : Introduction to Practical Aspects of Composites with Altair OptiStruct™

ÜCRETSİZ ve offline: Altair OptiStruct kompozit optimizasyonu eğitimi

Web Seminer Kaydı –> Kompozit Yapıların Yapısal Analizi ve Optimizasyonu

Sorularınızı iletişimi formunu kullanarak iletebilirsiniz.