ANALIZA MULTISCALARĂ NELINIARĂ A STRUCTURILOR MECANICE

Buletinul AGIR nr. 2/2013 ● aprilie-iunie 79

NOI VALENȚE ÎN ANALIZA MULTISCALARĂ NELINIARĂ A STRUCTURILOR MECANICE FABRICATE DIN MATERIALE COMPOZITE

Conf. dr. ing. Dana LUCA MOTOC

Universitatea „Transilvania” din Braşov

REZUMAT. Lucrarea abordează cele mai importante aspecte care intervin în analiza multiscalară neliniară a structurilor mecanice fabricate din materiale compozite, în particular a unei bare de protecție pentru automobile. Aspectele identificate vizează în principal interdependența dintre fenomenele de la nivel macro- și microscopic care influențează aspectele de proiectare asistată a etapelor de proiectare a structurii mecanice analizate. Cuvinte cheie: analiză multiscalară neliniară, bară de protecție, material compozit. ABSTRACT. The herein paper approches the major phases specific to a nonlinear multi-scale process of composite material based mechanical structures, particular to automotive bumper beams. The phases identified and depicted will be close underlined to reveal interdependecies at scale transition from macro to micro in the CAD analysis of the mechanical structure under study. Keywords: nonlinear multiscale analysis, bumper, composite.

1. INTRODUCERE

Provocările ultimilor decenii faţă de dezvoltarea a noi materiale care să satisfacă cerințe cât mai diversificate incluzând costuri diminuate comparativ cu cele deja aflate în uzul curent, proprietăți meca-nice, termice, electrice superioare sau modificabile fără repercursiuni asupra comportării structurii sau ansamblului pentru care au fost proiectate, arhi-tecturi diverse dar în strânsă legătură cu criteriile de funcționalitate practică, au făcut și fac din materiale-le compozite obiectul a numeroase studii și cercetări la nivel macro-, meso-, micro- și nanoscopic.

Procesele și tehnologiile de fabricare a materia-lelor au trebuit să țină pasul cu acestă tendință și să se adapteze, în unele dintre cazuri, pentru atingerea dezideratului de elaborare a unui material/produs conform celor menționate anterior. Astfel, industria materialelor plastice s-a adaptat cu ușurință la modificările structurale ale noilor materiale pe bază de polimeri armate cu diverse tipuri de constituenți, și indiferent de tendința în ceea ce privește utilizarea unor materiale naturale sau sintetice preocuparea pentru reciclabilitate a rămas o constantă în decursul evoluției.

Majoritatea aplicațiilor inginerești recente implică necesitatea stabilirii unor corelații pe același nivel sau nivele diferite, între principalii factori care con-tribuie semnificativ la calitatea, fiabilitatea și timpul de viață a produsului final, și aceasta începând încă

din etapa de proiectare din dorința de flexibilizare ce presupune minimizarea modului conservator de proiectare și diminuare a riscurilor [1-3].

Lucrarea de față își propune abordarea unor aspecte particulare generate de proiectarea și fabri-carea unei bare de protecție, utilizate la automobile, din perspectiva interferențelor care pot fi stabilite în cazul analizei multiscalare a proceselor inginerești constitutive.

2. ASPECTE ALE ABORDĂRII MULTISCALARE A STRUCTURILOR MECANICE DIN MATERIALE COMPOZITE

Proiectarea unei bare de protecție implică în general două faze care vizează etapa asociată speci-ficațiilor de produs și cea de elaborare a conceptului de proiectare a produsului [3]. În ceea ce privește prima dintre faze, aceasta comportă corelarea următoarelor aspecte cu privire la: formă, procesul tehnologic de fabricare, performanțe, costuri de fabricare/material, standarde și specificații, drepturi de proprietate intelectuală, materiale utilizare, spe-cificații tehnice, acțiunea factorilor de mediu, etc.

Cea de-a doua fază presupune un grad de com-plexitate mai mare și vizează aspecte cu privire la identificarea tehnologiilor de fabricație care conduc la obținerea barei de protecție, identificarea și cuan-

CREATIVITATE, INVENTICĂ, ROBOTICĂ

Buletinul AGIR nr. 2/2013 ● aprilie-iunie 80

tificarea unor criterii de selecție atât a proceselor dar și în cadrul procesului identificat ca generând cele mai bune output-uri și/sau outcome-uri urmat înde-aproape de o analiză de sensizitivitate care conduce la elaborarea deciziei finale.

De exemplu, pentru o bară de protecție fabricată dintr-un material compozit polimeric armat cu fibre din carbon sau sticlă se vor investiga toate tehno-logiile de fabricare asociate materialelor compozite, cum ar fi de exemplu cele de obținere prin transferul sau injecția rășinii polimerice în matrița pentru pro-dusul final. O analiză pertinentă a proceselor de fabricație asociate acestui produs include o analiză a factorilor de influență și a corelației dintre aceștia,

cum ar fi exemplu: complexitatea geometrică a barei, considerentele de greutate, de grosime, de finisare a suprafețelor, tipurile și caracteristicile materialelor utilizate, considerente cu privire la costurile de fabri-care și cantitatea de producție etc.

În figura 1,a sunt prezentate componentele prin-cipale ale unui mediu de analiză multiscalară neliniară a procesului de proiectare asistată de calculator a unei structuri mecanice în general și particular cea speci-fică pentru o configurație oarecare pentru bara de protecție (vezi fig. 1,b). Așa cum se poate observa din procesul de implementare și corelat cu experiența autorului, proprietățile de material contribuie semni-ficativ la design-ul final al produsului.

(a)

(b)

Fig. 1. Elemente ale unei analize neliniare multiscalare a procesului de proiectare pentru o bară de protecție (a)

concept generalizat (b) particularizare caz.

În ceea ce privește prima dintre etapele secven-ței anterioare se impune necesitatea specificării faptului că industria automobilului s-a confruntat și se con-fruntă încă cu provocările care vizează obținerea unui produs specific la costuri diminuate, greutate optimă, performanțe structurale și funcționale îmbu-nătățite corelat cu un design modern.

În ceea ce privește proiectarea și fabricarea barelor de protecție din materiale compozite armate cu fibre din sticlă sau carbon, s-a constat faptul că distribuția fibrelor are un impact major asupra pro-prietăților mecanice ale acestora și faptul că în etapa de proiectare a structurii de obicei se utilizează valori ale proprietăților constituenților individuali care nu sunt în directă corelație cu realitatea, materialul compozit final fiind cel mai adesea identificat ca având proprietăți izotrope.

În cazul de față, orientarea fibrelor poate fi ex-portată din mediul de simulare a proceselor de injecție (ex. Moldex 3D, Moldflow, 3D-Sigma etc.) înspre o interfață de analiză și predicție a proprie-tăților la nivel microscopic (vezi fig. 1,b, stânga) și apoi spre un mediu de proiectare CAD (ex. Abaqus, LS Dyna, Pamcrash etc.) unde va se va derula analiza.

În vederea utilizării în etapa de proiectare a unor proprietăți de material corelate cu procesele de fabricație ale structurii mecanice se impune o diminuare a scalei la nivel microscopic și o utilizare a unor biblioteci cu modele teoretice de estimare a proprietăților materialelor compozite. Aceasta permite rularea unor simulări complexe care țin cont de reologia materialului polimeric care constituie matri-cea compozitului.

De exemplu, liniile de sudură care rezultă în urma proceselor de simulare a curgerii și dispersiei polimerului în structura mecanică fabricată prin pro-cese de injecție sunt direct influențate de parametrii procesului de injecție, de proprietățile individuale ale constituenților cât și de tipul analizei inițiate în cadrul simulărilor. Acestea conduc la valori medii ale proprietăților compozitului final care pot fi însă mult mai aproape de cazuistica reală comparativ cu valori de catalog sau bază de date producător de materiale polimerice sau fibre din sticlă/carbon.

Utilizarea criteriilor de calitate în cadrul procesu-lui de injecție (ex. Taguchi, factorial, etc.) permite identificarea celor mai importanți factori de influen-ță și a valorilor optimizate ale acestora, a relațiilor de interdependență dintre parametrii tehnologici

ANALIZA MULTISCALARĂ NELINIARĂ A STRUCTURILOR MECANICE

Buletinul AGIR nr. 2/2013 ● aprilie-iunie 81

facilitând astfel abordarea directă a problematicii minimizării costurilor de fabricare implicite.

Translatarea analizei la nivel micro în vederea in-cluderii proprietăților de material ale constituenților reprezintă o provocare majoră din perspectiva compatibilității mediilor de programare dar și din perspectiva influenței majore a structurii materia-lelor compozite. În figura 2 s-au reprezent două elemente reprezentative de volum pentru o structură compozită hibridă rezultată ca urmare a utilizării a două tipuri de fibre cu distribuții aleatoare/uni direcțio-nale pentru a evidenția complexitatea configurației geometrice ce urmează a fi analizată în vederea estimării proprietăților efective.

Fig. 2 Elemente reprezentative de volum pentru structuri hibride de materiale compozite.

Din punct de vedere al metodelor de predicție a

proprietăților de material cele care au fost dezvoltate

la nivel micro și care țin cont de proprietățile individuale ale constituenților (materiale de armare, matrice) cum ar fi: distribuție, volum de armare, interacțiune, etc. sunt cele mai des utilizate și au fost implementate în multe programe de calcul. Dintre aceste metode se pot aminti: Mori-Tanaka, Halpin-Tsai, Cox-Krenchel, Pagano, Barbero, Voight, Reuss, Pal, Hashin-Shtrikman, etc [5].

Metoda elementelor finite a constituit și v-a con-stitui un instrument de analiză deosebit de important, aceasta contribuind cu succes la obținerea celor mai rapide indicii cu privire la comportarea structurii mecanice sub acțiunea diferiților factori de mediu și tipuri de solicitări, variația și distribuția câmpurilor de tensiune și deformații ale structurilor mecanice solicitate, variația proprietăților mecanice [9] (vezi fig. 3 și 4). Performanțele în ceea ce vizează implementarea acesteia în cadrul diverselor programe de calcul permite cu ușurință specialiștilor utilizarea diverselor tipuri de elemente de discretizare, diag-nosticarea rapidă a structurii discretizate, corecția erorilor și rediscretizarea structurii.

Timpii alocați acestor tipuri de simulări multi-scalare neliniare rămâne încă unul destul de consistent, cuprins între 4 la 200 ore, implică resurse de calcul și calculatoare performante, dar odată inițiat procesul acesta conduce la performanțe deosebite atât din perspectiva produsului rezultat dar și al etapelor de proiectare parcurse.

(a) (b)

Fig. 3. Variația modulelor de elaticitate la forfecare (a) și tracțiune (b) în direcția principală pentru structura compozită discretizată.

Fig. 4. Variația coeficientului Poisson a fibrelor de sticlă din configurația compozitului polimeric.

3. CONCLUZII

Proiectarea asistată de calculator și analiza multi-scalară neliniară a structurilor mecanice sunt procese care se intercorelează și influențează reciproc, constituind noul trend în ceea ce privește creșterea performanțelor acestor produse. În ceea ce privește industria automobilistică problemele devin complexe, producătorii individuali conștientizând importanța ma-terialelor moderne, avansate și influența acestora asupra costurilor de producție/produs final. Acestea din urmă pot fi reduse semnificativ printr-o abordare dinamică, realistă a fenomenelor și factorilor care

CREATIVITATE, INVENTICĂ, ROBOTICĂ

Buletinul AGIR nr. 2/2013 ● aprilie-iunie 82

influențează componentele fabricate din materiale compozite încă din etapa de proiectare dacă se ține cont și de comportarea elementelor constitutive – polimer și fibră – sub acțiunea diverșilor factori de influență, ceea ce se poate realiza corespunzător printr-o modificare de scală.

BIBLIOGRAFIE

[1] Chang T., Faison E. – Optimization of weld line quality in injection moulding using an experimental design approach, Journal of Injection Moulding Technology, vol. 3, no. 2, p. 1-66, 1999.

[2] Zheng R., Tanner R., Fan X – Injection molding. Integration of theory and modeling methods, ISBN 978-3-642-21262-8, Doi 10.1007/978-3-642-21263-5, Ed. Springer, 2011.

[3] Hambali A., Sapuan S. M., Ismail N., Nukman Y. – Composite manufacturing process selection using analytical hierarchy process, Int. J. of Mech. and Mat. Eng., vol. 4, no. 1, p. 49-61, 2009.

[4] Luca Motoc, D. – Materiale compozite cu pulberi. Analiză, modelare, fabricare și testare ultrasonică nedistructivă, Ed. Universității Transilvania din Brașov, 2005.

[5] Curtu I., Luca Motoc, D. – Micromecanica materialelor compozite. Modele teoretice, Ed. Universității Transilvania din Brașov, 2009.

[6] Zheng, R., Tanner, R., Fan, X. – Injection Molding – Integration of Theory and Modeling Method, Ed. Springer, 2011.

[7] Xu, J.- Microcellular Injection Molding, Ed. Wiley, 2010. [8] Jones, P. – Budgeting, Costing and Estimating for the

Injection Molding Industry, Ed. Smithers, UK, 2009. [9] Kwon, Y. W., Bang, H.: The Finite Element Method using

Matlab, CRC Press, 1997.

Despre autor

Conf. dr. ing. Dana LUCA MOTOC Universitatea „Transilvania” din Braşov

Este în prezent conferențiar universitar în cadrul Universității „Transilvania“ din Brașov, Facultatea de Știința și Ingineria Materialelor, Departamentul de Știința Materialelor. A obținut titlul de doctor inginer în 2003 în specialitatea Rezistența materialelor, elasticitate și plasticitate, cu distincția cum laudae și deține două masterate, unul european în domeniul Ingineriei mecanice și al Managementului energetic și altul în Finanțe și Bănci. Este autoar și coautor a 4 cărți de specialitate, dintre care 2 în domeniul materialelor compozite, a 9 lucrări publicate în reviste indexate ISI, a peste 20 de lucrări științifice publicate în volumele unor conferințe organizate de societăți profesionale internaționale cu indexare ISI, a unui brevet de inveție și a unei propuneri de brevet, a peste 120 de articole științifice publicate și prezentate în cadrul unor conferințe naționale și internaționale cu tematică în domeniul ingineriei mecanice.

Noi apariţii ale Editurii AGIR

ISBN: 978-973-720-431-8 170 pag., 15 RON

978-973-720-395-3 858 pag., 45 lei

ISBN: 978-973-720-397-7 184 pag., 15 RON