Směr namáhání Youngův modul Optimalizovaný Youngův modul
E [MPa] E [MPa]
Podélný 0,9 0,9
Příčný 11,6 7,0
Obr. 3.16 CBR test - optimalizace
TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI KNT
4 Výsledky a diskuze
Z fotografií a modelů statické zkoušky tahem (viz Obr. 3.3 až Obr. 3.8) je zřejmé, že maximální napětí, získaná z numerického modelu, odpovídají napětím, která byla určena z experimentálních dat. Hodnoty napětí v numerickém modelu jsou mírně přikládat výrazně odlišným vlastnostem v příčném a podélném směru a tím vznikající nesouměrnost deformace v ose namáhání. To vede k nesouměrnému rozložené napětí
Při vyhodnocování modelu simulace byl tento výsledek potvrzen. U modelu CBR testu bylo zobrazované napětí v příčném směru výrazně vyšší než ve směru podélném (viz Obr. 3.14). Největší napětí bylo zaznamenáno v okolí styku průbojníku s materiálem. Další oblast, která projevovala velké zatížení, byla v okolí upevnění v čelistech v příčném směru. Na Obr. 3.12 a Obr. 3.13 je zobrazen výskyt hlavního napětí a je zde možné pozorovat oblasti s výskytem tahového a tlakového napětí. Obr.
3.14 ukazuje rozložení ekvivalentního napětí. Uvnitř materiálu se vyskytuje neutrální plocha, ve které se nachází minimální napětí.
Využití numerického modelu bylo ukázáno na optimalizaci. Bylo navrhnuto optimalizační řešení pro větší rozložení napětí v materiálu. Dle modelu je možné toho dosáhnout zvýšením tažnosti a snížením pevnosti v příčném směru. Následkem toho nastane snížení maximálního napětí při namáhání a tím i omezení rizikových míst z důvodu nízké tažnosti a poměrně velké pevnosti. V experimentu byla optimalizace řešena snížením Youngova modulu v tahu v příčném směru o 40 % (viz Tabulka 14).
Materiál poté vykazoval v kritických místech nižší napětí a napětí bylo i více rozloženo po celé ploše. Bylo zaznamenáno i snížení potřebné zatěžující síly o 30 %. Je třeba konstatovat, že by bylo možné dosáhnout detailnějších výsledků zavedením jemnější sítě a tím zvýšení počtu prvků v modelu. Vypočítané napětí by v místě styku průbojníku s materiálem bylo přesnější. Toto však nebylo s použitým hardwarem realizovatelné.
Např. velikost poloměru hrany průbojníku (2,5 mm) by vyžadovala velice jemné sítě.
Takové zmenšení rozměrů sítě by vedlo k mnohonásobnému navýšení výpočetního času.
5 Závěr a doporučení
Materiál Propylat® poskytnutý společností Borgers s.r.o. je používán pro výrobu zadních nadkolí. Pro výrobce je vhodné znát nastavení mechanických parametrů polotovaru pro výrobu dostatečně kvalitních produktů. K tomu je nutno využít vhodné metody, která popisuje zatěžování ve více směrech současně. Navržena tedy byla metoda statické zkoušky protržením (CBR test). Tato zkouška byla vybrána k testování, protože vhodně napodobuje namáhání materiálu v průběhu výroby a pomocí sítě nanesené na materiál umožňuje zkoumat lokální deformace materiálu. Tato metoda je schopna poskytnout určité informace, ne však komplexní popis chování materiálu.
Důvodem je např. vratná deformace po protržení, nemožnost sledovat síť z rubní strany materiálu nebo v místě kontaktu textilie s průbojníkem. Proto byla realizována MKP.
Provedením statické zkoušky tahem byly získány základní vlastnosti materiálu, které sloužily jako vstup pro tvorbu materiálové modelu v programu MKP, aby bylo dosaženo odpovídajícího přetvoření a mechanických vlastností materiálu. Poté následovalo modelování CBR testu.
TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI KNT vzniku nežádoucího chování materiálu při výrobním procesu. Pomocí optimalizace materiálu v MKP bylo navrženo snížení modulu v příčném směru (viz Obr. 3.16). Jak je z výsledků numerického modelu zřejmé, tato úprava přináší výrazné snížení anizotropie vzorku, což může zlepšit chování materiálu při lisování. V experimentu bylo uvažováno snížení modulu pružnosti v tomto směru o 40 %. Nastalo nejen snížení napětí na rizikových místech, ale docházelo i k jeho vhodnému rozložení po celé namáhané ploše.
Doporučení:
Z výsledků vyplývá, že statická zkouška protržením je vyhovující pro posouzení vlivu zatížení na materiál. Je vhodné před zkoušením nanést síť pro lepší možnost pozorování deformací (viz Obr. 2.12).
Umožnit pozorování materiálu i ze spodu, vytvořením výřezů do spodní části lisovací nádoby nebo instalací jednoduché kamery. Bude tak možné zaznamenat a analyzovat celý zatěžovací proces včetně kritických míst v materiálu.
Snížit anizotropii vlastností textilie pro získání homogenního chování při zatěžování a tedy i výsledných lisovaných materiálů.
Zohlednit tvarové uspořádání formy, zejména orientaci výztužných prvků vzhledem k anizotropním vlastnostem materiálu (prolisy) a vkládat materiál do formy vzhledem k této orientaci.
Do budoucna využít MKP pro simulaci celého lisovacího a tvarovacího procesu materiálu.
Použitá literatura
1. Russel, S. J. Handbook of Nonwovens. Leeds : University of Leeds, UK, 2006. ISBN 978-1-85573-603-0.
2. Raul, Jewel. Textile Testing. New Delhi : APH Publishing Corporation, 2010. ISBN 81-7648-748-1.
3. Slater, K. Physical Testing and Quality Control. Manchester : The Textile Institute, 1993. ISBN 978-1870812450.
4. ČSN EN 29073-3. Textilie - Zkušební metody pro netkané textilie - Zjišťování pevnosti v tahu a tažnosti. Praha : Český normalizační instotut, 1995. ICS 59.080.30.
5. ČSN EN ISO 9073-18. Textilie - Metody zkoušení pro netkané textilie - Zjišťování pevnosti v tahu a tažnosti netkaných materiálů pomocí tahové zkoušky grab. Praha : Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebictví, 2009. ICS 59.080.30.
6. CBR Test. CDEEP. [Online] CDEEP, 2015. [Citace: 8. 4. 2015.]
http://www.cdeep.iitb.ac.in/nptel/Civil%20Engineering/Transportation%20Engg%20I-09.05.07/2mtexf/1ltexf/p14/.
7. Mohyla, Marek. Silniční a geotechnická laboratoř. Inovace v studijního oboru Geotechnika. [Online] 2012. [Citace: 8. 4. 2015.] http://www.geotechnici.cz/wp-content/uploads/2012/08/kalifornsky-pomer-unosnosti.pdf.
8. ČSN EN ISO 12236. Geosyntetika - Statická zkouška protržením (zkouška CBR).
Praha : Český normalizační institut, 2007. ICS 59.080.30.
9. ČSN EN ISO 9073-5. Textilie - Metody zkoušení pro netkané textilie - Zjišťování odolnosti proti mechanickému pronikání. Praha : Úřad pro technickou normalizaci, 2009. ICS 59.080.30.
10. ČSN EN ISO 9073-4. Textilie - Zkušební metody pro netkané textilie - Zjišťování pevnosti v dalším trhání. Praha : Český normalizační institut, 1998. ICS 59.080.30.
11. Solfronk, Pavel. Numerická podpora výroby výlisků z plechu. Liberec : Technická
13. Hu, Jinlian. Fabric Testing. Manchester : Boca Raton, Fla. : CRC ; London : Taylor
TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI KNT
14. ČSN EN ISO 20482. Kovové materiály - Plechy a pásy - Zkouška hloubením podle Erichsena. Praha : Český normalizační institut, 2004. ICS 77.040.10.
15. Novák, Ondřej. 3D netkané textilie ve zdravotnoctví - simulace chování matrací při zatěžování. Liberec : Technická univezita v Liberci, 2010.
16. Hokr, Milan. Selected parts of physics – mechanics of. Ústav Nových technologií a aplikované informatiky. [Online] 2008. [Citace: 4. 4. 2015.]
http://www.nti.tul.cz/cz/images/8/8c/Vpf_eng_080909.pdf.
17. Solidworks. Nápověda pro SOLIDWORKS. SOLIDWORKS Web Help. [Online]
Dassault Systemes, 1995-2015. [Citace: 23. 3. 2015.]
[Online] 2006. [Citace: 24. 3. 2015.] http://old.uk.fme.vutbr.cz/kestazeni/MKP/.
22. Petruška, Jindřich. MKP v inženýrských výpočtech. Ústavu mechaniky těles, mechatroniky a biomechaniky. [Online] 2011. [Citace: 31. 3. 2015.]
http://www.umt.fme.vutbr.cz/img/fckeditor/file/opory/RIV/MKP2011.pdf.
23. Tománek, Jiří. Zpracování přehledu MKP aplikací na bázi Open Source. BRNO : Vysoké učení technické v Brně, 2010.
24. Salome. Salome-platform. [Online] Open Cascade, 2005-2015. [Citace: 26. 3. 2015.]
27. Tačner, Jan. Porovnání MKP programových systémů. Brno : Výsoké učení technické
28. Scia Engineer. nemetschek-scia. [Online] Nemetschek Scia, 2014. [Citace: 26. 3.
2015.]
29. Esi Group. ESI get it right. [Online] ESI Group, 2015. [Citace: 26. 3. 2015.]
https://www.esi-group.com/.
30. Lima, M., Vasconcelos, R.M. a Abreu, M.J. COMPARATIVE STUDY OF FRICTION COEFFICIENT IN NONWOVENS. Journal of Textile Engineering.
[Online] 2005. [Citace: 1. 5. 2015.]
https://repositorium.sdum.uminho.pt/bitstream/1822/9332/1/Comparative%20study%2 0of%20friction%20coeficiente%20in%20nonwovens%20using%20frictorq,%20fabric
%20friction%20tester.pdf.
31. McGinty, Bob. Von Mises Stress. Continuum Mechanics. [Online] 2014. [Citace: 13.
4. 2015.] http://www.continuummechanics.org/cm/vonmisesstress.html.
32. Meissner, B. a Zilvar, V. Fyzika polymerů. Praha : SNTL, 1987.
33. Militký, Jiří. Technické Textilie. Liberec : Technická univerzita v Liberci, 2002.
ISBN 80-7083-590-7.
TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI KNT
Seznam obrázků
Obr. 1.1 Fotografie trhacího zařízení s příslušenstvím v laboratoři KNT ... 10
Obr. 1.2 Schéma pro zkoušku grab ... 11
Obr. 1.3 Schéma CBR testu (6) ... 11
Obr. 1.4 Schéma statické zkoušky protržením ... 12
Obr. 1.5 Schéma zkoušky odolnosti proti mechanickému pronikání ... 13
Obr. 1.6 Šablona pro zkoušku pevnosti v dalším trhání s lichoběžníkem ... 14
Obr. 1.7 Schéma hydraulické metody zjišťování pevnosti (11) ... 15
Obr. 1.8 Zkouška podle Erichsena ... 16
Obr. 1.9 Závislost v po částech lineárně elastického materiálu (15) ... 19
Obr. 1.10 Porovnání materiálových modelů (18) ... 21
Obr. 1.11 Ukázka sítě konečných prvků (Ansys Workbench) ... 23
Obr. 1.12 Trojúhelníkový prvek (22) ... 24
Obr. 1.13 Čtyřstěnný prvek (22) ... 24
Obr. 1.14 Osmiuzlový šestistěn a jeho tvarově degenerované podoby (22) ... 24
Obr. 1.15 Dvacetiuzlový šestistěn a jeho tvarově degenerované podoby (22) ... 25
Obr. 1.16 Schéma posuvu 1D elementu (18) ... 25
Obr. 1.17 Konvergence řešení (21) ... 27
Obr. 1.18 Rozdíl kontinuity dle druhu řešení (18) ... 27
Obr. 1.19 Příklad energetické chyby (18) ... 27
Obr. 1.20 Úpravy modelu při použití h-konvergence (18) ... 28
Obr. 1.21 Logo ANSYS Inc. (20) ... 31
Obr. 1.22 Ukázka grafického řešení v Ansys Workbench ... 31
Obr. 1.23 Návrh jednoduché geometrie v Ansys Workbench ... 32
Obr. 1.24 Zavedení podpor a zatížení ... 33
Obr. 1.25 Meshing ... 33
Obr. 1.26 Graficky vykreslené řešení (zobrazení napětí) ... 33
Obr. 2.1 Propylat® (líc) ... 37
Obr. 2.2 Propylat® (rub) ... 37
Obr. 2.3 Lisovací forma s nahřívacím lisem v pozadí (foto J. Punčochář) ... 39
Obr. 2.4 Trhací zařízení upravené pro CBR test ... 40
Obr. 2.7 Závislost zatěžovací síly na prodloužení vzorku v podélném směru ... 42
Obr. 2.8 Závislost zatěžovací síly na prodloužení vzorku v příčném směru ... 43
Obr. 2.9 Závislost zatěžovací síly na prodloužení vzorku v diagonálním směru ... 44
Obr. 2.10 Závislost zatěžovací síly na prodloužení u reprezentativních vzorků ... 44
Obr. 2.11 Závislost zatěžovací síly na prohloubení u statické zkoušky protržením ... 46
Obr. 2.12 Náhled na zdeformovanou síť po odlehčení při CBR testu ... 46
Obr. 3.1 Graf experimentálních dat do 50 % deformace ... 48
Obr. 3.2 Schéma zobrazení posuvu a vazeb při tahové zkoušce ... 49
Obr. 3.3 Namáhání materiálu v podélném směru (deformace - 50 mm) ... 50
Obr. 3.4 Model namáhání materiálu v podélném směru (deformace - 50 mm) ... 50
Obr. 3.5 Namáhání materiálu v příčném směru (deformace - 50 mm) ... 51
Obr. 3.6 Model namáhání materiálu v příčném směru (deformace - 50 mm) ... 51
Obr. 3.7 Namáhání materiálu v diagonálním směru (deformace - 50 mm) ... 51
Obr. 3.8 Model namáhání materiálu v diagonálním směru (deformace - 50 mm) ... 51
Obr. 3.9 Schéma zobrazení posuvu a vazeb při CBR testu ... 52
Obr. 3.10 Zadání kontaktu ... 52
Obr. 3.11 Model s vynesenou sítí (mesh) konečných prvků ... 53
Obr. 3.12 CBR test - Maximum Principal Stress (pohled 1) ... 54
Obr. 3.13 CBR test - Maximum Principal Stress (pohled 2) ... 54
Obr. 3.14 CBR test - Equivalent Stress (von-Mises) ... 55
Obr. 3.15 CBR test - Vector Principal Stress ... 55
Obr. 3.16 CBR test - optimalizace ... 56
TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI KNT
Seznam tabulek
Tabulka 1: Parametry realizovaných zkoušek ... 36
Tabulka 2 : Parametry výroby netkané textilie ... 37
Tabulka 3 : Parametry nahřívání ... 38
Tabulka 4 : Parametry lisování ... 38
Tabulka 5: Výsledné hodnoty hmotnosti ... 41
Tabulka 6: Výsledné hodnoty tloušťky materiálu ... 42
Tabulka 7: Výsledné hodnoty v podélném směru ... 42
Tabulka 8: Výsledné hodnoty v příčném směru ... 43
Tabulka 9: Výsledné hodnoty v diagonálním směru ... 43
Tabulka 10: Vypočítané parametry materiálu ... 45
Tabulka 11: Výsledné hodnoty statické zkoušky protržením ... 45
Tabulka 12: Hodnoty zatěžující síly při 50% deformaci ... 48
Tabulka 13: Hodnoty napětí a Youngova modulu při 50% deformaci ... 50
Tabulka 14: Optimalizované hodnoty Youngova modulu ... 56
Seznam příloh
Příloha 1: Tabulka naměřených hodnot tloušťky a hmotnosti ... 67Příloha 2: Tabulka naměřených hodnot statické zkoušky tahem ... 67
Příloha 3: Tabulka naměřených hodnot statické zkoušky protržením (CBR test) ... 68
Příloha 4: Tabulka hodnot při deformaci 50 mm u statické zkoušky tahem a 55 mm prohloubení u statické zkoušky protržením (CBR test) ... 68
Příloha 5: Rozložení napětí podélného vzorku při deformaci 50 mm ... 69
Příloha 6: Rozložení napětí příčného vzorku při deformaci 50 mm ... 70
Příloha 7: Rozložení napětí diagonálního vzorku při deformaci 50 mm ... 71
Přílohy
TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI KNT
Příloha 1: Tabulka naměřených hodnot tloušťky a hmotnosti
Tloušťka Hmotnost
Aritmetický průměr 7,80 13,01
Rozptyl 0,05 0,06
Směrodatná odchylka 0,22 0,24
Variační koeficient 2,77 1,83
Interval spolehlivosti (95%) 0,15 0,17