ΗΛΕΚΤΡΟΚΙΝΗΤΑ ΟΧΗΜΑΤΑ: ΚΑΤΑΣΤΡΟΦΙΚΗ ΚΑΤΑΠΟΝΗΣΗ ΙΑΤΟΜΩΝ ΛΕΠΤΟΥ ΠΑΧΟΥΣ ΑΠΟ ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ Α.Γ. Μάµαλης*, Κ.Ν. Σπέντζας**,.Ε. Μανωλάκος*, Μ.Β. Ιωαννίδης* Ε.Μ. Πολυτεχνείο Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών * Εργαστήριο Τεχνολογίας των Κατεργασιών 15780 Αθήνα Τηλ. +30 210 7723688, Fax +30 210 7723689 e-mail: mamalis@central.ntua.gr, manolako@central.ntua.gr, menelaos@central.ntua.gr ** Εργαστήριο Οχηµάτων 15780 Αθήνα Τηλ. +30 210 7721500, Fax +30 210 7721523 e-mail: spentzas@central.ntua.gr Περίληψη Παρουσιάζεται εκτεταµένη ερευνητική εργασία, που αφορά στη µελέτη της ικανότητας απορρόφησης ενέργειας που επιδεικνύουν τα σύνθετα υλικά σε περίπτωση σύγκρουσης, µέσω της καταπόνησης δοµικών στοιχείων λεπτού πάχους και ποικιλίας γεωµετρίας και µορφής, µε αντικειµενικό σκοπό την εξέταση της δυνατότητας χρήσης τους ως προστατευτικές κατασκευές έναντι σύγκρουσης στην αυτοκινητοβιοµηχανία. 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η αυτοκινητοβιοµηχανία επιδεικνύει ολοένα και µεγαλύτερο ενδιαφέρον στην εφαρµογή των συνθέτων υλικών (composites) για την κατασκευή επιµέρους δοµικών µερών των οχηµάτων. Επίσης, οι αυστηρές απαιτήσεις που τίθενται για τη συµπεριφορά των οχηµάτων έναντι σύγκρουσης έχουν οδηγήσει το ερευνητικό ενδιαφέρον στην ειδικότερη µελέτη των συνθέτων υλικών όχι µόνο για δοµικές εφαρµογές αλλά και ως υλικό προστατευτικών διατάξεων του οχήµατος. Είναι γεγονός ότι τα σύνθετα υλικά διαθέτουν ιδιαίτερα πλεονεκτικές ιδιότητες έναντι των άλλων συµβατικών υλικών, όπως είναι το µικρό ειδικό βάρος, η στιβαρότητα, η επάρκεια αντοχής και η υψηλή ικανότητα προς απορρόφηση ενέργειας σε περίπτωση σύγκρουσης., που τα καθιστούν ιδιαίτερα ελκυστικά για ευρεία γκάµα εφαρµογών. Επιπλέον, όλες οι παραπάνω ιδιότητες µπορούν να βελτιωθούν σε µέγιστο βαθµό µε κατάλληλο χειρισµό των ιδιοτήτων των συστατικών τους υλικών (µήτρα και ενισχυτικό υλικό). Στην παρούσα εργασία παρουσιάζεται εκτεταµένη ερευνητική προσπάθεια, που αφορά στη βελτιστοποίηση κατασκευών λεπτού πάχους από διάφορα συστήµατα συνθέτων υλικών ως προς την ικανότητα απορρόφησης ενέργειας σε κρουστική καταστροφική καταπόνηση, ώστε να χρησιµοποιηθούν σε προστατευτικές διατάξεις σε καθορισµένες θέσεις της δοµής του οχήµατος µε απόλυτη ασφάλεια [1-15]. 2. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ Μελετήθηκε εκτεταµένα η απόκριση σε αξονική συµπίεση δοµικών στοιχείων λεπτού πάχους από σύνθετο υλικό. Αποδείχθηκε ότι υπάρχουν διάφορες παράµετροι που επηρεάζουν σηµαντικά την ικανότητα απορρόφησης ενέργειας των συνθέτων υλικών. Οι κυριότερες µεταβλητές είναι το είδος του συνθέτου υλικού και η γεωµετρία του δοµικού στοιχείου. Η συµπεριφορά ενός συνθέτου υλικού εξαρτάται σηµαντικά από το είδος των συστατικών του (µήτρα και ενισχυτικό υλικό) που το κατατάσσουν σε ειδικότερες οικογένειες και τις µηχανικές ιδιότητες αυτών, καθώς επίσης και από ορισµένα ειδικά χαρακτηριστικά όπως είναι: το ποσοστό ινών, η διάµετρος και το µήκος ινών, και η διάταξη τους στη σύνθετη πλάκα (διαστρωµάτωση). οκιµάστηκαν εκπρόσωποι δύο οικογενειών συνθέτων ευρείας χρήσεως στην αυτοκινητοβιοµηχανία, τα σύνθετα υλικά µε πολυµερική µήτρα και ενίσχυση από ίνες γυαλιού (FRP composites) και τα σύνθετα υλικά µε ενίσχυση από ίνες άνθρακα (CFRP composites). Χρησιµοποιήθηκαν δύο υλικά FRP µε διαφορετική διαστρωµάτωση. Το πρώτο υλικό (Α), ήταν πολυεστερικής µήτρας µε τυχαία διατεταγµένες ίνες γυαλιού, οπότε το συνολικό σύνθετο υλικό επέδειξε συµπεριφορά στατιστικά ισότροπου υλικού, ενώ το δεύτερο υλικό (Β) ήταν βινυλεστερικής µήτρας µε ίνες γυαλιού διατεταγµένες σε 9 στρώσεις σε διευθύνσεις 0 ο και 90 ο, µε διαστρωµάτωση [(90/0/2Rc)/(2Rc/0/90)/Rc.75 ], όπου Rc σηµαίνει τυχαία διάταξη ινών, και το συνολικό σύνθετο υλικό είχε συµπεριφορά ορθοτροπικού υλικού. Η συµπεριφορά τους αυτή απεικονίζεται στις καµπύλες τάσεωνπαραµορφώσεων, όπως προέκυψαν από δοκιµή µονοαξονικού εφελκυσµού, βλ. σχ. 1. - 1 -
Σχήµα 1. Καµπύλες σ-ε για FRP σύνθετα υλικά Η επίδραση της γεωµετρίας του δοκιµίου επί της ικανότητάς του για απορρόφηση ενέργειας σε περίπτωση σύγκρουσης αφορούσε τη µεταβολή διαφόρων γεωµετρικών χαρακτηριστικών όπως: το πάχος τοιχώµατος, το ύψος, η µέση διάµετρος, η ηµιγωνία κορυφής (προκειµένου για κωνική διαµόρφωση του δοκιµίου) και κυρίως η συνολική γεωµετρία του στερεού που σχηµατιζόταν από το εξωτερικό περίγραµµα του. Εξετάσθηκαν δοµικά στοιχεία λεπτού πάχους κυλινδρικά, κόλουρα κωνικά, πρισµατικά ορθογωνικής διατοµής, µορφής κόλουρης τετραγωνικής πυραµίδας και ειδικής γεωµετρίας λεπτότοιχοι σωλήνες (διατοµής κλεψύδρας), τα περισσότερα εξ αυτών ήσαν κατασκευασµένα από FRP σύνθετο υλικό. 3. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΣΥΖΗΤΗΣΗ Σε κάθε περίπτωση, αναπτύχθηκαν διάφοροι µηχανισµοί κατάρρευσης, που χαρακτηρίζονταν από διαφορετική ικανότητα απορρόφησης ενέργειας ο καθένας. Αποδείχθηκε ότι ο πιο αποδοτικός από απόψεως ικανότητας απορρόφησης ενέργειας µηχανισµός ήταν εκείνος της προοδευτικής κατάρρευσης. Ο µηχανισµός αυτός χαρακτηρίζεται µακροσκοπικά από την εκκίνηση της κατάρρευσης του κελύφους από το ένα άκρο αυτού, η δε ζώνη θραύσης µετατοπίζεται βαθµιαία προς το άλλο άκρο του δοκιµίου µε την ταχύτητα της φόρτισης. Το λαµβανόµενο διάγραµµα φορτίου-µετατόπισης φορτίου έχει συνήθως τη µορφή καµπύλης πριονωτής µορφής µε ελαφρά ταλάντωση περί µία ευθεία σταθερής κλίσης, ενώ οι απότοµες διακυµάνσεις του φορτίου είναι πολύ περιορισµένες. Από µικροσκοπικής πλευράς, ο τυπικός µηχανισµός µικροθραύσεων που συνοδεύει την προοδευτική κατάρρευση του δοµικού στοιχείου περιλαµβάνει, βλ. σχ. 2(α)-(γ): Αρχικά, τον αποχωρισµό του τοιχώµατος του κελύφους σε δύο τµήµατα (fronds), που χαρακτηρίζονται ως εσωτερικό και εξωτερικό. Τα δύο αυτά τµήµατα κάµπτονται προς τα έξω και προς τα µέσα αντίστοιχα, ενώ ο µεταξύ τους κενός χώρος πληρούται από πολυθρυµµατισµένο υλικό ινών και µήτρας. Πολύ σύντοµα, σχηµατίζεται τριγωνική σφήνα από κονιοποιηµένο υλικό καθ όλη την περίµετρο του δοκιµίου, η οποία προχωρεί µε την ταχύτητα της φόρτισης προς το άθικτο άκρο του δοκιµίου, τριβόµενη στα δύο τµήµατα του τοιχώµατος, εξωθώντας τα προς περαιτέρω κάµψη, αλλά και στην πλάκα φόρτισης της πρέσας. Από τη βάση της σφήνας εκκινεί συνήθως µικρού ή µεγάλου µήκους ρηγµάτωση που, σε κάθε περίπτωση, προηγείται της µετατόπισης της σφήνας και διευκολύνει την εξέλιξη του µηχανισµού προοδευτικής κατάρρευσης. Στα κυλινδρικά κελύφη ο µικροσκοπικός µηχανισµός είχε τα ακόλουθα χαρακτηριστικά, βλ. σχ. 2(δ): Η κεντρική ρωγµή σχηµατίζεται στο µέσο περίπου του τοιχώµατος και εξελίσσεται µε σταθερή ταχύτητα και µέγεθος, προηγούµενη της κίνησης της σφήνας. - 2 -
Η µορφή της σφήνας είναι ισοσκελές τρίγωνο µε βάση περίπου ίση µε το πάχος του κελύφους και η διατοµή της παραµένει σταθερή καθ όλη τη διάρκεια της καταπόνησης. Ο όλος µηχανισµός χαρακτηρίζεται από συµµετρία. Το εξωτερικό τµήµα εκτείνεται προς τα έξω καµπτόµενο συνεχώς και διαχωρίζεται από αξονικές ρηγµατώσεις σε επιµέρους οµοιόµορφα τµήµατα, αντίθετα το εσωτερικό τµήµα του τοιχώµατος περιορίζεται στο εσωτερικό του κελύφους καµπτόµενο σε µικρότερες ηµικυµατώσεις. Και τα δύο τµήµατα φέρουν εκτεταµένη αποκόλληση στρώσεων (delamination) και πληθώρα µικροθραύσεων. (α) (β) (γ) (δ) Σχήµα 2. Μηχανισµός σταθερής προοδευτικής κατάρρευσης: (α) Έναρξη κατάρρευσης, (β) σχηµατισµός τριγωνικής σφήνας και κεντρικής ρωγµής, (γ) ενδιάµεση φάσης εξέλιξης της κατάρρευσης, (δ) µικρογράφηµα της ζώνης θραύσης κυλινδρικού δοκιµίου Στα κόλουρα κωνικά κελύφη η γωνία κορυφής παίζει σηµαντικό ρόλο στην εξέλιξη του µηχανισµού κατάρρευσης. Τα κύρια χαρακτηριστικά της καταπόνησής τους συνοψίζονται ως εξής, βλ. Σχ. 3: Η κατάρρευση του κελύφους εκκινεί από το άκρο µικρότερης διαµέτρου. Η θέση της σφήνας ως προς το µέσο επίπεδο του κελύφους επηρεάζεται σηµαντικά από τη γωνία κορυφής του κώνου. Όσο αυξάνεται η γωνία κορυφής, η κορυφή της σφήνας µετατοπίζεται προς τα έξω, το πάχος του εσωτερικού τµήµατος αυξάνεται, ενώ το πάχος του εξωτερικού τµήµατος µειώνεται. Σε µία συγκεκριµένη τιµή της - 3 -
γωνίας κορυφής το κέλυφος κάµπτεται εξ ολοκλήρου προς τα µέσα. Ο µηχανισµός κατάρρευσης εξακολουθεί να είναι προοδευτικός, αλλά ο µικροµηχανισµός αλλάζει εντελώς. Στη δεύτερη περίπτωση, µετά από ένα µήκος παραµόρφωσης σηµειώνεται αξονική ρωγµή που διατρέχει όλο το υπολειπόµενο ύψος του δοκιµίου, εκµηδενίζοντας ακαριαία οποιαδήποτε αντίσταση του κελύφους σε περαιτέρω φόρτιση του. Εφόσον εξελίσσεται ο προοδευτικός µηχανισµός κατάρρευσης, οι διαστάσεις της σφήνας συνεχώς αυξάνονται λόγω αύξησης της ακτίνας κατά το ύψος του δοκιµίου, Τούτο σηµαίνει ότι παρουσιάζει µεγαλύτερη ενεργή επιφάνεια επαφής µε τις υπόλοιπες τριβόµενες επιφάνειες (πλευρικά τµήµατα του τοιχώµατος και πλάκα πίεσης της ωστικής κεφαλής), γεγονός που οδηγεί σε βαθµιαία αύξηση του φορτίου. (α) (β) (γ) Σχήµα 3. Αξονική συµπίεση κόλουρων κωνικών δοκιµίων: (α) Η επίδραση της ηµιγωνίας κορυφής στην εξέλιξη του µηχανισµού κατάρρευσης, (β) εναλλακτικοί τύποι µηχανισµού προοδευτικής κατάρρευσης, (γ) µεταβολή των διαστάσεων της σφήνας κατά την εξέλιξη της καταπόνησης του κελύφους. - 4 -
Στα πρισµατικά κελύφη τετραγωνικής διατοµής, ο προοδευτικός µηχανισµός κατάρρευσης εξελίσσεται µε τον τυπικό τρόπο, διαταράσσεται όµως από τη µηχανική απόκριση των γωνιών του κελύφους. Στις θέσεις αυτές σηµειώνεται απόσχιση του υλικού σε όλο του το πάχος, µε αποτέλεσµα το κέλυφος να χωρίζεται σε τέσσερις διαφορετικές πλάκες που παρακολουθούν αυτόνοµατο µηχανισµό κατάρρευσης, τον οποίο όµως επηρεάζουν σηµαντικά, διότι ευνοούνται οι αποκολλήσεις των στρώσεων στις γωνίες που επεκτείνονται βαθµιαία σε ολόκληρη την περίµετρο του δοκιµίου, επιταχύνοντας την πλήρη αστοχία του. Χαρακτηριστικά των αποκλίσεων από την επίδραση των γωνιών παρουσιάζεται στο σχ. 4 για δοκίµια από FRP υλικό, ενώ επιβεβαιώνονται και από αντίστοιχες δοκιµές µε όµοια δοκίµια από CFRP υλικό, βλ. σχ. 5 και 6. (α) (β) (γ) Σχήµα 4. Η ζώνη θραύσης σε διάφορες θέσεις στην πλευρά ορθογωνικού δοκιµίου από FRP σύνθετο υλικό (α) Στο µέσο της πλευράς, (β) στο ¼ της πλευράς, (γ) κοντά στη γωνία του δοκιµίου. (α) Σχήµα 5. Προοδευτική κατάρρευση CFRP τετραγωνικού δοκιµίου (α) Τελικές όψεις παραµορφωµένου δοκιµίου, (β) ζώνη θραύσης. (β) - 5 -
Σχήµα 6. Μικρογραφήµατα σε διάφορες θέσεις κατά την περίµετρο CFRP τετραγωνικού δοκιµίου - 6 -
Στα δοκίµια µορφής τετραγωνικής πυραµίδας παρατηρήθηκε συνδυασµός χαρακτηριστικών των τετραγωνικών και κόλουρων κωνικών δοκιµίων(περισσότερες λεπτοµέρειες µπορούν να αναζητηθούν στην αναφορά [9]). 4. ΑΝΑΦΟΡΕΣ [1] A.G. Mamalis, D.E. Manolakos, G.L. Viegelahn, Crashworthy characteristics of thin fibre-reinforced composite frusta under axial collapse, Int. J. of Vehicle Design, Vol. 10, 1989, pp. 165-174 [2] A.G. Mamalis, D.E. Manolakos, G.L. Viegelahn, Crashworthy behaviour of thin-walled tubes of fibreglass composite materials subjected to axial loading, J. of Composite Materials, Vol. 24, 1990, pp. 72-91. [3] A.G. Mamalis, D.E. Manolakos, G.L. Viegelahn, Sin Min Yap, G.A. Demosthenous, On the axial crumpling of fibre-reinforced composite thin-walled conical shells, Int. J. of Vehicle Design, Vol. 12, 1991, pp. 450-467. [4] A.G. Mamalis, D.E. Manolakos, G.L. Viegelahn, G.A. Demosthenous, Sin Min Yap, Microscopic failure mechanism of thin-walled fibre-reinforced composite frusta under static axial collapse, Int. J. of Vehicle Design, Vol. 12, 1991, pp. 557-578. [5] A.G. Mamalis, D.E. Manolakos, G.A. Demosthenous, M.B. Ioannidis, Axial collapse of thin-walled fibreglass composite tubular components at elevated strain rates, Composites Engineering, Vol. 4, 1994, pp. 653-677. [6] A.G. Mamalis, D.E. Manolakos, G.A. Demosthenous, M.B. Ioannidis, Analytical and experimental approach to damage and residual strength of fibreglass composite automotive frame rails during manufacturing, Composite Structures, Vol. 32, 1995, pp. 325-330. [7] A.G. Mamalis, D.E. Manolakos, G.A. Demosthenous, M.B. Ioannidis, Analysis of failure mechanisms observed in axial collapse of thin-walled circular fibreglass composite tubes, Thin-Walled Structures, Vol. 24, 1996, pp. 335-352. [8] A.G. Mamalis, D.E. Manolakos, G.A. Demosthenous, M.B. Ioannidis, The static and dynamic axial collapse of fibreglass composite automotive frame rails, Composite Structures, Vol. 34, 1996, pp. 77-90. [9] A.G. Mamalis, D.E. Manolakos, G.A. Demosthenous, M.B. Ioannidis, Energy absorption capability of fibreglass composite square frusta subjected to static and dynamic axial collapse, Thin-Walled Structures, Vol. 25, 1996, pp. 269-295. [10] A.G. Mamalis, M. Robinson, D.E. Manolakos, G.A. Demosthenous, M.B. Ioannidis, J. Carruthers, Crashworthy capability of composite material structures, Composite Structures, Vol. 37, 1997, pp. 109-134. [11] A.G. Mamalis, D.E. Manolakos, G.A. Demosthenous, M.B. Ioannidis, The static and dynamic axial crumbling of thin-walled fibreglass composite square tubes, Composites Part B, Vol. 28B, 1997, pp. 439-451. [12] A.G. Mamalis, D.E. Manolakos, G.A. Demosthenous, M.B. Ioannidis, Analytical modelling of the static and dynamic axial collapse of thin-walled fibreglass composite conical tubes, Int. J. of Impact Engineering, Vol. 19, 1997, pp. 477-492. [13] A.G. Mamalis, D.E. Manolakos, G.A. Demosthenous, M.B. Ioannidis, Experimental determination of splitting in axially collapsed thick-walled fibre-reinforced composite frusta, Thin-Walled Structures, Vol. 28, 1997, pp. 279-296. [14] A.G. Mamalis, D.E. Manolakos, M.B. Ioannidis, D.P. Papapostolou, Crashworthy characteristics of axially statically compressed thin-walled square CFRP composite tubes: Experimental, Composite Structures, Vol. 63, 2004, pp. 347-360. [15] A.G. Mamalis, D.E. Manolakos, G.A. Demosthenous, M.B. Ioannidis, Crashworthiness of Composite Thin- Walled Structural Components, CRC Press, 2004. - 7 -