Az eCon Engineering Kft. az alábbi projektben szilárdságtani elemzést végzett egy polimer kompozit vasúti műszerfal rétegoptimalizálásával, amelynek keretében különböző szimulációs megoldásokkal támogatta a megbízó cég tervező csapatát a fejlesztés során.
A terhelések és a peremfeltételek az EN 12663 vasúti szabványon alapulnak, amely leírja azokat a releváns terhelési eseteket, melyek a szerkezet működésére hatással lehetnek. A terhelések két fő csoportra oszthatók: megkülönböztetjük az extrém és az üzemi terheléseket.
A vizsgált műszerfal anyaga üvegszállal erősített polimer kompozitból épül fel. A szimulációs feladat fő célja az volt, hogy meghatározzuk a kompozit szerkezet megfelelő rétegszámát és réteg-orientációját. Ha erősítőrétegként üvegszál paplant alkalmazunk, vagy ha az alapszerkezet kvázi-izotrop rövidszálas kompozit, akkor a szimuláció során meghatározhatóvá váltak azok a területek is, ahol további egyirányú erősítőrétegekre van szükség.
Végeselemes modell (FE-Modell) és a peremfeltételek
A műszerfal mechanikai viselkedését végeselemes szimulációval vizsgáltuk. A kompozit szerkezetet rétegelt héjelemekkel építettük fel, az egyes rétegeket homogén ortotrop anyagmodellel vettük figyelembe, melynek paramétereit próbatesteken végzett mechanikai vizsgálatok segítségével határoztuk meg. A műszereket és a kijelzőket koncentrált tömegpontokként modelleztük, pontos tömeg- és tehetetlenségi értékekkel. A csavarkötéseket rúdelemekkel, előfeszítő erővel és érintkező felületekkel a csavarfejnél és az anyánál modelleztük. A kvázi-statikus terhelési eseteket a különböző irányú gyorsulás terhelésekkel Ansys-szal számítottuk.
Kompozitanyag mechanikai vizsgálatok
A kompozit szerkezetek szimulációja esetén nagyon fontos az anyag irányfüggő mechanikai paramétereinek pontos meghatározása. Az eCon Engineering mérőlaboratóriumában rendelkezünk egy 50 kN-os szakítógéppel és egy 100 kN-os fárasztógéppel, amelyek további készülékekkel felszereltek, mint például hajlítófeltétek, nyomófeltétek, optikai- és hőkamerák. A nyúlásértékeket nagy pontossággal, nyúlásmérő bélyegekkel vagy optikai úton is meghatározhatjuk.
Eredmények kiértékelése
Elsőként kiértékeltük a deformációkat a különböző terhelések esetében; a kompozit alkatrészek esetében pedig a kompozit tönkremeneteli kritériumokat is. Mivel képesek vagyunk méréssel pontosan meghatározni a szilárdsági értékeket az anyag különböző irányaiban, az anyagállandókat tetszőleges másodrendű tönkremeneteli kritériumhoz illeszthetjük, például Tsai-Hill, Tsai-Wu és Hoffmann, majd kiszámíthatjuk az anyagkihasználtság értékeket és a biztonsági tényezőket is. Ha szükséges, alkalmazhatunk olyan kifinomultabb tönkremeneteli kritériumokat a kiértékeléshez, mint Hashin és Puck tetszőleges tönkremeneteli valószínűségre számolva, és kiszámíthatjuk a rétegelválásra (delamináció) vonatkozó biztonsági tényezőt is.
A bemutatott szimulációs megközelítés számos, különböző típusú műszerfalra alkalmazható, és hatékony módszer a polimer kompozit alkatrészek fejlesztésében, különösen a tervezés korai szakaszában.
