Experimental investigation of composite-based compliant structures

• Autorzy: Hufenbach W. A. , Gude M. , Adam F. , Modler N. , Heber T. , Renner O. , Körner I. , Weck D.

Warianty tytułu

PL

Badania eksperymentalne kompozytów o strukturach podatnych

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Composite materials with their adjustable, high specific mechanical properties offer the possibility to realise loadadapted, locally functionalised lightweight structures. Here, compliant structures characterised by individually adaptable deformation behaviour are promising applications. Notwithstanding the substantial degree of function integration, competitive serial production of such components can be achieved by the use of composites based on thermoplastic matrix systems in close combination with efficient manufacturing technologies. This paper contributes to the development of composite compliant structures, specifically designed for use in bending dominated applications. The experimental studies including different fibrereinforcements make allowance for the composite adapted design of a beam structure and the associated load transfer elements. For this purpose, an adapted testing device was designed and installed, and various composite bending structures are compared. The experimental results show the suitability of fibre-reinforced composites with large elastic deformability for compliant structures. Different designs of the load transfer element were tested. Compared to the basic design, an increase of the load bearing capacity of the compliant structure by up to 100 % was achieved. This is facilitated by the aligned design of the composite beam and its associated load transfer elements.

PL

Materiały kompozytowe z dopasowanymi do założonych wymagań własnościami mechanicznymi oferują możliwość realizacji dostosowanych do obciążenia miejscowo funkcjonalizowanych struktur lekkich. W tym przypadku obiecującymi rozwiązaniami są "compliant structures" - tzw. struktury podatne, charakteryzujące się możliwością indywidualnie dostosowanego przebiegu deformacji. Pomimo znacznego stopnia integracji funkcji, konkurencyjność seryjnej produkcji tych elementów można osiągnąć poprzez zastosowanie materiałów kompozytowych z osnową termoplastyczną, w ścisłym połączeniu z wydajnymi technologiami wytwarzania. Przedstawiona praca wnosi wkład w rozwój tzw. struktur podatnych wykonanych z materiałów kompozytowych i wykorzystanych w układach z elementami zginanymi. Badania eksperymentalne, w których uwzględniono różne rodzaje włókien wzmacniających, pozwoliły na opracowanie struktury belki oraz powiązanych z nią elementów przenoszących obciążenie. W tym celu zaprojektowano i wykonano odpowiednie stanowisko badawcze służące do porównania różnych struktur z materiałów kompozytowych. Wyniki badań potwierdziły predyspozycje wykorzystania w strukturach podatnych kompozytów włóknistych zdolnych do dużych odkształceń sprężystych. Przetestowano różne warianty kształtu elementów przenoszących obciążenie, a wyniki badań potwierdziły poprawę nośności, w porównaniu z konstrukcją wyjściową, aż do 100%. Było to możliwe dzięki dopasowaniu konstrukcji belki kompozytowej oraz współpracujących z nią elementów przenoszących obciążenie.

Słowa kluczowe

EN

compliant structure; fibre-reinforced plastics; load transfer element

PL

struktury podatne; tworzywa sztuczne wzmocnione włóknami; element przenoszący obciążenie

• Wydawca: Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej
• Czasopismo: Kompozyty
• Rocznik: 2011
• Tom: R. 11, nr 3
• Strony: 187--191
• Opis fizyczny: Bibliogr. 16 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Hufenbach W. A.

autor

Gude M.

autor

Adam F.

autor

Modler N.

autor

Heber T.

autor

Renner O.

autor

Körner I.

autor

Weck D.

• Technische Universität Dresden, Institute of Lightweight Engineering and Polymer Technology (ILK), Holbeinstrasse 3, 01307 Dresden, Germany,

Bibliografia

• [1] Abounaim M., Hoffmann G., Diestel O., Cherif C., Thermoplastic composite from innovative flat knitted 3D multilayer spacer fabric using hybrid yarn and the study of 2D mechanical properties, Composites Science and Technology 2010, 70(2), 363-370.
• [2] Badawi S., Development of the weaving machine and 3D woven spacer fabric structures for lightweight composites materials, PhD thesis, Technische Universitat Dresden, 2007.
• [3] Grossmann K., Mühl A., Löser M., Chokri C., Hoffmann G., Torun A.R., New solutions for the manufacturing of spacer preforms for thermoplastic textile-reinforced lightweight structures, Production Engineering - Research and Development 2010, 4, 589-597.
• [4] Herzberg C., Zhao N., Rödel H., Konfektionstechnische Fertigung textiler 3D-Preforms für komplexe Leichtbauanwendungen [in:] Chemnitzer Textiltechnik-Tagung, Chemnitz 2009.
• [5] Hufenbach W., Adam F., Geller S., Krahl M., Integral solution strategies for the design of fibre-reinforced composites focussing automotive lightweight applications, Proceedings of 2nd International Conference on Advanced Metal Forming Processes in Automotive Industry AutoMetForm 2010, Freiberg, November 2010.
• [6] Hufenbach W., Böhm R., Thieme M., Winkler A., Mäder E., Rausch J., Schade M., Polypropylene-glass fibre 3D-textile reinforced composites for automotive applications, Materials & Design 2011, 32(3), 1468-1476.
• [7] Hufenbach W., Adam F., Beyer J., Krahl M., Zichner M., Lin S., Hanke U., Development of an adapted process technology for complex thermoplastic lightweight structures based on hybrid yarns, 17th International Conference on Composite Materials (ICCM-17), Edinburgh, July 2009.
• [8] Mäder E., Rausch J., Schmidt N., Commingled yarns - processing aspects and tailored surfaces of polypropylene/ glass composites, Composites Part A: Applied Science and Manufacturing 2008, 39, 612-623.
• [9] Christen G., Pfefferkorn H., Zum Bewegungsverhalten nachgiebiger Mechanismen, Wissenschaftliche Zeitschrift der Technischen Universität Dresden 2001, 50(3), 53-58.
• [10] Franitza D., Hufenbach W., Modler N., Modler K.-H., Bewegung durch Verformung - Simulation nachgiebiger Mechanismen aus thermoplastbasierten Faserverbundwerkstoffen, VDI-Bericht Nr. 1966, 389-402, 2006.
• [11] Modler K.-H., Franitza D., Landgraf G., Investigations to geometrically non-linear deformable mechanisms, Proceedings of Tenth World Congress on the Theory of Machine and Mechanisms, Oulu 1999, 2, 578-583.
• [12] Modler N., Nachgiebigkeitsmechanismen aus Textilverbunden mit integrierten aktorischen Elementen, PhD thesis, Technische Universitat Dresden 2008.
• [13] Modler N., Modler K.-H., Hufenbach W., Gude M., Jaschinski J., Zichner M., Lovasz E. C., Margineanu D., Perju D., Cyclic test of textile-reinforced composites in compliant hinge mechanisms, EUCOMES2010 - 3rd European Conference on Mechanism Science, Cluj Napoca, 14-18.09.2010.
• [14] Howell L., Compliant mechanisms, Wiley Interscience, Danvers 2001.
• [15] Hufenbach W., Täger O., Adam F., Modler N., Krahl M., Renner O., Advanced manufacturing techniques for textilereinforced thermoplastic composites considering piezoceramic actuators, Proceedings of the 12th International Scientific Conference on the Contemporary Achievements in Mechanics, Manufacturing and Materials Science (CAM3S 2006), Zakopane 27-30.11.2006.
• [16] Franke O., Schürmann H., Analysis of the interaction of adjacent layers of a GFRP laminate under fatigue loading, International Journal of Fatigue 2010, 32(1), 54-59.