A Framework for Fatigue Analysis of Carbon Fiber Reinforced Polymer Structures
Tid: Ti 2023-12-12 kl 10.00
Plats: F3 (Flodis), Lindstedtsvägen 26 & 28, Stockholm
Videolänk: https://kth-se.zoom.us/j/65952081Pu244
Språk: Engelska
Ämnesområde: Farkostteknik
Respondent: Sara Eliasson , VinnExcellence Center for ECO2 Vehicle design, Lättkonstruktioner, marina system, flyg- och rymdteknik, rörelsemekanik
Opponent: PhD Kim Branner, Technical University of Denmark, Department of Wind and Energy Systems
Handledare: Zuheir Barsoum, VinnExcellence Center for ECO2 Vehicle design, Farkostteknik och Solidmekanik; Per Wennhage, VinnExcellence Center for ECO2 Vehicle design, Farkostteknik och Solidmekanik
QC 231108
Abstract
Vårt samhälle är byggt för en fungerande vägskommunikation och lastbilar erbjuder flexibla lösningar för transporter och tjänster. Lastbilstransporter står emellertid för en fjärdedel av Europeiska Unionens CO2-utsläpp och i arbetet för ett mer hållbart transportsystem finns ett behov av att minska CO2-utsläppen för tunga fordon för att säkerställa en minimal miljöpåverkan. För att minska CO2-utsläppen för lastbilar måste deras energianvändning minskas. Ett sätt att minimera energianvändningen är att effektivisera lastbilens strukturella design och använda högpresterande material som kolfiberarmerade polymerer.
Tunga fordon utsätts kontinuerligt för väginducerade vibrationer och denna typ av utmattningslast sätter ofta designkriterierna för lastbilskomponenter. Därför behövs flexibla simuleringsmetoder för att främja och förenkla användandet av kompositmaterial i komponenter som dimensioneras för utmattning. Denna doktorsavhandling föreslår en probabilistisk modelleringsmetodik för att utvärdera utmattning av kolfiberkompositer. Avhandlingen bidrar till kunskap och insikt om utmattningsmodellering av kompositer samt en fördjupad förståelse av den föreslagna modelleringsmetodiken.
Arbetet består av experimentell provning och numerisk simulering. För att utföra utmattningsprovning etablerades en metodik som hjälper till att noggrant välja de parametrar som behövs för en lyckad provning av anisotropa material. För att bättre förstå skadeprogressionen hos kolfiberlaminat mäts och analyseras styvheten av provstaven under provets gång. Det kan konstateras att den initiala förlusten av styvhet kan relateras till skadeutvecklingen hos provstavarna.
Beståndsdelarna i kompositmaterial är av en mycket mindre längd-skala än laminatet. Därför används en tvåstegsmodelleringsteknik, mikro- och makromodellering, för att fånga de naturliga variationerna i materialet. Mikromodelleringen använder sig av representativa volymselement för att bestämma de effektiva makromekaniska egenskaperna hos ett kompositlaminat. De representativa volymselementen genereras baserat på experimentell data för att ta hänsyn till mikrogeometriska variationer som kan påverka kompositlaminatets beteende. Med avseende på den komplexitet och variation som kompositer uppvisar valdes en probabilistisk modelleringsmetodik för utmattning. En Weibull-fördelning i en Weakest link formulering användes för att utvärdera den kombinerade effekten av materialvariationer hos ett kolfiberlaminat baserat på numeriska makromodeller.
Doktorsavhandlingen presenterar en probabilistisk utmattningmodelleringsmetodik som ska vara lämplig för en industriell designprocess. Den utvecklade metoden är av stort värde för framsteg inom utmattningsmodellering av kompositer och syftar till att möta behov samt främja användningen av kompositer i komponenter som är dimensionerade för utmattning. Resultaten av denna doktorsavhandling spelar en avgörande roll i utvecklingen av framtida resurseffektiva fordon och för innovativa konstruktioner som använder rätt material på rätt plats.