CZ305681B6 - Kompozitní výztuha - Google Patents
Kompozitní výztuha Download PDFInfo
- Publication number
- CZ305681B6 CZ305681B6 CZ2013-1066A CZ20131066A CZ305681B6 CZ 305681 B6 CZ305681 B6 CZ 305681B6 CZ 20131066 A CZ20131066 A CZ 20131066A CZ 305681 B6 CZ305681 B6 CZ 305681B6
- Authority
- CZ
- Czechia
- Prior art keywords
- composite
- fiber bundles
- wound
- layer
- fiber strands
- Prior art date
Links
- 239000002131 composite material Substances 0.000 title claims abstract description 85
- 239000003351 stiffener Substances 0.000 title abstract 4
- 239000000835 fiber Substances 0.000 claims abstract description 114
- 238000004804 winding Methods 0.000 claims abstract description 12
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 10
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 9
- 230000000694 effects Effects 0.000 claims abstract description 7
- 239000011521 glass Substances 0.000 claims abstract description 5
- 230000008859 change Effects 0.000 claims abstract description 4
- 230000002787 reinforcement Effects 0.000 claims description 35
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims description 21
- 238000005452 bending Methods 0.000 claims description 13
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 claims description 6
- 238000000465 moulding Methods 0.000 abstract description 4
- 229920006395 saturated elastomer Polymers 0.000 abstract description 2
- 230000008030 elimination Effects 0.000 abstract 1
- 238000003379 elimination reaction Methods 0.000 abstract 1
- 230000003014 reinforcing effect Effects 0.000 abstract 1
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 7
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 6
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 4
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 3
- 230000032798 delamination Effects 0.000 description 3
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 3
- 238000000034 method Methods 0.000 description 3
- 230000005501 phase interface Effects 0.000 description 3
- 239000012783 reinforcing fiber Substances 0.000 description 3
- 241000286209 Phasianidae Species 0.000 description 2
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 description 2
- 230000016507 interphase Effects 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 2
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 2
- 229920002635 polyurethane Polymers 0.000 description 2
- 239000004814 polyurethane Substances 0.000 description 2
- 229920000049 Carbon (fiber) Polymers 0.000 description 1
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 239000004917 carbon fiber Substances 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 1
- 239000003365 glass fiber Substances 0.000 description 1
- 238000010191 image analysis Methods 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 230000001404 mediated effect Effects 0.000 description 1
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 1
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000010137 moulding (plastic) Methods 0.000 description 1
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 239000004033 plastic Substances 0.000 description 1
- 229920003023 plastic Polymers 0.000 description 1
- 238000011158 quantitative evaluation Methods 0.000 description 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 1
- 238000007670 refining Methods 0.000 description 1
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 230000002195 synergetic effect Effects 0.000 description 1
- 238000009864 tensile test Methods 0.000 description 1
- 238000012800 visualization Methods 0.000 description 1
Landscapes
- Reinforced Plastic Materials (AREA)
- Moulding By Coating Moulds (AREA)
Abstract
Kompozitní výztuha, zejména 3D uzavřená rámová kompozitní výztuha, určená pro vyztužení části karoserie motorových vozidel, například záďových dveří osobních automobilů pro omezení až eliminaci účinků na ně při provozu působících napětí je tvořena kompozitní vrstvou (1), sestávající z alespoň jedné vinuté vrstvy (2) na formovacím jádru (4) navinutých vlákenných svazků (3), resp. tzv. rovingů ze skelných, uhlíkových či jiných obdobných kontinuálních vláken, prosycených polymerní matricí. Vnitřní struktura kompozitní vrstvy (1) je řízena zejména hustotou a/nebo úhlem návinu a/nebo druhem vlákenných svazků (3) proměnlivá podle převažujícího různého druhu a velikosti jejího mechanického namáhání a tvořená kombinací spirálovitě vinutých vlákenných svazků (3.1) a podélně vinutých vlákenných svazků (3.2), které alespoň v části kompozitní vrstvy (1) mezi sebou plynule přecházejí změnou úhlu svého návinu, přičemž vnitřní struktura kompozitní vrstvy (1) je v části, namáhané na krut, složena zejména ze spirálovitě vinutých vlákenných svazků (3.1) a v části namáhané na tah a/nebo na ohyb zejména z podélně vinutých vlákenných svazků (3.2), které jsou ovinuty alespoň fixačními vlákennými svazky (3.3).
Description
RETROPATENT s.r.o, Mgr. Kamil Kolátor, Dolní náměstí 679/5,466 01 Jablonec nad Nisou (54) Název vynálezu:
Kompozitní výztuha (57) Anotace:
Kompozitní výztuha, zejména 3D uzavřená rámová kompozitní výztuha, určená pro vyztužení části karoserie motorových vozidel, například záďových dveří osobních automobilů pro omezení až eliminaci účinků na ně při provozu působících napětí je tvořena kompozitní vrstvou (l), sestávající z alespoň jedné vinuté vrstvy (2) na formovacím jádru (4) navinutých vlákenných svazků (3), resp. tzv. rovingů ze skelných, uhlíkových či jiných obdobných kontinuálních vláken, prosycených polymerní matricí. Vnitřní struktura kompozitní vrstvy (I) je řízena zejména hustotou a/nebo úhlem návinu a/nebo druhem vlákenných svazků (3) proměnlivá podle převažujícího různého druhu a velikosti jejího mechanického namáhání a tvořená kombinací spirálovitě vinutých vlákenných svazků (3.1) a podélně vinutých vlákenných svazků (3.2), které alespoň v části kompozitní vrstvy (1) mezi sebou plynule přecházejí změnou úhlu svého návinu, přičemž vnitřní struktura kompozitní vrstvy (I) je v části, namáhané na krůt, složena zejména ze spirálovitě vinutých vlákenných svazků (3.1) a v části namáhané na tah a/nebo na ohyb zejména z podélně vinutých
Kompozitní výztuha
Oblast techniky
Vynález se týká kompozitní výztuhy, zejména 3D uzavřené rámové kompozitní výztuhy, využitelné následně pro části karoserie motorových vozidel, například k vyztužení záďových dveří osobních automobilů pro omezení až eliminaci účinků na ně při provozu působícího napětí.
Dosavadní stav techniky
Kompozitní materiály jsou v současné době již poměrně široce používané materiály, které sestávají z vláknové výztuhy a z plastického pojivá, tzv. matrice, a jejichž základní výhodou je podstatně nižší hmotnost oproti kovovým materiálům, například oceli. Výztužná vlákna, například uhlíková, skelná nebo polymemí, mohou být v kompozitu obsažena jako sekaná s délkou řádově několika mm, která jsou v matrici rozptýlena, neb o kontinuální ve formě pramenců, tzv. rovingů. Kompozity s kontinuálními výztužnými vlákny se v převážné většině vyrábějí vrstvením matricí prosycené vláknové výztuhy ve vhodné formovací jádro, jehož tvar odpovídá tvaru požadovaného kompozitního výrobku, a to například postupným ovíjením formovacího jádra jednotlivými rovingy.
Z patentových spisů z této oblasti je například známé řešení dle české přihlášky vynálezu PV 2008-607, jejíž předmětem je výrobek, jehož vnitřní struktura je alespoň z části tvořena vláknovým kompozitem, obsahujícím nejméně jeden strukturní útvar, složený z kontinuálních výztužných vláken, impregnovaných polymemím pojivém. Tento strukturní útvar přitom sestává z hlavního svazku vláken, rovnoběžných s podélnou osou tohoto svazku, a z ovíjecího svazku vláken, spirálovitě uspořádaného po obvodu hlavního svazku vláken.
Z patentového spisu US 2006/0 175 454 je například dále známý způsob a zařízení k výrobě takovýchto ovíjených vláknových kompozitních výrobků, které je tvořeno kruhovým otočným prstencem s ovíjecími jednotkami, přičemž vlákny ovíjený výrobek prochází osou tohoto kruhového otočného prstence. Obdobný způsob a zařízení kjeho provádění je známý i ze spisu NL 2 003 620.
V převážné většině se však tato známá řešení týkají výrobků jednotlivých tvarů, a to vesměs ve tvaru rovných nebo pouze mírně zahnutých tyčí nebo trubek, které se pak do uzavřených rámových konstrukcí, jako jsou rámy jízdních kol a podobně, spojují dodatečně spojkami. Zároveň u těchto známých kompozitních výrobků, pokud mají být použity jako výztuhy složitěji namáhaných součástí, jako jsou záďové dveře osobních automobilů apod., není tato složitost dosud v plné míře respektována a pokud se takové výztuhy z kompozitních materiálů pro tyto účely vyrábějí, jsou pak v některých svých místech předimenzovány nebo naopak dimenzovány nedostatečně a je proto nutno dosud stále, zejména u sériově vyráběných vozidel, používat v těchto případech kovových výztuh nebo kovových rámů.
Podstata vynálezu
Výše uvedené nevýhody dosavadního stavu techniky jsou do značné míry odstraněny kompozitní výztuhou, zejména 3D uzavřenou rámovou kompozitní výztuhou, určenou pro vyztužení části karoserie motorových vozidel, například záďových dveří osobních automobilů pro omezení až eliminaci účinků na ně při provozu působících napětí, tvořenou kompozitní vrstvou, sestávající z alespoň jedné vinuté vrstvy na formovacím jádře navinutých vlákenných svazků, resp. tzv. rovingů ze skelných, uhlíkových či jiných obdobných kontinuálních vláken, prosycených polymemí matricí, podle předkládaného vynálezu. Podstata vynálezu přitom spočívá v tom, že vnitřní struktura této kompozitní vrstvy je řízené, a to zejména hustotou a/nebo úhlem návinu a/nebo druhem vlákenných svazků, proměnlivá podle převažujícího různého druhu a velikosti jejího mechanického namáhání a tvořená kombinací spirálovitě a podélně vinutých vlákenných svazků, které alespoň v části kompozitní vrstvy mezi sebou plynule přecházejí změnou úhlu svého návinu, přičemž vnitřní struktura kompozitní vrstvy je v části, namáhané na krůt, složena zejména ze spirálovitě vinutých vlákenných svazků a v části namáhané na tah a/nebo na ohyb zejména z podélně vinutých vlákenných svazků, které jsou ještě ovinuty v podstatě již jen z technologických důvodů alespoň fixačními vlákennými svazky.
Ve smyslu tohoto vynálezu tak může být vnitřní struktura této kompozitní vrstvy řízené proměnlivá jak v její jedné vrstvě, tak i mezi všemi jejími jednotlivými vinutými vrstvami. Výhodou řešení dle vynálezu je pak zejména možnost dosažení požadovaných mechanických vlastností v každém místě kompozitní výztuhy, a to zejména díky výše zmíněné proměnné hustotě ovíjení, přičemž i průřez jádra se může libovolně měnit podle potřeby konstrukce finálního dílu.
Zatímco z pevnostních důvodů jsou spirálovitě a podélně vinuté svazky obvykle tvořeny uhlíkovými vlákennými svazky, mohou být fixační vlákenné svazky z důvodu zejména úspory výrobních nákladů tvořeny již pouze skelnými vlákennými svazky, a to i s úhlem stoupání podstatně vyšším, než u spirálovitě vinutých vlákenných svazků, neboť fixační vlákenné svazky mají za úkol jen zajistit polohu podélně vinutých vlákenných svazků na obvodu výztuhy. Polymemí matrice může být přitom tvořena např. polyuretanem.
S výhodou se přitom úhel stoupání spirálovitě vinutých vlákenných svazků pohybuje v rozmezí 10 až 45° a fixačních vlákenných svazků v rozmezí 45 až 80°. U podélně vinutých vlákenných svazků se v podstatě jedná o úhel návinu o velikosti 0°.
Podstata vynálezu rovněž spočívá v tom, že hustota podélně vinutých vlákenných svazků v části kompozitní výztuhy, která je namáhána na ohyb, se koncentruje do oblasti, přivrácené k působícímu ohybovému namáhání.
Při konkretizaci řešení dle vynálezu je vycházeno z následujících skutečností a závěrů, vyplývajících z numerického modelování komplexního vlákenného kompozitu pro studii vlivu mechanických vlastností v závislosti na objemovém podílu a orientaci vláken.
Nejvyššího potenciálního ztužení rovinných trubkových dlouhovlákenných kompozitů, dále jen kompozitů, se dosáhne, jsou-li vlákna namáhaná až do meze pevnosti napětím přeneseným matricí. Matrice slouží především k přenosu napětí do vláken, které následně přenášejí většinu pevnosti kompozitu. Matrice zároveň slouží pro vytvoření kompaktní struktuiy a chrání před poškozením vláken, například oxidaci nebo působením agresivních látek či záření, především jeho UV složky, které vede ke značné ztrátě jejich pevnosti. Zvláštní pozornost je třeba věnovat fázovému rozhraní, tedy vrstvy mezi matricí a vlákny. Tato vrstva je rozhodující pro samotný vznik a existenci kompozitu, protože se kvalitativně jedná o zcela jinou fázi, která nemá vlastnosti ani matrice, ani výztuhy. Vlastnosti této mezivrstvy jsou rozhodující pro synergický efekt jednotlivých komponent. Pro průmyslové aplikace se zpravidla nepoužívají kompozity sjednosměmou výztuhou (uniaxiální), neboť rozložení vektoru hlavních napětí nepůsobí v celém konstrukčním prvku v jednom směru. Proto je důležitá znalost, jak významně ovlivňuje velikost hodnoty napětí pro různá zatížení samotná orientace vláken. Obecně empirické vztahy vycházející z experimentů jsou omezeny pouze na využití Youngových modelů pro tahová a tlaková napětí. Ve skutečnosti je kompozit zatěžován také silami, které v něm způsobují nejen napětí tahová a tlaková, ale také smyková, kde již empirické vztahy tuto skutečnost neumějí vhodně zohlednit. Je také zřejmé, že tato napětí působí nejen v hlavních složkách kompozitu, ale také mezifázi, která nebyla dosud vhodně popsána ani prostřednictvím empirických vztahů ani numerických simulací. Lze přitom poznamenat, že byly napsány řady hypotéz a teorií, ale vždy konkrétně pro daný uniaxiální vlákenný kompozit, a že také numerické modely jsou obecně odkázány na zjednodušení problému prostřednictvím již předefinovaného materiálového modelu, kde jedné geometrii zpravidla z SHEL elementů jsou definovány všechny fáze, což vede k tomu, že ke kvantitativnímu hodnocení kompozitu se využívá pouze plošné či objemové zastoupení jednotlivých komponent, tj. matrice a výztuha. To však nezohledňuje uspořádání vláken resp. vlákenného svazku ve vrstvě ani jejich geometrii, která určuje jedinečnost konkrétního provedení kompozitu. Například jemnost vláken je zcela rozhodující pro vznik mezifáze a liší se v závislosti na průměru vláken, tvaru průřezu (kruhový, hvězdicový, laločnatý) a povrchových vlastnostech vláken, především drsnosti, průřezu vláken a jejich orientace vzhledem k působícímu napětí apod. Z výše uvedeného je zřejmé, že uvedené možnosti stanovit dosažitelnou pevnost kompozitu jsou jen orientační, resp. idealizované. Vhodným nástrojem pro posouzení reálných mechanických vlastností kompozitu a zpřesnění empirických vztahů se jeví použití numerického modelování s využitím reálné geometrie struktury kompozitu. Nespornou výhodou je, že může takovéto simulace nahradit experiment, který je v reálných podmínkách nerealizovatelný, ať už z důvodu minimálních rozměrů sledovaných oblastí (rozhraní matrice - výztuha), nedostatečné přesnosti či rozsahu měření apod. Prostřednictvím odpovídajícího modelu lze např. vyšetřovat rozložení napětí na rozhraní jednoho vlákna s matricí, tedy na mikroúrovni, stanovit požadavky na vlastnosti matrice včetně minimálních požadovaných smykových napětí, mechanismus delaminace vrstev, optimalizace vzdáleností jednotlivých vrstev ve vícevrstvém kompozitu, vliv a optimalizaci orientace vrstev, vliv průměrů vláken apod., tedy na makroůrovni. Napětí se přenáší téměř výhradně výztuhou, a to ve směru osy vlákna resp. vlákenného pramence prostřednictvím matrice, uniaxiální kompozity (nulový úhel vlákenného svazku tj. podélné uspořádání vláken) pak přenášejí napětí takové ve směru vláken a určité ohybové napětí kolmo na osu vlákna, přičemž odolnost v krutu je nízká. Tahové napětí ve směru kolmém na vlákno, tj. pod úhlem 90° se téměř nepřenáší, odolnost je dána v podstatě jen vlastnostmi matrice. Taktéž odolnost vůči ohybu je zanedbatelná. Vlákna s orientací pod určitým úhlem přenášejí napětí v kruhu, ale na úkor přenosu napětí a tahu či tlaku. To je dáno tím, že část vláken neleží ve směru působícího napětí.
V multifázovém kompozitu vlákno - matrice - mezifáze s obecnou směrovou orientací vláken lze pak získat optimální strukturu pomocí numerických modelů řešených metodou konečných prvků, protože lze vyšetřit chování kompozitu na mikroúrovni a tyto vlastnosti aplikovat na makroúroveň, což empirické vztahy neumožňují. Jsou-li vlákna uspořádaná ve dvou kolmých směrech, přispívají příčná vlákna k podélné pevnosti při tahové zkoušce jen minimálně, ale jejich příspěvek se začne zvyšovat s orientací úhlu. Pod úhlem 45° popř. 30° nebo 60° získává muitifázový kompozit quasiizotropní charakter, kde lze nalézt pro konstrukci danému dílu optimální orientaci vláken vzhledem k požadavkům na mechanické vlastnosti. U vícevrstvých kompozitů se oproti jednosměrným kompozitům významně mění také var tahového pracovního diagramu, kde jeho sklon se v určité fázi namáhání náhle změní v důsledku porušování vrstev pod úhlem blížícím se k 90° ke směru zatížení. Z výsledků modelových simulací pro multifázové kompozity lze také stanovit, že orientace vláken ovlivňuje při daných zatěžujících stavech lineární průběh natahování (uspořádání vláken blížící se k 0°) a silně nelineární průběh (uspořádání vláken blížící se k 45°), což je také v souladu s experimenty. Samotné napětí pro dané přetvoření má průběh nelineární a je významně ovlivněno objemovým podílem vláken. Objemový podíl vláken způsobuje větší tuhost a odpor proti deformaci a tedy hodnota napětí roste, což je patrné u multifázového kompozitu v porovnání s jednosměrnými vlákennými kompozity. Samotný vnitřní povrch kompozitního systému lze obecně chápat jako integrál stykových ploch jednotlivých přítomných fází (vlákna - matrice - vlákna), podmiňující stupeň kontaktu a velikosti sil působících na fázovém rozhraní (stykový povrch mezi vlákny, resp. vlákennými svazky). Napětí z jedné fáze A (např. 1. svazek podélných vláken) do druhé fáze B (např. 2. Svazek podélných vláken) může být přenášeno buď přímým kontaktem (vlákenný svazek č. 1 - vlákenný svazek č. 2), nebo prostřednictvím spojovací vrstvy C, tj. matricí, která má určitou tloušťku mezi dvěma vlákennými svazky. Studovat a analyzovat tuto velmi složitou problematiku vzájemné soudržnosti danou mechanickými vlastnostmi všech přítomných fází, které lze považovat za silně nelineární jev, lze opět prostřednictvím numerického modelování, neboť sestavením odpovídající simulace lze přibližně popisovat kritické velikosti napětí při delaminaci. Také se musí konstatovat, že reálné povrchy a fázová rozhraní mají vyšší drsnost, než idealizovaná geometrie modelu (povrch s nepravidelností řádově ve stovkách 100 pm). Pomocí obrazové analýzy lze zjistit, že uvažovaný kontakt dvou vlákenných povrchů může být ve skutečnosti jen zdánlivý, neboť přenos sil zprostředkovává existence přenosové vrstvy, kterou nemusí být vždy jen matrice, ale při nedostatku tekutiny také plynná fáze (vzduch). Simulace pak mohou nabízet řešení posouzení vlivu vady na výsledné vlastnosti kompozitu, což může být užitečné, z hlediska mechanických vlastností takto připraveného kompozitu. Pro numerický model je proto nutné uvažovat i parametry existence takového rozhraní. Modelově to lze charakterizovat obecnou orientací výztuhy s přenosovou vrstvou v souladu s kompozitními teoriemi a popisem reálných vnitřních povrchů. Modelovat lze prostřednictvím porušitelných beamových lineárních prvků přenášející pouze tah, či nelineárních beamových prvků přenášející tah, tlak, ohyb i krůt. Z výsledků lze analyzovat, že samotná orientace výztuhy vzhledem ke směru působící síly významně ovlivňuje velikost výsledného modulu pružnosti. Při vyšetřování delaminace vrstev je vliv orientace výztuhy zcela zřejmý. Numerická simulace ukázala, že zcela orientovaná struktura (směr osy zatížení tj. 0°) vykazuje modul řádově E~104'5 MPa, při sklonu výztuhy vzhledem k působící síly 20° se snižuje na řádově E~103“4 MPa a výztuha orientovaná pod úhly 0, 20°, 60° dává modul pouze E~102,4 MPa. Závěrečné konstatování vede k tomu, že samotnou vizualizací geometrie lze následně sestavit odpovídající CAD model s geometrickým tvarem vlákenného kompozitu, úhel navíjení vlákenné vrstvy, počet vrstev, ale i tvarovou složitost geometrie konstrukčního dílu a následně v preprocesoru sestavit pravidelnou strukturovanou síť pro následné simulace.
Objasnění výkresů
Vynález je blíže osvětlen pomocí schematických výkresů zjednodušeného příkladného provedení kompozitní výztuhy podle vynálezu, kde znázorňuje:
obr. 1 - kompozitní výztuhu v půdorysu obr. 2 - kompozitní výztuhu v bokorysu obr. 3 - detailní kladení jednotlivých vinutých vrstev kompozitní výztuhy obr. 4- část kompozitní výztuhy s naznačeným průběhem vlákenných svazků v jedné vinuté vrstvě mezi oblastí namáhanou na tah a na ohyb obr. 5- část kompozitní výztuhy s naznačeným průběhem vlákenných svazků v jedné vinuté vrstvě mezi oblastí namáhanou na tah a na krůt obr. 6 - numerický model multifázového kompozitu pro studii mechanických vlastností obr. 7 - numerické modely při stejné hodnotě deformace obr. 7a- rozložení ekvivalentního napětí v jednosměrném vlákenném kompozitu (0°) obr. 7b - rozložení ekvivalentního napětí v jednosměrném vlákenném kompozitu (45°) obr. 7c- rozložení ekvivalentního napětí v jednosměrném vlákenném kompozitu (0° - matrice 45°).
Příklady uskutečnění vynálezu
Kompozitní výztuha je, jak patrno z obr. 1 a obr. 2, vytvořena v podobě uzavřeného 3D rámu a její vnitřní struktura, jak je dále patrno obr. 3, je tvořena kompozitní vrstvou 1, sestávající z celkem sedmi vinutých vrstev 2 na plastovém formovacím jádře 4 navinutých vlákenných svazků 3, prosycených polymemí, v tomto příkladném provedení polyuretanovou matricí. Struktura této kompozitní vrstvy 1 je, jak je dále blíže naznačeno, řízené jak hustotou a úhlem návinu, tak i druhem vlákenných svazků 3, proměnlivá podle místně převažujícího různého druhu a velikosti jejího mechanického namáhání, přičemž je tvořena kombinací jak spirálovitě vinutých vlákenných svazků 3.1. tak i podélně vinutých vlákenných svazků 3.2.
Jak je blíže patrno z obr. 3, je na formovacím jádru 4 nejprve uspořádána první vinutá vrstva 2.1, na níž je uspořádána druhá vinutá vrstva 2.2, dále pak třetí vinutá vrstva 2.3, čtvrtá vinutá vrstva 2.4, pátá vinutá vrstva 2.5, šestá vinutá vrstva 2.6 a sedmá vinutá vrstva 2.7. První a čtvrtá vinutá vrstva 2.1 a 2.4 je celá tvořena z uhlíkových pod úhlem 40° spirálovitě vinutých vlákenných svazků 3.1, druhá a pátá vinutá vrstva 2.2 a 2.5 je tvořena rovněž z uhlíkových ale pod úhlem 30° a s opačným stoupáním spirálovitě vinutých vlákenných svazků 3.1.
Třetí vinutá vrstva 2.3. jak je na obr. 3 naznačeno, je z části tvořena uhlíkovými podélně vinutými vlákennými svazky 3.2. které, jak je dále blíže naznačeno na obr. 5, přecházejí změnou úhlu svého návinu v dalším úseku do spirálovitě vinutých vlákenných svazků 3.1. Šestá vinutá vrstva 2.6 ie celá tvořena uhlíkovými podélně vinutými vlákennými svazky 3.2. jejichž hustota, jak je dále patrno z obr. 4, se v části namáhané na ohyb koncentruje do oblasti, přivrácené k působícímu ohybovému namáhání, naznačenému na obr. 3 šipkami.
Sedmá vinutá vrstva 2.7 je pak tvořena fixačním vlákenným svazkem 3.3, navinutými pod úhlem 80° pro zajištění polohy podélně vinutých vlákenných svazků 3.2 šesté vinuté vrstvy 2.6.
Jak je již uvedeno výše a je patrno z obr. 5 a obr. 6, samotné napětí pro dané přetvoření má nelineární průběh a je významně ovlivněno objemovým podílem vláken ve vlákenných svazcích 3. Objemový podíl vláken způsobuje větší tuhost a odpor proti deformaci, což je zřejmé u multifázového kompozitu v porovnání s jednosměrnými vlákennými kompozity.
Průmyslová využitelnost
Řešení dle vynálezu je široce využitelné zejména v automobilovém průmyslu s cílem snížení hmotnosti vyztužených tvarově složitých částí karoserie motorových vozidel při současném zvyšování jejich tuhosti.
Claims (3)
1. Kompozitní výztuha, zejména 3D uzavřená rámová kompozitní výztuha, určená pro vyztužení části karoserie motorových vozidel, například záďových dveří osobních automobilů pro omezení až eliminaci účinků na ně při provozu působících napětí, tvořená kompozitní vrstvou (1), sestávající z alespoň jedné vinuté vrstvy (2) na formovacím jádru (4) navinutých vlákenných svazků (3), resp. tzv. rovingů ze skelných, uhlíkových či jiných obdobných kontinuálních vláken, prosycených polymemí matricí, vyznačující se tím, že vnitřní struktura kompozitní vrstvy (1) je řízené zejména hustotou a/nebo úhlem návinu a/nebo druhem vlákenných svazků (3) proměnlivá podle převažujícího různého druhu a velikosti jejího mechanického namáhání a tvořená kombinací spirálovitě vinutých vlákenných svazků (3.1) a podélně vinutých vlákenný svazků (3.2), které alespoň v části kompozitní vrstvy (1) mezi sebou plynule přecházejí změnou úhlu svého návinu, přičemž vnitřní struktura kompozitní vrstvy (1) je v části, namáhané na krůt, složena zejména ze spirálovitě vinutých vlákenných svazků (3.1) a v části namáhané na tah a/nebo na ohyb zejména z podélně vinutých vlákenných svazků (3.2), které jsou ovinuty alespoň fixačními vlákennými svazky (3.3).
2. Kompozitní výztuha podle nároku 2, vyznačující se tím, že úhel stoupání spirálovitě vinutých vlákenných svazků (3.1) se pohybuje v rozmezí 10 až 45° a fixačních vlákenných svazků (4.3) v rozmezí 45 až 80°.
3. Kompozitní výztuha podle nároku 2, vyznačující se tím, že hustota podélně vinutých vlákenných svazků (3.2) se v části namáhané na ohyb koncentruje do oblasti, přivrácené k působícímu ohybovému namáhání.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CZ2013-1066A CZ305681B6 (cs) | 2013-12-23 | 2013-12-23 | Kompozitní výztuha |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CZ2013-1066A CZ305681B6 (cs) | 2013-12-23 | 2013-12-23 | Kompozitní výztuha |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CZ20131066A3 CZ20131066A3 (cs) | 2015-07-01 |
| CZ305681B6 true CZ305681B6 (cs) | 2016-02-03 |
Family
ID=53512873
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CZ2013-1066A CZ305681B6 (cs) | 2013-12-23 | 2013-12-23 | Kompozitní výztuha |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CZ (1) | CZ305681B6 (cs) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111042443A (zh) * | 2019-12-26 | 2020-04-21 | 北京工业大学 | 一种高抗压强度和延性的frp筋及其制备方法 |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3778322A (en) * | 1970-02-23 | 1973-12-11 | Ici Ltd | Process of forming spirally wound product |
| CZ17951U1 (cs) * | 2007-08-08 | 2007-10-23 | Prefa Kompozity, A. S. | Ovíjená výztuž z kompozitních materiálů |
| CZ2008607A3 (cs) * | 2008-10-10 | 2010-04-21 | Uher@Ondrej | Výrobek z vláknového kompozitu |
| CN102788199A (zh) * | 2012-08-15 | 2012-11-21 | 长春高祥特种管道有限公司 | 一种玻璃纤维树脂带缠绕连续增强复合管及制备方法 |
| JP2013095112A (ja) * | 2011-11-04 | 2013-05-20 | Shikibo Ltd | 複合材のドライプリフォーム及びその製造方法 |
| CN102434727B (zh) * | 2011-11-30 | 2014-03-05 | 徐云清 | 一种玻璃钢加筋管及生产方法 |
-
2013
- 2013-12-23 CZ CZ2013-1066A patent/CZ305681B6/cs unknown
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3778322A (en) * | 1970-02-23 | 1973-12-11 | Ici Ltd | Process of forming spirally wound product |
| CZ17951U1 (cs) * | 2007-08-08 | 2007-10-23 | Prefa Kompozity, A. S. | Ovíjená výztuž z kompozitních materiálů |
| CZ2008607A3 (cs) * | 2008-10-10 | 2010-04-21 | Uher@Ondrej | Výrobek z vláknového kompozitu |
| JP2013095112A (ja) * | 2011-11-04 | 2013-05-20 | Shikibo Ltd | 複合材のドライプリフォーム及びその製造方法 |
| CN102434727B (zh) * | 2011-11-30 | 2014-03-05 | 徐云清 | 一种玻璃钢加筋管及生产方法 |
| CN102788199A (zh) * | 2012-08-15 | 2012-11-21 | 长春高祥特种管道有限公司 | 一种玻璃纤维树脂带缠绕连续增强复合管及制备方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| P.D.Soden et al.:Influence of winding angle on the strength and deformation of filament-wound composite tubes subjected to uniaxial and biaxial loads, Composites Science and Technology 46 (1993), 363-378 * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111042443A (zh) * | 2019-12-26 | 2020-04-21 | 北京工业大学 | 一种高抗压强度和延性的frp筋及其制备方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CZ20131066A3 (cs) | 2015-07-01 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Qureshi | A review of fibre reinforced polymer structures | |
| Brooks et al. | Design and evaluation of additively manufactured parts with three dimensional continuous fibre reinforcement | |
| Deifalla et al. | Exploring GFRP bars as reinforcement for rectangular and L-shaped beams subjected to significant torsion: An experimental study | |
| Kalhor et al. | The effect of FRP thickness on energy absorption of metal-FRP square tubes subjected to axial compressive loading | |
| Elahi et al. | Theoretical study of absorbed energy by empty and foam-filled composite tubes under lateral compression | |
| Rafiee et al. | Simulation of functional failure in GRP mortar pipes | |
| Vanagas et al. | Strength of circular concrete columns reinforced with FRP bars and spirals | |
| Ozyurt et al. | Experimental and numerical studies on axially loaded reinforced square hollow section T-joints | |
| Lou et al. | Response of continuous concrete beams internally prestressed with unbonded FRP and steel tendons | |
| Zhou et al. | Failure mechanism and optimization of fiber-reinforced polymer cable-anchor system based on 3D finite element model | |
| You et al. | Tensile strength of GFRP reinforcing bars with hollow section | |
| Hain et al. | Influence of fiber orientation and shell thickness on the axial compressive behavior of concrete-filled fiber-reinforced polymer tubes | |
| Malekan et al. | Finite element analysis of a repaired thin-walled aluminum tube containing a longitudinal crack with composite patches under internal dynamic loading | |
| Zhao et al. | 3D gradual material degradation model for progressive damage analyses of unidirectional composite materials | |
| Mert et al. | Crashworthiness evaluation of hybrid tubes made of GFRP composite and aluminum tubes filled with honeycomb structures | |
| Gribniak et al. | Deformation analysis of RC ties externally strengthened with FRP sheets | |
| Miller et al. | Mechanical performance of highly loaded tow reinforced hybrid-molded composite structures | |
| Fava et al. | Mechanical behaviour modelling of a new anchor system for large diameter GFRP bars | |
| Azarm et al. | Retrofitting RC joints using flange-bonded FRP sheets | |
| Malakhov et al. | Progressive failure analysis of variable stiffness composite structures | |
| CZ20131066A3 (cs) | Kompozitní výztuha | |
| Liu et al. | Mechanical performance and failure mechanism of thick-walled composite connecting rods fabricated by resin transfer molding technique | |
| Colombi et al. | Fatigue reinforcement of steel elements by CFRP materials: Experimental evidence, analytical model and numerical simulation | |
| Kwon et al. | Further discussion on newly developed failure criteria for fibrous composites | |
| Liu et al. | Experimental and multiscale finite element analysis of the shear behavior of pultruded-braided CFRP bars |