Kap. 7 Úvod do kompozitních konstrukcí a inteligentních

Kap. 0
Úvod do kompozitních
konstrukcí a
inteligentních
konstrukčních struktur
Informační a vzdělávací centrum kompozitních technologií
&
Ústav mechaniky, biomechaniky a mechatroniky
FS ČVUT v Praze
2007 -2008
1
Idea inteligentních konstrukcí
Jsou inspirovány přírodou.
živočišného prvoka lze považovat za poměrně sofistikovanou „inteligentní konstrukci“
2
Definice inteligentních konstrukčních systémů
• Jsou inteligentní, multifunkční a přizpůsobivé
• Vykonávají svoji funkci inteligentně v závislosti na
zjištěných změnách okolních podmínek
• Obsahují:
– Snímače (senzory)
– výkonné členy (aktuátory)
– Vyhodnocení (monitoring)
= „nervový systém“
= „svaly“
= řídící systém „mozek“
• Jsou schopny opravit částečná poškození:
„samouzdravující se konstrukce = selfhealing structure“
3
Rozdělení konstrukcí
KONSTRUKCE
SMART
STRUCTURE
SYSTÉM
AKTUÁTORŮ
INTELIGENT
STRUCTURE
SYSTÉM
SENZORŮ
SYSTÉM MONITORINGU V
REÁLNÉM ČASE
4
Charakteristiky systémů
I.
Konstrukce se senzory (passive/sensory structures)
•
II.
Chytré konstrukce (reactive smart structures)
•
III.
možnost zjištění stavu konstrukce
nervový a výkonný systém umožňující změnu vlastností
konstrukce (např. změna tuhosti, tvaru ...)
Inteligentní konstrukce (intelligent structures)
•
schopnost učit se a přizpůsobovat se, reagovat adaptivně
•
schopnost samoléčení nebo imunita k poškozování
5
Příklady takových systémů
Snížení vibrací nosného rotoru vrtulníku
AFC = Active Fiber Composite piezoelectric
actuator
6
Příklady takových systémů
DARPA/AFRL/NASA/Northrop Grumman Smart Wing
Program
7
Snížení hluku v kabině dopravních letounů
8
Příklady takových systémů
Structures and Composites Laboratory Stanford University
9
Příklady takových systémů
Structures and Composites Laboratory Stanford University
10
Příklady kompozitní výroby
Zdroj : www.airbus.com.
11
Příklady kompozitní výroby
Zdroj : www.airbus.com.
12
Příklady kompozitní výroby
Největší dosud vyrobené
kompozitní díly: trup, křídlo,
kormidlo
Předvedení 8.6.2007
1.
zkuš. let
2.
1. dodávka květen 2008?
Zdroj http://www.aerospace-technology.com/projects/dreamliner
13
Příklady kompozitní výroby
Composites on the 787 will account
for 50 percent of the aircraft's
structural weight. Aluminum, by
contrast, will comprise only 12
percent of the aircraft. In fact, titanium
will make up a greater percentage
than aluminum, at 15 percent. Steel
will comprise another 10 percent and
other metals, the remaining 5 percent.
By contrast, the Boeing 777 is 12
percent composites and 50 percent
aluminum, and composites make up
about 25 percent of the total airframe
on the Airbus A380.
Zdroj : http://www.aerospace-technology.com/projects/dreamliner/
14
Příklady kompozitní výroby
http://www.answers.com/topic/composite-material
Fuselage: Section 47 is 23 feet long
and 19 feet in diameter
while section 48 measures 15 feet
long and 14 feet in diameter.
http://www.boeing.com/
15
Příklady kompozitní výroby
Největší díl vyrobený technologií
vacuum assisted process (VAP),
7000x4000 mm
Zdroj : www.airbus.com.
Airbus A400M
16
Příklady kompozitní výroby
Wind turbine blades are
composed of combinations
of fiberglass, carbon fiber,
and resin, states a press
release from MSU. With
modern blades reaching
lengths of up to 60m and
weights of up to 22 tones,
they may spin half a billion
times or more in their
hoped-for 20-plus-year life
spans. But no one is willing
to wait 20 years to see if a
particular composite
material for a blade holds
up or not.
www.daviddarling.info/images/wind_turbine_blade
The new 5 MW prototype from REpower Systems
AG (Hamburg, Germany): The rotor has a diameter
of 126m and a hub height of 120m.
17
Příklady kompozitní výroby
Source: Delta Marine, http://www.compositesworld.com/hpc/issues/2007/September/111959,
Carbon fiber was already in use for annual
production of five 112-ft/34m, five 130ft/40m and two 164-ft/50m motor yachts.
“We began looking at expanding carbon
fiber usage mainly for strength-to-weight
and labor savings improvements,” says
Olson. “The goal was to replace plies of
unidirectional E-glass with a lot fewer plies
of unidirectional carbon.”
Triton, a 163-ft motoryacht, features carbon fiber in its structural deck beams,
window mullions and radar mast. Carbon fiber in these deck-reinforcing stringers
(above) enables Delta Marine engineers to maximize headroom by using shallow
beams and to create large, spacious interiors without intruding stanchions and
bulkheads, while meeting stringent structural performance and reliability
requirements.
One target was deck beam caps, in which 15 to 18 plies of 18-oz unidirectional Eglass were replaced with one-third to one-half that many 20-oz uni carbon plies.
18
Příklady aplikací Compotech - ČVUT
19
Příklady aplikací Compotech - ČVUT
20
Příklady aplikací Aero - ČVUT
Com Repair
21
Příklady aplikací Compotech - ČVUT
a)
b)
c)
22
Nanočástice, nanokompozity:
CNT (Carbon nanotubes)
Mechanické vlastnosti:
•Modul pružnosti ~1 TPa
•Pevnost 150 GPa
•Tažnost 10-20%
•1-10% CNT v kompozitech:
Zdroj: www.smm.org
vzrůst pevnosti o 68%
tvrdosti až 100%
Youngova modulu až 200%
•Dovolí stavět kompozity pevnosti 10-100
GPa
23
Příklady takových systémů
24