Расширенное производство композитных материалов:основы гибки балок

Прежде чем перейти к материалам и настройкам, которые определяют прочность детали, изготовленной с использованием ATL / AFP и композиты, важно понимать физику и теорию, лежащую в основе различных аспектов, которые влияют на его прочность. В этом разделе мы рассмотрим 3 концепции, которые закладывают основу для сильных частей ATL / AFP.

Основы изгиба балок / h2>

Детали ATL / AFP редко состоят из 100% углеродного волокна, так как с точки зрения затрат и экономии материалов полезно усиливать только те секции, которые испытывают наибольшую нагрузку. Вот почему большинство композитных деталей строятся больше как сэндвичи, причем самые внешние части являются композитным материалом, а внутренняя структура является сердцевиной.

Основное назначение сердечника - увеличить деталь до желаемой толщины без использования дорогостоящего углеродного волокна. Так что же, толщина оболочки или плотность сердцевины больше влияют на прочность детали? Ответ следует из простой теории изгиба балки.

Ключевой вывод из теории изгиба балки заключается в том, что верхняя и нижняя поверхности балки испытывают наибольшее усилие при изгибе, и мы можем оптимизировать прочность балки с учетом ее веса, добавляя материал только в этих крайних значениях, и используя как можно меньше материала.

Допустим, у нас есть простая балка, такая как мост, поддерживаемая с обеих сторон, а вес сосредоточен между концевыми опорами, как показано на следующей диаграмме.

Изображение 1. Базовый вариант нагрузки балки, поддерживаемой в двух точках, с грузом в центре

Мы можем абстрагировать эту модель до трех точек соприкосновения с балкой - одной для веса и двух для опоры. Это образует треугольник, в котором точки соприкосновения становятся вершинами.

Изображение 2. Упрощение точек соприкосновения создает треугольник, к которому будет применяться сила

Когда груз прикладывает силу к этой балке, представьте, что силы распределяются вместе с этой треугольной структурой. Два наклонных сегмента сжимаются, а горизонтальный сегмент подвергается растяжению.

Изображение 3:силы распределены по длине треугольника

Силы распределяются по длинам треугольника. Величина горизонтальной силы в конечном итоге зависит от толщины балки. По мере того, как балка становится толще, а нагрузка остается постоянной, углы основания треугольника увеличиваются, уменьшая результирующую горизонтальную силу, действующую на балку. Когда мы увеличиваем балку, мы видим, что угол силы, приложенной к опорам, становится более вертикальным:

Изображение 4:По мере того, как балка утолщается, треугольник становится выше. Таким образом, распределение силы изменяется

По мере увеличения этих углов результирующая растягивающая сила уменьшается. Это означает, что более толстая балка сможет противостоять изгибающей растягивающей силе груза намного легче, чем более тонкая балка. Здравый смысл заключается в том, что более толстая балка способна выдержать больший вес, чем более тонкая, и эта теория объясняет, почему.

Связанный аспект теории изгиба балки описывает, что наибольшие нагрузки на изогнутую балку прикладываются в крайних точках. Изгибающая сила, приложенная к балке, сводится к растягивающим и сжимающим силам по обе стороны от так называемой «нейтральной оси», плоскости балки, на которую не действует никакая нагрузка.

В этом случае материал ниже нейтральной оси нагружается при растяжении, а над нейтральной осью - при сжатии.

Изображение 5:Чем дальше от нейтральной оси, тем больше результирующая сила

Эта информация предполагает, что при оптимизации балки по ее прочности и весу материал оказывает наибольшее влияние на верхнюю и нижнюю поверхности часть, тогда как средняя выдерживает относительно небольшие усилия сдвига.

Особенно в ATL / AFP растягивающие нагрузки более важны и их легче оптимизировать, чем сжимающие нагрузки, потому что каждый слой волокна ведет себя как прядь (подробнее об этом позже).

Это объясняет, почему круглые и коробчатые трубы, двутавровые и тавровые балки так распространены в строительстве; они экономят вес, добавляя материал только в местах наибольших нагрузок. Круглая труба может выдерживать нагрузку со всех сторон, потому что независимо от того, откуда прикладывается сила, есть две крайние «поверхности».

Коробка может выдерживать нагрузки с четырех сторон, потому что с какой бы стороны ни прикладывалась нагрузка, у нее есть противоположная сторона, готовая испытать натяжение. Однако двутавровая балка способна выдерживать экстремальные нагрузки только с двух сторон, и аналогично тавровая балка эффективна только при нагрузке с одной стороны.

Изображение 6. Различные поперечные сечения несущих балок

Различные типы балок режут материал в разных областях в зависимости от ожидаемой нагрузки. Поэтому, думая о деталях при изгибе, помните об этих двух вещах:

• Более толстая балка сильнее тонкой балки

• Балка при изгибе испытывает самые высокие нагрузки на свои грани

Теперь, когда мы обсудили основы изгиба балок, эту теорию можно развить дальше, создав такие критически важные компоненты, как крылья самолетов, мачты кораблей и даже автомобильные шасси. Как только будет установлено твердое понимание, возможности композитов станут практически безграничными!

О Addcomposites

Добавитькомпозиты является поставщиком системы автоматизированного размещения волокна (AFP). Систему AFP можно арендовать на ежемесячной основе для работы с реактопластом, термопластом, укладкой сухого волокна или в сочетании с 3D-принтерами.