Process induced distortions of composite structures

Abstract

A significant problem encountered during the manufacturing process of thermoset composite structures is the distortion of their shape from their Computer-Aided Design (CAD) nominal geometry. In this research the effect of stacking sequence, specimen thickness, tooling material and curing cycle on Process Induced Distortion (PID) of L-shape composite structures is investigated experimentally and numerically. The specimens were manufactured from high temperature Vacuum Assisted Resin Transfer Moulding (VARTM) process with the EPIKOTE System 600 and IMS65 fibres. The spring-in angle of the parts was measured with a 3D scanner and a Coordinate Measuring Machine (CMM). A thermo-chemo-mechanical simulation approach was developed to simulate the experiment, which is composed of a thermo-chemical and a chemo-mechanical part. The purpose of the thermo-chemical part, is to calculate at every time increment the temperature distribution across the structure. The calculated temperature field can then be used as input to the chemo-mechanical module, which purpose is to calculate the stress state of the material at every time increment of the curing history. Two chemo-mechanical modules were developed. The first one employs a modified Cure Hardening Instantaneously Linear Elastic (CHILE) material model, and the second one a linear viscoelastic material model. The material modelling developed is applicable from the gelation point of the resin, and is implemented using the ABAQUS Finite Element Analysis (FEA) software. The effect of various Boundary Conditions (BCs) on simulation results were investigated. Simulation results were compared against analytical results and the measured spring-in angles. The spring-in angle of the parts predicted by the CHILE material model was found to be higher than that predicted by the viscoelastic model. The tool material significantly affects the distortion of the parts and contact boundary conditions should be employed for an accurate prediction of the part shape. Balanced, symmetric and thick laminates contribute to a reduction in part distortion, while elevated curing temperatures slightly affect the distortion level of the parts. The chemo-mechanical modules developed were also applied to predict PID of a composite test frame from the door surround structure of A350 aircraft. The material systems and processes used to manufacture this part are the same as those of the L-shape structures studied. The 3D scanned geometry of the frame was compared against simulation results from the two chemo-mechanical modules (CHILE and viscoelastic material model).It was found that manufacturing the product without any compensation will produce a part not meeting its manufacturing specifications. Furthermore, a tool geometry compensation approach based on the shape of the part after demolding will produce inaccurate results as the trimming operations release stresses and affect the distortion field of the structure. Finally, scripts were developed to automate the mirroring process of calculated distortions.

Ένα σημαντικό πρόβλημα που προκύπτει κατά τη διαδικασία παραγωγής εξαρτημάτων από σύνθετα υλικά είναι η παραμόρφωση του σχήματός τους από την ονομαστική τους γεωμετρία. Σε αυτή την έρευνα εξετάζεται πειραματικά και αριθμητικά, η επίδραση της αλληλουχίας διαστρωμάτωσης, του πάχους της κατασκευής, του υλικού των καλουπιών και του θερμικού κύκλου σκλήρυνσης της ρητίνης στην παραμόρφωση δοκιμίων σχήματος L από σύνθετα υλικά που προκαλείται κατά την κατασκευή τους. Τα δοκίμια κατασκευάστηκαν μέσω διάχυσης ρητίνης υπό κενό και υψηλή θερμοκρασία (Vacuum Assisted Resin Transfer Molding (VARTM)). Ο τύπος της θερμοσκληρυνόμενης ρητίνης που χρησιμοποιήθηκε είναι το EPIKOTE System 600 και οι ίνες IMS65. Η παραμόρφωση των δοκιμίων μετρήθηκε με έναν τρισδιάστατο σαρωτή και μια μηχανή μέτρησης συντεταγμένων (CMM). Αναπτύχθηκε λογισμικό για την προσομοίωση του πειράματος το οποίο λαμβάνει υπόψιν τα θερμικά, χημικά και μηχανικά φαινόμενα που λαμβάνουν χώρα κατά τον θερμικό κύκλο σκλήρυνσης της ρητίνης. Το λογισμικό απαρτίζεται από δύο μέρη. Το πρώτο μέρος λαμβάνει υπόψιν τα θερμικά και χημικά φαινόμενα και υπολογίζει ανά πάσα στιγμή την κατανομή θερμοκρασίας σε όλη τη κατασκευή. Αυτή η κατανομή μπορεί στη συνέχεια να χρησιμοποιηθεί ως είσοδος στο δεύτερο τμήμα του λογισμικού, έτσι ώστε να υπολογιστεί η τάση του υλικού σε κάθε χρονική στιγμή του θερμικού κύκλου σκλήρυνσης της ρητίνης. Για τoν υπολογισμό των τάσεων του υλικού αναπτύχθηκαν δύο μοντέλα υλικών. Το πρώτο κάνει χρήση της καταστατικής εξίσωσης ενός τροποποιημένου μοντέλο υλικού γνωστού ως Cure Hardening Instantaneously Linear Elastic (CHILE) και το δεύτερο μοντέλο της καταστατικής εξίσωσης ενός γραμμικού ιξωδοελαστικού υλικού. Η μοντελοποίηση σε κάθε περίπτωση ξεκινάει από το σημείο υαλώδους μετάπτωσης του υλικού και υλοποιείται με τη χρήση του λογισμικού ανάλυσης πεπερασμένων στοιχείων ABAQUS. Επιπλέον διερευνήθηκε η επίδραση διαφόρων οριακών συνθηκών (BCs) στα αποτελέσματα της προσομοίωσης. Τα αποτελέσματα της προσομοίωσης συγκρίθηκαν τόσο με τα πειραματικά αποτελέσματα όσο και με τα αποτελέσματα ενός αναλυτικού μοντέλου. Η παραμόρφωση των δοκιμίων που προβλέφθηκε με την χρήση του μοντέλου υλικού CHILE ήταν υψηλότερη από αυτή με την χρήση του ιξωδοελαστικού μοντέλου υλικού. Το υλικό των καλουπιών επηρεάζει σημαντικά την παραμόρφωση των δοκιμίων και θα πρέπει να χρησιμοποιούνται οριακές συνθήκες επαφής/τριβής για την ακριβή πρόβλεψη του σχήματος του δοκιμίου. Οι συμμετρικές διαστρωματώσεις αποτελούμενες από πολλές στρώσεις συμβάλλουν στη μείωση της παραμόρφωσης των δοκιμίων, ενώ οι υψηλές θερμοκρασίες του κύκλου σκλήρυνσης της ρητίνης επηρεάζουν ελαφρώς το επίπεδο παραμόρφωσης των δοκιμίων. Το λογισμικό που αναπτύχθηκε εφαρμόστηκε επίσης για την πρόβλεψη των παραμορφώσεων ενός πλαισίου που ανήκει στη περιβάλλων δομή της πόρτας του αεροσκάφους A350. Τα υλικά και η διαδικασία κατασκευής αυτού του εξαρτήματος είναι τα ίδια με εκείνα των δοκιμίων σχήματος L που μελετήθηκαν στο εργαστήριο. Η γεωμετρία του πλαισίου που κατασκευάστηκε αφού μετρήθηκε με την χρήση τρισδιάστατου σαρωτή συγκρίθηκε με τα αποτελέσματα της προσομοίωσης με την χρήση των δύο μοντέλων υλικού (CHILE και ιξωδοελαστικό μοντέλο υλικού). Διαπιστώθηκε ότι η κατασκευή του προϊόντος χωρίς κανένα μηχανισμό άμβλυνσης των κατασκευαστικών παραμορφώσεων θα παράγει ένα εξάρτημα που δεν πληροί τις προδιαγραφές κατασκευής του. Επιπλέον, μια προσέγγιση άμβλυνσης των κατασκευαστικών παραμορφώσεων μέσω αντιστάθμισης τους στην γεωμετρία του καλουπιού η οποία όμως βασίζεται στο σχήμα του εξαρτήματος μετά το ξεκαλούπωμα θα παράγει ανακριβή αποτελέσματα, καθώς οι μηχανουργικές εργασίες που ακολουθούν την κατασκευή απελευθερώνουν τάσεις και επηρεάζουν το πεδίο παραμόρφωσης του εξαρτήματος. Τέλος, αναπτύχθηκε λογισμικό για την αυτοματοποίηση της διαδικασίας κατοπτρισμού των υπολογισμένων παραμορφώσεων σε περιβάλλον προεπεξεργασίας πεπερασμένων στοιχείων.