Geri Dön

Vacuum infusion (VI) process modeling and material characterization with viscoelastic compaction models

Viskoelastik sıkıştırma modelleri ile malzeme karakterizasyonu ve vakum infüzyon (VI) işlemi modellemesi

PDF İndir

  1. Tez No: 367632
  2. Yazar: BEKİR YENİLMEZ
  3. Danışmanlar: DOÇ. DR. ERCÜMENT MURAT SÖZER
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2014
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: Koç Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: 327

Özet

Vakum infüzyon (VI) imalat usulünde, kuru elyaf yatağı tek taraflı kalıp parçası ve vakum torbası arasında sıkıştırılır, daha sonra termoset reçine infüzyonuyla elyaf takviyeli kompozit parça imal edilir. Vakum torbasının üst kalıp parçası olarak kullanılması imalat masraflarını düşürür, fakat daha önemlisi rüzgâr tribünü kanatları gibi büyük parçaların imalatına olanak sağlar. Çift katı parçalı kalıpla imalat usullerine (Reçine Transfer Kalıplama, RTM gibi) kıyasla, rijit olmayan üst kalıp parçası sebebiyle VI parçalarında önemli miktarda kalınlık varyasyonu olmaktadır. Parça boyut toleranslarının düşük olması gerektiği durumlarda elyaf yatakların sıkışma karakterizasyonunun yapılması gerekmektedir. Sıkışma ve reçine akış modelleri birlikte çözülerek imalat usulü modellenmesi mümkün olur. Elastik modellere kıyasla viskoelastik modeller, elyaf kumaşların zamana bağla sıkışma davranışını temsil edebildiği için avantajlıdır. Sabit baskı basıncında bile, elyaf kumaşların önemli miktarda kalınlık değişimine uğraması nedeniyle, elastik model kullanılması VI simülasyonunun doğruluğunu azaltmaktadır. Elastik modellere kıyasla viskoelastik model kullanarak, daha yüksek doğrulukla VI'ın kalıp dolumu ve dolum sonrası fazlarının modellenmesi mümkündür. Bu, kalıp dolum süresini ve son parça kalınlık dağılımını tahmin etmeyi mümkün kılar. Parametre sayısı ve 𝑅2 göz önüne alındığında, Burgers modelinin diğer 4 modelden daha yüksek performanslı olduğu gözlenmiştir. Fakat Burgers modeli, sabit yük altında fiziksel olarak gerçekçi olmadığı halde sonsuz deformasyona uğramaktadır. Eğer simülasyonda uzatmalı yerleşme zamanı bekleniyorsa, yavaş viskoz davranışlı plastik deformasyonu temsil eden Generalized Maxwell modeli (n=2) kullanılmalıdır. Bu çalışma kompozit imalat literatürüne aşağıdaki katkıları sağlamaktadır: (1) VI da kullanılan elyaf takviye yataklarının sıkışma davranışını temsil eden sıkışma karakterizasyon deney prosedürü tasarlanmıştır; (2) işçilik hatalarını azaltmak ve tekrarlanabilirliğini arttırmak için otomasyona geçirilmiş karaterizasyon deney düzeneği kurulmuştur; (3) keçe ve dokuma elyaf yatak tipleri için, karaterizasyon veri tabanı elde edilmiştir; (4) damper ve lineer olmayan yay kullanan 5 viskoelastik sıkıştırma modeli (Maxwell, Kelvin-Voigt, Zener, Generalized Maxwell ve Burgers) ve 1 elastik model kullanılarak VI'nın farklı fazları incelenmiştir; (5) modellerin karşılaştırmaları yapılarak, farklı elemanların sıkıştırma modeline etkisi ve parametrelerin fiziksel tepkiye katkısı çalışılmıştır. Her bir elyaf tipi için 8 farklı deney seti yapılarak farklı sıkıştırma parametrelerinin (yükleme/boşaltma hızı, relaksiyon basıncı ve numunenin kuru ya da ıslak olması) karakterizasyona etkisi incelenmiştir. VI'ın her bir fazı için diferansiyel denklem çözümleyicilerinin sistem denklemleri üzerinde kullanılmasıyla fazlar arasındaki süreksizlik problemi bertaraf edilmiştir. Reçine akış modeli ve bir viskoelastik modelin (modellemesi istenen VI fazına bağlı olarak tercihen Generalized Maxwell (n=2) veyahut Burgers modeli) beraber kullanılmasıyla, VI dolum sonrası fazında kontrol aksiyonları sonucu oluşan basınç ve kalınlık dağılımı zamana bağlı geçişleri daha yüksek hassasiyetle simüle etmek mümkün olmaktadır. Elastik modeller zamana bağlı tepki veremedikleri için bu durumlarda başarısız olmakta bu sebeple bu çalışmada verilen viskoelastik modeller tercih edilmektedir.

Özet (Çeviri)

In the Vacuum Infusion (VI) process, a dry fabric preform is compacted between a single-sided mold half and a vacuum bag, and then impregnated with thermoset resin to manufacture polymeric fiber-reinforced composite parts. Use of vacuum bag as the upper mold half reduces the cost, but more importantly it allows to manufacture large parts such as wind turbine blades. Compared to two-sided mold manufacturing processes such as Resin Transfer Molding (RTM), VI suffers from significant thickness variation because of the non-stiff upper mold half. Manufacturing of parts with small dimensional tolerances require compaction characterization of the fabric preforms which can be used in the process modeling by coupling fabric preform and the resin flow. Viscoelastic models have advantage over elastic models since they have the ability to model the time dependent compaction of the fabric. Since the fabric undergoes significant change in thickness with time even at constant pressure especially during relaxation stage, using elastic models greatly decreases the accuracy of the VI simulation. With viscoelastic models, it is possible to model both filling and post filling stages of the VI process with a greater accuracy than with elastic models. With this increased accuracy, filling time and final thickness distribution can be estimated correctly. This study contributes to the composite manufacturing literature with the following achievements: (1) a compaction characterization procedure is designed to mimic the compaction behavior of fiber reinforcements used in VI; (2) an automated characterization experimental setup is constructed to reduce human error and increase the repeatability; (3) experimental characterization data allows to have a database for two fabric types (random and woven); (4) five viscoelastic compaction models (Maxwell, Kelvin-Voigt, Zener, General Maxwell and Burgers) with dampers and nonlinear spring elements, and an elastic compaction model are used to investigate different stages of VI; (5) comparison of the models allows to study the contribution of different elements of the compaction models and thus understand their physical responses in different stages. 8 different sets of experiments are conducted on each fabric type to investigate the effect of different compaction parameters (such as loading/unloading rates, relaxation pressure and whether the specimen is dry or wet) on the results. Differential equation (DE) solvers are used on the derived system equations stage by stage to overcome discontinuity problems at the stage transitions. It is seen that Burgers model outperforms other 4 models in terms of the parameter count and 𝑅2. However, Burgers model undergoes infinite deformation under a constant load, which is not physically correct. Hence, Generalized Maxwell model with 𝑛 = 2, which mimics the plastic deformation with slow viscous response, should be used if prolonged time of settling is expected. By coupling a resin flow model and a viscoelastic compaction model (preferably Generalized Maxwell with n=2 or Burgers depending on which stage(s) of VI is desired to be modeled) in a complete VI process model, it is possible to simulate more accurate gradual pressure and thickness changes with time during the application of control actions in VI post-filling stage. Elastic models fail in these situations because they cannot model time dependent response, and thus viscoelastic models of this study should be preferred.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    456327

    Experimental and numerical investigation of material characterization and flow monitoring in liquid composite molding processes

    Sıvı kompozit kalıplama yöntemlerinde akışın ve malzeme özelliklerinin deneysel ve sayısal incelenmesi

    BARIŞ ÇAĞLAR

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2017

    Makine MühendisliğiKoç Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. ERCÜMENT MURAT SÖZER

  2. Tez No

    313585

    Effect of part thickness variation on the mold filling in vacuum infusion process

    Vakum infüzyonu prosesinde parça kalınlığı varyasyonunun kalıp dolum süresi üzerindeki etkisi

    MEHMET AKİF YALÇINKAYA

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2012

    Makine MühendisliğiKoç Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. MURAT SÖZER

  3. Tez No

    313551

    Strain rate controlled compaction characterization of e-glass fabrics and investigation of the effects of process parameters on the results

    Cam elyaflarının gerinim değişim hızı kontrollü bastırma karakterizasyonu ve işlem parametrelerinin sonuçlar üzerine etkilerinin araştırması

    MUSTAFA REŞİT HABOĞLU

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2012

    Makine MühendisliğiKoç Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. E. MURAT SÖZER

  4. Tez No

    313553

    Minimizing thickness variation in the vacuum infusion (VI) process with 1D and 2D resin flows

    Vakum infüszyon yönteminde 1B ve 2B reçine akışı için kalınlık varyasyonunu azaltmak

    TALHA AKYOL

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2012

    Makine MühendisliğiKoç Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. MURAT SÖZER

  5. Tez No

    216324

    Compaction experiments on different e-glass fabric preforms in vacuum infusion process

    Vakum destekli reçine transfer kalıplama işleminde farklı cam elyafları için sıkıştırma deneyleri

    TOLGA BAYRAK

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2008

    Makine MühendisliğiKoç Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Bölümü

    YRD. DOÇ. DR. MURAT SÖZER

Geri Dön