Numerisk modellering af procesinducerede tøjninger og residualspændinger i store fiberforstærkede kompositter - PhD projekt (November 2010-2012)

Numerisk modellering af procesinducerede tøjninger og residualspændinger i store fiberforstærkede kompositter - PhD projekt (November 2010-2012) Kompositsektionens Årsmøde, Juni 2013 Michael Wenani Nielsen Process Modelling Group, DTU/MEK Hoved vejleder: Prof. Jesper H. Hattel, DTU/MEK Bi-vejledre: Tom L. Andersen, Snr. Udviklingsingeniør, DTU/VIND Per. H. Nielsen, Udviklingsingeniør, DTU/VIND Kim Branner, Seniorforsker DTU/VIND

Lay-up Vacuum Infusion In-mould Curing De-moulding (Post-curing) Agenda Tim e Introduktion og mål Mekanismer indre tøjninger/spændinger Termomekaniske procesmodellering Numeriske modellerings eksempler Opsummering 2 DTU Mechanical Engineering, Technical University of Denmark

INTRODUKTION 3 DTU Mechanical Engineering, Technical University of Denmark

Introduktion Fremstilling af vindmøllevinger i fiberforstærkede polymer kompositter vha. Vakuuminfusionsprocessen (VARTM) Grundlæggende procestrin: Oplægning Infusion Hærdning ( Curing ) [www.compositesworld.com] Samling Afformning Efterprocessering 4 DTU Mechanical Engineering, Technical University of Denmark [www.siemens.com]

Oplægning Infusion Hærdning ( Curing ) Samling Afformning Efterprocessering Unreacted monomers Onset of branching at gel-point Formation of infinite cross-links Fully cured thermoset structure 5 DTU Mechanical Engineering, Technical University of Denmark

Samling, limning og efterhærdning Oplægning Infusion [www.vestas.com] Hærdning ( Curing ) Samling Afformning [Euros GmbH] Slibning, trimning, lakering m.m. Efterprocessering [IDPSA, Wind turbine Blade Manufacture 2011] 6 DTU Mechanical Engineering, Technical University of Denmark

Udfordringer Proces-inducerede tøjninger Opretholde geometriske tolerancer Indre tøjninger/spændinger kan resultere i defekter f.eks: revnedannelse, delamineringer [www.polyworx.com] Flow Curing Dårlig proceskontrol under hærdefase Behov for flere CAE værktøjer Især til hærdefasen [ReMo, Wind turbine Blade Manufacture 2011, Düsseldolf] Production is a very manual process Low reproducibility Low process control High quality costs Human physical [Kiendl et al., 2010, pp.2403-2416] boundaries reached Identify critical processing milestones in the cycle minimum viscosity gelation vitrification Demoulding Loading [Euros GmbH, Wind turbine Blade Manufacture 2011, Düsseldolf] 7 DTU Mechanical Engineering, Technical University of Denmark

Mål Nuværende tilgang i industrien Design Fremstilling Resultat Det vi ønsker at opnå 8 DTU Mechanical Engineering, Technical University of Denmark

FREMSTILLINGSINDUCEREDE TØJNINGER OG EGENSPÆNDINGER 9 DTU Mechanical Engineering, Technical University of Denmark

Hærdeplasts faseovergang under vakuuminfusion Vigtigt at forstå, da resinens tilstand styrer de underliggende mekanismer De overordnede tilstande: - Væske Gelering - Gummi: viscoelastiske materiale, øget viskositet Glasovergang - Glas: elastisk solid med høj stivhed NB: Hver tilstand udviser særlige mekaniske og termiske egenskaber. [Gillham, 1986] Kemisk krymp udvises 10 DTU Mechanical Engineering, Technical University of Denmark Varmefrigivelse (Eksoterm reaktion)

Mekanismer der driver inducerede tøjninger/spændinger Termiske drevet Kemiske drevet Værktøjs indflydelse Termiske: Forskel i termisk udvidelse fiber vs. resin komposit vs. støbeform Resin egenskaber ændrer sig (CTE) Kemiske: Kemisk svind/krymp (V T sh<9% for UP!!) Værktøjs indflydelse: Effekter af udvidelse/sammentrækninger Ikke-frigivet egenspændinger 11 DTU Mechanical Engineering, Technical University of Denmark

Termomekaniske procesmodellering Grundliggende beregnings tilgang: Sekventielt-koblede Termomekaniske analyse Beregning af: Varmeledning samt varmefrigivelse under hærdning Termiske analyse Mekaniske analyse Hærdningsforløb (Cure degree) T, α Beregning af: Procesinducerede tøjninger Resinens stivhedsudvikling under hærdeforløbet Udvikling af residualspændinger i kompositten 12 DTU Mechanical Engineering, Technical University of Denmark

1D & 3D TERMOMEKANISKE MODELLERING 13 DTU Mechanical Engineering, Technical University of Denmark

time step 1D Termomekaniske model (1/2) Eksempel: Hærdeforløb for Glass/polyester plade Input - Model programmeret i MATLAB - Finite Volume formulering - Diskretisering gennem pladens tykkelse Cure simulation T, α Continuous fiber micromechanics ν, G, E Process-induced strain increments Δε ch, Δε th Effective plate loads N, M Laminate deformation ε 0, κ Laminate ply strain increments Δε x, Δε y, Δε xy Centerline Laminate ply stress increments Δσ x, Δσ y, Δσ xy 14 DTU Mechanical Engineering, Technical University of Denmark Residual stresses = Σ Δσ for t(0,t_final)

15 DTU Mechanical Engineering, Technical University of Denmark Surface Center

Case 1: Procesinducerede tøjninger i laminatplade (1/3) Case Study: Vakuuminfusion af 52-lag UD E-glass/epoxy laminatplade Mål: Validering af numeriske modeller og de konstitutive formuleringer Til forsøgsarbejdet: In-situ indre-tøjninger målt vha indstøbte Optiske Fibre (med FBG sensorer (ø125µm)) Indstøbte Termofølere 16 DTU Mechanical Engineering, Technical University of Denmark

Case 1: Procesinducerede tøjninger i laminatplade (2/3) [Nielsen et al., 2012 (Paper III)] Varmefrigivelse Inside-out curing Tøjningsændring efter afformning Frigivelse af residualspændinger 17 DTU Mechanical Engineering, Technical University of Denmark

Case 1: Procesinducerede tøjninger i laminatplade (3/3) [Nielsen et al., 2012 (Paper II)] 18 DTU Mechanical Engineering, Technical University of Denmark

Case 2: Procesinducerede tøjninger i vinge rodsektion Case Study: Procesinducerede geometriske ændringer - LM Wind Power Mål: Undersøg drivende faktorer for de forskydninger set i en vinges rodsektion? [www.designnews.com] [SSP Technology]? 19 DTU Mechanical Engineering, Technical University of Denmark

Case 2: Procesinducerede tøjninger i vinge rodsektion Geometriske opmåling af rodsektionens diameter #32 #1 20 DTU Mechanical Engineering, Technical University of Denmark

Case 2: Procesinducerede tøjninger i vinge rodsektion 21 DTU Mechanical Engineering, Technical University of Denmark

Case 2: Procesinducerede tøjninger i vinge rodsektion Temperaturudvikling: Høje temperaturer opnået Contour plot ved max temperatur viser stor temperaturgradienter igennem tykkelsen 22 DTU Mechanical Engineering, Technical University of Denmark

Case 2: Procesinducerede tøjninger i vinge rodsektion Hærdeforløb: Hurtig hærdeforløb ses Contour plot ved max temperatur viser stor hærdegradienter igennem tykkelsen 23 DTU Mechanical Engineering, Technical University of Denmark

Case 2: Procesinducerede tøjninger i vinge rodsektion Model resultater: Beregnet sammentrækning af rodsektion Reduktion i rodsektionens radius pga. spring-in drevet af sammentrækninger Model fanger de overordnede tendenser tilfredsstillende 24 DTU Mechanical Engineering, Technical University of Denmark

OPSUMMERING Et modelleringsværktøj til forudsigelse af hærdeforløbet, under vakuuminfusions processen er blevet præsenteret Valideringsundersøgelser er foretaget for forskellige cases Modellerings værktøjet muliggør: Forudsigelse af temperaturudviklingen i kompositmaterialet Forudsigelse af hærdeforløbet Forudsigelse af formens indflydelse Beregning af udvikling af indre tøjninger og residualspændinger Forudsigelse af emnegeometrien efter vakuuminfusion 25 DTU Mechanical Engineering, Technical University of Denmark

Acknowledgments The PhD is supported by Danish Energy Agency through the Energy Technology Development and Demonstration Program (EUDP). The supported EUDP-project is titled Demonstration of new blade design using manufacturing process simulations and has journal no. 64009-0094. All experimental work carried out at Risø Campus DTU, in Fiberlab (DTU/KOM) Case study 2, data provided by LM Wind Power A/S Supervisors and collaborating authors