| Abstract | Ovaj diplomski rad je napravljen u suradnji Yazaki Europe Ltd. Yazaki je jedna od svjetskih proizvođača električnih komponenata za automobilsku industriju. Između ostalog bave se proizvodnjom, razvojem i istraživanjem električnih distributivnih sistema (EDS), elektroničnih komponenata i instrumenata, konektora i terminala. Na cijel skup proizvoda se postavljaju visoki zahtjevi koji uključuju dobre mehaničke i električne karakteristike, te otpornost na toplinu i tekućine. Rad je izrađen sa ciljem da se analizira jedan od problema koji se javlja kao posljedica injekcijskog prešanja komponenata kompleksnih geometrija. Materijal koji se analizira je heterogen i anizotropan te sastoji se od osnovnog PBT-a (Polibutilen tereftalat) i staklenih vlakana (GF) čiji udio može biti raznovrstan, no uzet će se vrijednost od 20%. S obzirom da se takva miješana talina ubrizgava u kalup koji je složene geometrije, zbog lošeg strujanja i struganja po površini kalupa, talina ne uspijeva kvalitetno ispuniti kalup i dolazi do pojavljivanja poroznosti. Poroznost za posljedicu ima smanjenje mehaničkih svojstava i cilj ovog rada je analizirati kakav je upravo taj utjecaj poroznosti. Staklena vlakna, u obliku štapića, koja se dodaju u osnovni PBT materijal su izrazito mala i njihovo modeliranje stvara određene probleme, kao što je nemogućnost definiranja realne geometrije i dimenzija. Pretpostavljeno je linearno ponašanje konstituenata i male deformacije.
Područje istraživanja ovog rada se može podijeliti u četiri cjeline:
1. Istražiti svojstva anizotropnih i heterogenih materijala te proučiti metode homogenizacije pomoću kojih ih je moguće opisati sa ciljem određivanja mehaničkih karakteristika.
2. Odrediti 2D i 3D reprezentativne volumenske elemente (RVE) materijala koji se sastoje od PBT-a i 20% staklenih vlakana i pronaći veličinu RVE-a pomoću kojega je moguće na mikro razini opisati mehaničko ponašanje materijala na makro razini.
3. Uz PBT i 20% staklenih vlakana, modelirati reprezentativne volumenske elemente (RVE) sa udjelom pora.
4. Dobivene numeričke rezultate usporediti sa vrijednostima dobivenima eksperimentom.
U prvom i drugom poglavlju su opisana heterogena i anizotropna svojstva materijala. Materijal koji se proučava je heterogen jer se sastoji od osnovne faze, Polibutilen tereftalata i uključina u obliku staklenih vlakana, a orijentacije vlakana je raznovrsna te se može reći da je materijal i anizotropan. Također je proučena metoda homogenizacije heterogenih materijala, od kojih je posebno izdvojena Mori-Tanaka metoda.
U trećem poglavlju se pomoću programskog paketa Digimat provela analitička MF (Mean-field) homogenizacijska metoda i rezultati su se uspoređivali sa rezultatima proizvođača materijala.
U četvrtom poglavlju su se pomoću Digimat-a i Abaqus-a, generirale različite veličine 2D i 3D reprezentativnih volumenskih elemenata (RVE-a) materijala sa različitim orijentacijama staklenih vlakana. Razmatrale su se 3 različite orijentacije staklenih vlakana te 4 različite veličine RVE-a. Svi dobiveni rezultati su se uspoređivali sa - dijagramom i tražili su se oni modeli koji dobro opisuju stvarno ponašanje materijala uz uvjet da daljnjim povećanjem RVE-a ne dolazi do značajne promjene u dobivenim rezultatima. Razmatrala se periodična geometrija sa nametnutim periodičnim opterećenjem i rubnim uvjetima.
U petom poglavlju je bio cilj provesti analizu modela iz prethodnog poglavalja no uz dodatak pora u materijalu. Odabran je RVE određene veličine i određene orijentacije vlakana iz razloga što se pokazalo da dobro opisuje stvarno ponašanje materijala te uz daljnje povećanje geometrije ne dolazi do značajnih promjena u rezultatu. S ciljem usporedbe dobivenih rezultata, proveo se eksperiment na testnom uzorku epruvete. Epruvete su dobivene postupkom injekcijskog prešanja uz poseban dodatak Hidrocerola čije prisustvo je omogućilo nastanak proznosti unutar strukture materijala. Kako bi se analiza i eksperiment što kvalitetnije usporedili, epruvete su posnimane CT metodom, te su dobivene vrijednosti volumnog udjela i prosječne veličine pora, koje su onda korištene u generiranju računalnih modela. Tlačni test na epruvetama je napravljen i rezultati dobiveni DIC (Digital Image Correlation) metodom su služili za usporedbu numeričkih rezultata sa eksperimentom.
Zadnje poglavlje sadrži zaključke provedenog istraživanja i njemu su dane upute za daljnji rad. |
| Abstract (english) | This thesis is made in collaboration with Yazaki Europe Ltd. Yazaki is one of the world's manufacturers of electrical components for the automotive industry. Among other things, they are engaged in the production, development and research of electrical distribution systems (EDS), electronic components and instruments, connectors and terminals. The entire product set is subject to high requirements that include good mechanical and electrical performance, as well as resistance to heat and fluids. This thesis is made with goal to analyze one of the problems that occurs as a result of injection molding of components of complex geometries. The material to be analyzed is heterogeneous and anisotropic and consists of basic PBT (Polybutylene terephthalate) and glass fiber (GF) whose fraction may be varied, but 20% will be taken. Because such mixed melt is injected into a mold of extremely complex geometries, due to poor flow and scraping on the mold surface, the melt fails to fill the mold well and porosity occurs. Porosity results in a decrease in mechanical properties and the aim of this thesis is to analyze exactly what the effect of porosity is. Glass fibers in the form of sticks that are added to the basic PBT material are extremely small and their modeling creates certain problems, such as the inability to define realistic geometries and dimensions. The linear behavior of the constituents and the small deformations were assumed.
The research area of this thesis can be divided into four sections:
1. Investigate the properties of anisotropic and heterogeneous materials and study homogenization methods that can be used to determine mechanical properties.
2. Determine 2D and 3D representative volume elements (RVE) of materials consisting of PBT and 20% fiberglass and find the size of the RVE by which it is possible to describe at the micro level the mechanical behavior of the material at the macro level.
3. With PBT and 20% glass fiber, model representative volume elements (RVEs) with porosity
4. Validate numerical results by comparison with the experiment.
The first and second Chapter describe the heterogeneous and anisotropic properties of the material. The material under study is heterogeneous because it consists of the basic phase, polybutylene terephthalate and glass fiber inclusions, and the fiber orientation is varied and can be said that material is anisotropic. The method of homogenization of heterogeneous materials was also studied, of which the Mori-Tanaka method is singled out.
In Chapter three, an analytical MF (Mean-field) homogenization method was implemented using the Digimat software package and the results are compared with those of the material manufacturer.
In Chapter four, different sizes of 2D and 3D representative volume elements (RVEs) of materials with different glass fiber orientations are generated using Digimat and Abaqus. Three different orientations of glass fibers and four different sizes of RVE were considered. All the results obtained were compared with the - diagram and those models that required a good description of the actual behavior of the material were sought, provided that further increase in RVE did not lead to a significant change in the results obtained. Periodic geometry with imposed periodic loading and boundary conditions was considered.
In Chapter Five, the aim was to carry out an analysis of the models in the previous chapter but with the addition of pores in the material. A RVE of a certain size and a specific fiber orientation was selected for the reason that it was shown to describe well the actual behavior of the material and that with a further increase in geometry no significant changes in the result occurred. In order to compare the results obtained, an experiment was conducted on a test sample of the test tube. The tubes were obtained by injection molding with the special addition of Hydrocerol, the presence of which allowed the formation of a pores within the material structure. In order to better compare the analysis and the experiment, the tubes were imaged using the CT method, and the values of volume fraction and average pore size were obtained, which were then used in the generation of computer models. A tensile test on the tubes is made and the results obtained by the DIC (Digital Image Correlation) method were used to compare the numerical results with the experiment.
The last chapter contains the conclusions of the research conducted and is given directions for further work.
Key words: polybutylene terephthalate, glass fibers, porosity, Mori Thin method, homogenization, finite element method, representative volume element (RVE), Abaqus, Digimat |
