Hoe het ontwerp en de materialen van composieten invloed hebben op hun weerstand tegen explosies en impact

Composietmaterialen, zoals glasvezelversterkte kunststof (GRP) en koolstofvezelversterkte kunststof (CFRP), worden steeds vaker gebruikt in de scheepsbouw en andere industriële toepassingen vanwege hun uitstekende eigenschappen, zoals hoge sterkte, lage massa en uitstekende corrosiebestendigheid. Toch zijn deze materialen, hoewel ze uitblinken in weerstand tegen statische en quasi-statische belastingen, nog steeds gevoelig voor de dynamische effecten van explosies en impact. Het begrijpen van de gedragspatronen van deze materialen onder dergelijke omstandigheden is cruciaal voor hun toepassing in kritieke structuren zoals scheepsrompen, waar ze te maken kunnen krijgen met explosieve en schokbelastingen.

In recente experimenten en computermodellering is onderzocht hoe GRP- en CFRP-monsters zich gedragen onder onderwaterexplosies. Dit type belasting simuleert de dynamische krachten die optreden bij explosies, bijvoorbeeld tijdens een torpedotreffer op een schip. De resultaten toonden aan dat, hoewel beide materialen qua sterkte vergelijkbare eigenschappen vertonen onder statische belasting, hun weerstand tegen explosieve belasting aanzienlijk verschilt. GRP blijkt beter bestand te zijn tegen breuk van individuele vezels dan CFRP, wat het belang van het juiste ontwerp van het composietmateriaal benadrukt.

De schade aan deze materialen wordt beoordeeld op basis van drie hoofdcriteria: schade aan de bindmiddelmatrix, de breuk van individuele vezels, en doorlopende breuken die door de structuur heen gaan. In de praktijk blijkt dat de structuur van de wapening in GRP, die meestal een quasi-isotrope eigenschap heeft, zorgt voor een betere verdeling van de spanningen tijdens een explosie, wat leidt tot een grotere weerstand tegen schade. CFRP, hoewel krachtiger in sommige opzichten, vertoont een lagere explosiebestendigheid vanwege de kwetsbaarheid van de vezels bij hoge dynamische belastingen.

Computermodellen, ontwikkeld met behulp van software zoals LS-DYNA en AUTODYN, werden ingezet om de stress- en spanningsverdeling in de materialen tijdens de explosie te simuleren. Deze modellen hebben de schadepatronen kunnen verifiëren die in de experimenten werden waargenomen. De resultaten van zowel de experimenten als de simulaties geven inzicht in de initiële schade die optreedt bij de breuk van vezels en helpen bij het verbeteren van de ontwerpstrategieën voor composietmaterialen die aan dynamische belasting moeten voldoen.

De keuze van het type versterking, de bindmiddelen en de productiemethoden spelen dus een essentiële rol in de uiteindelijke prestaties van composietmaterialen bij explosieve belasting. Het materiaalontwerp moet zorgvuldig worden afgestemd op de verwachte belastingen, waarbij rekening wordt gehouden met de dynamische effecten en de gevolgen voor de structurele integriteit. Bovendien moeten ook de productieprocessen, zoals de orientatie van de vezels, de dikte van de lagen en de sterkte van de matrix, worden geoptimaliseerd om de explosiebestendigheid te maximaliseren.

Bij het ontwerpen van composietmaterialen voor dynamische belastingen, zoals bij scheepsrompen, is het noodzakelijk niet alleen de statische eigenschappen van het materiaal in overweging te nemen, maar ook de respons op explosies en andere hoge-impact situaties. Dit vereist een diepgaand begrip van de interactie tussen het matrixmateriaal en de versterkingsvezels onder extreme omstandigheden. Bovendien moeten de gebruikte computermodellen voortdurend worden verfijnd en gevalideerd tegen experimentele gegevens om de nauwkeurigheid van de voorspellingen te waarborgen.

Hoe beïnvloedt de vorming van coatings op titaniumsubstraten de chemische samenstelling en microstructuur?

Tijdens het proces van gelaagde ladingensynthese van coatings op titaniumsubstraten ontstaat een typisch heterogeen oppervlak. Dit oppervlak vertoont microruwheid met af en toe gladde gesmolten gebieden en micro-scheuren. Visueel hebben de behandelde oppervlakken een gouden tint, die typisch is voor nitriden van titanium. De behandelde oppervlakken vertonen een niet-uniform reliëf, dat in alle monsters identiek is. In het centrale gedeelte zijn er gladde gebieden waar het matrixmateriaal bijna volledig gesmolten is, evenals afzonderlijke eilandjes van het gesmolten mechanocomposiet. De perifere delen van de coating vertonen sporen van gasjets die zich verspreiden in de vorm van volumineuze bundels met een complexe structuur, evenals gesmolten substraten die zich hebben gecondenseerd tot bolvormige druppels.

Bij hogere vergrotingen kunnen verschillende craters worden waargenomen, die ontstaan wanneer agglomeraten van het mengsel in botsing komen met het materiaal van het gesmolten oppervlak. De vorming van deze kraters wordt verklaard door de impact van vuurvaste agglomeraten van gespoten composieten, zoals blijkt uit de aanwezigheid van craters die zijn gevuld met deeltjes van het oorspronkelijke mengsel. Op de oppervlakte van de coatings zijn zowel bolvormige als onregelmatige deeltjes zichtbaar, evenals schubachtige deeltjes in de kraters.

De chemische samenstelling van de monsteroppervlakken vóór en na de behandeling werd geanalyseerd met behulp van XRF (kwantitatieve röntgenfluorescentieanalyse). De resultaten tonen aan dat titanium en zuurstof de belangrijkste chemische elementen waren in het oorspronkelijke titaniumlegering, terwijl de rest van de elementen als onzuiverheden werden aangemerkt. Bij de analyse van de behandelde monsters (zoals N1 en N2) werd een significante toename van stikstof en zuurstof waargenomen, wat duidt op de vorming van een dikkere oxidefilm op het oppervlak. Stikstof (N) was aanwezig in een grote hoeveelheid, wat suggereert dat stikstofatomen zich in zouten bevonden die tijdens het proces werden gevormd. Bovendien was er een aanzienlijke toename van koolstof (C) tot wel 10%, wat een resultaat is van de chemische reacties die zich voordoen tijdens de interactie tussen het poeder en het gesmolten materiaal.

De XRD-analyse (röntgendiffractie) van het oorspronkelijke titaniumsubstraat wees op een hoge concentratie van α-Ti, het hexagonaal dichtgepakte (HCP) kristalrooster van titanium. Geen andere fasen werden gedetecteerd, wat wijst op de afwezigheid van oxiden of andere onzuiverheden in de titaniumlegering vóór de behandeling. Na de behandeling veranderde de faseverhouding significant, met de detectie van meerdere fasen zoals TiN (titaniumnitriden) en TiO2 (titaniumdioxide), wat verklaart waarom stikstof- en zuurstofniveaus verhoogd waren.

Het gebruik van poeder in een nanostructuurtoestand heeft aanzienlijke voordelen aangetoond wat betreft de efficiëntie van de boride-samenstellingen wanneer deze worden blootgesteld aan gelaagde ladingbehandeling. Bij eerdere experimenten waarin boridepoeders werden gebruikt in liningsmengsels, werd een positief effect op de röntgendiffractieanalyse waargenomen. De resultaten bevestigen dat de aanwezigheid van boriden in de coating bijdraagt aan de sterkte en stabiliteit van de coating, wat essentieel is voor toepassingen waarbij hoge belastingen en temperaturen een rol spelen.

De variëteit aan analyse- en testmethoden, waaronder scanning elektronenmicroscopie (SEM), XRF, XRD en microhardheidstests, heeft een gedetailleerd beeld opgeleverd van de structuur en samenstelling van de coatings. Deze gegevens zijn cruciaal voor de verbetering van het ontwerp en de prestaties van gecoate titaniumsubstraten, die worden gebruikt in een breed scala van industriële toepassingen, van lucht- en ruimtevaart tot medische technologie en energieproductie.

Hoe wordt de sterkte van NPP-structuren berekend bij een vliegtuigimpact?

In de moderne ontwerppraktijk wordt het probleem van de vliegtuigimpact vaak opgedeeld in verschillende stappen. Eerst wordt de externe schokbelasting bepaald, en daarna wordt de dynamische respons van de structuur onderzocht onder de werking van deze belasting. Bij een dergelijke extreme impact wordt de belasting bij de impact van een vliegtuig vaak bepaald door Riera’s benadering, waarbij interactie met een rigide muur van een rigide-plastische staaf die een vliegtuig simuleert, wordt geanalyseerd. Deze benadering maakt gebruik van de wet van behoud van momentum om de belasting bij de impact te berekenen. De resulterende belastings-tijd-curves worden veel gebruikt om de sterkte van NPP-structuren te berekenen, vooral voor rigide of massieve structuren, omdat de beweging van obstakels in dit geval weinig invloed heeft op de belasting.

Wanneer het vliegtuig echter een beweegbare structuur treft, kan de belasting sterk afhankelijk zijn van de beweging van de contactgrens tussen het vliegtuig en het obstakel. Dit soort gevallen vereist extra aandacht en aanpassingen van de belasting die wordt berekend bij de impact op een rigide muur. Dit werd opgemerkt in verschillende studies, waarin de invloed van de mechanische eigenschappen van het on-board equipment (OE) van militaire vliegtuigen werd besproken. De massabijdrage van het OE in de totale massa van een vliegtuig is aanzienlijk en neemt voortdurend toe, wat de belastingberekeningen complexer maakt.

De mechanische eigenschappen van het OE, zoals de blokken van het on-board equipment, worden meestal bepaald door hun samenstelling, die vaak lijkt op die van lichtgewicht aluminiumlegeringen en honingraatstructuren. Studies tonen aan dat het OE in de neuscompartimenten van vliegtuigen verantwoordelijk is voor 70-75% van de massa van het interne materiaal van deze secties. Deze delen van het vliegtuig beïnvloeden de impactsterkte en vereisen dus gedetailleerde analyse.

In de loop van het onderzoek werd vastgesteld dat het gebruik van vereenvoudigde benaderingen voor het berekenen van de belasting bij impact op een beweegbare barrière mogelijk geschikt is voor het modelleren van de impact van vliegtuig- en on-board equipment-elementen. Bij dit onderzoek werden verschillende methoden gebruikt, waaronder numerieke simulaties en directe porositeitsmodellen, om het effect van de impact op rigide en beweegbare barrières te onderzoeken. Dit experiment heeft waardevolle inzichten opgeleverd die de sterkte en respons van NPP-structuren onder een vliegtuigimpact verduidelijken.

Wanneer we de eerste fasen van de impactanalyse beschouwen, wordt het effect van de deformatie van het neuscompartiment van het vliegtuig, dat het OE bevat, als het meest cruciaal beschouwd. De massa van dit compartiment en de verdeling van het gewicht zijn essentieel voor het bepalen van de interactie tussen het vliegtuig en de structuur van de kerncentrale. De impact van de hoogporige materialen die de neuscompartimenten van vliegtuigen vormen, wordt vergeleken met de belasting op een rigide muur, wat een ander type analyse vereist dan wat wordt toegepast bij klassieke structuren die geen rekening houden met de vervorming van de impacterende massa.

Het gebruik van verschillende benaderingen, zoals numerieke simulaties en experimentele methoden, stelt onderzoekers in staat om niet alleen de belasting bij impact te berekenen, maar ook de gevolgen van de structurele deformatie van zowel het vliegtuig als de reactorbehuizing van een kerncentrale te begrijpen. Dit is van bijzonder belang voor de verbetering van de ontwerpeisen en voor het ontwikkelen van efficiëntere beschermingssystemen.

Hoe beïnvloedt de snelheid van het indringende element de temperatuur- en vervormingsprocessen in meervoudige textielstructuren?

Bij het analyseren van de impact van een beschadigend element op een meervoudige textielstructuur wordt vaak gekeken naar de dynamische temperatuurvelden en de resulterende vervormingen in de weefsels. Wanneer een impactor met een snelheid van bijvoorbeeld 30 m/s de weefsellaag raakt, zijn er merkbare temperatuurverhogingen in de contactzones. De temperatuur in de verschillende delen van de textielstructuur is niet uniform, maar varieert sterk afhankelijk van de snelheid van het indringende element.

Zoals te zien is in Figuur 1.7, neemt de tijd van contact tussen het beschadigende element en de stof toe met de snelheid van de impact. Dit resulteert in specifieke zones die het meest vervormd raken, terwijl de hoeken van de stofmonsters weinig verandering vertonen. De centrale delen van de weefsels, die de meeste verplaatsing ondergaan, blijven in de meeste gevallen ongewijzigd in hun afmetingen. Dit wordt ondersteund door experimentele gegevens die aantonen dat de vervorming van de "dome"-structuren, die worden veroorzaakt door de impact, consistent zijn met de theoretische modellen.

De dynamische temperatuurvelden die worden geregistreerd door infraroodbeelden (Fig. 1.9) tonen aan dat de temperatuurverdeling in het weefsel afhankelijk is van de snelheid van het beschadigende element. Bij snelheden van minder dan 500 m/s zijn de temperatuurverhogingen te wijten aan de absorptie van energie door de wrijving van de vezels. Bij hogere snelheden, zoals 500 m/s, is er een duidelijke aanwijzing voor destructieve energie die zich binnen de vezels verspreidt, wat leidt tot een breuk of penetratie in de stofstructuur.

In de experimenten met een staalbal die een meerlaagse stoffen barrière raakt, werd waargenomen dat de thermische beelden de temperatuurverdeling in de contactzone weerspiegelden, waarbij een stijging van de temperatuur duidelijk zichtbaar was. Het verschil in de temperatuurverdeling tussen experimenten zonder penetratie en met penetratie kan worden verklaard door de aard van de impact zelf. In de eerste set van experimenten was er geen penetratie in de stof, terwijl in de tweede set de stof doorbroken werd. Dit verschil benadrukt de complexiteit van het effect van de impact op de stof en suggereert dat hogere snelheden of intensievere energieoverdracht noodzakelijk zijn om tot penetratie over te gaan.

De simulaties, uitgevoerd met behulp van een eindige-elementenmethode, bevestigen de experimentele resultaten. De verplaatsing van de knooppunten in het model toont de vervormingen die plaatsvinden bij verschillende snelheden van het beschadigende element. De metingen en simulaties zijn in overeenstemming met elkaar, wat de validiteit van de gebruikte modellen aantoont. Dit bevestigt het belang van nauwkeurige parameters in de modellen om de werkelijke impactcorrecties correct te simuleren.

Bovendien kan de temperatuurverdeling van de stoffen onder impact worden berekend met behulp van geavanceerde rekensoftware, zoals de "Algozit" programmeeromgeving. Deze omgeving stelt onderzoekers in staat om de temperatuurverdeling en de resulterende vervormingen in meervoudige textielstructuren te modelleren, rekening houdend met thermische uitzettingscoëfficiënten en andere mechanische eigenschappen van de materialen. De "Algozit"-software kan worden gebruikt om gedetailleerde thermos-elastische analyses uit te voeren en de stabiliteit van structuren onder gecombineerde mechanische en thermische belasting te evalueren.

Het is van cruciaal belang dat de impact van een beschadigend element op een meerlaagse stof niet alleen in termen van temperatuur wordt geanalyseerd, maar ook in termen van mechanische vervorming en de daaropvolgende impact op de structurele integriteit van de stof. Een holistische benadering die de dynamische temperatuurvelden, mechanische spanningen en de materiaalreacties combineert, is essentieel voor het ontwerp van robuuste textielstructuren die bestand zijn tegen hoge impactkrachten.