Celične oblike preizkušancev

Med porozne oblike prištevamo tudi celične strukture, kjer govorimo o urejeni poroznosti.

Raziskovalnih podatkov o dobi trajanja avksetičnih oblik iz aluminijevih zlitin je relativno malo [81], medtem ko so ti v povezavi s heksagonalnimi oblikami v glavnem omejeni na dinamično zdržljivost kompozitnih sendvič konstrukcij [82]. Iz tega razloga smo izvedli medsebojno eksperimentalno primerjavo vseh treh navedenih struktur pod enakimi pogoji.

Vse tri strukture so narejene iz istega vhodnega materiala – plošče debeline 2 mm iz aluminijeve zlitine Al7075-T651.

Slika 4.9: Izvedba statičnih in dinamičnih testiranj na obravnavanih ploščatih celičnih strukturah.

Tudi oblika in skala struktur sta prilagojeni temu pogoju poenotenja, tako da imamo enako velikost kritičnega preseka v sredini vseh treh preizkušancev, s čimer dobimo neposredno primerjavo efektivnih napetosti. Z željo po čim večji uporabnosti raziskovalnih podatkov smo že v osnovi izbrali visokotrdnostno zlitino serije 7xxx [83], ki se po mehanskih lastnostih že približa nekaterim vrstam jekel, vendar je pri tem veliko lažja od njih. Tudi pri izbiri tehnologije izdelave preizkušancev smo sledili trenutno dosegljivim in potencialnim prihodnjim postopkom proizvodnje celičnih struktur. Za raziskovalne, majhne serije se največ uporabljajo multifunkcijski CNC stroji za laserski razrez ali razrez z vodnim curkom. Problematika laserskega razreza je toplotno vplivna plast (angl. heat affected zone, HAZ), ki ostane na mestu reza, zato smo uporabili postopek AWJ, kjer po razrezu na površini teh toplotnih vplivov ni.

2D oblika struktur preizkušancev je zasnovana okoli kombinacije devetih sredinskih elementarnih celic (3 × 3), ki se nadaljujejo preko prehodne cone v končni homogeni vpenjalni mesti. Oblika preizkušanca je enaka tako za statične kot dinamične preizkuse.

Izhodiščna testiranja predstavljajo statični preizkusi (R = 1), s katerimi določimo tudi realno Poissonovo razmerje ter definiramo amplitude izmeničnega obremenjevanja (R = – 1) po deformacijskem pristopu. Dinamično obremenjevanje ob tem poteka do skrajnih meja v elasto-plastičnem področju strukture, zato obstaja nevarnost uklona preizkušanca v tlačni coni cikla. Za preprečitev tega smo izdelali posebno univerzalno protiuklonsko oporo, ki smo jo uporabili pri vseh preizkušenih strukturah. Princip delovanja te priprave je enak tisti, ki smo jo uporabili za preprečitev uklona standardnih preizkušancev. Celoten obseg in način testiranja celičnih struktur je shematsko prikazan na sliki 4.9.

Pri napovedovanju statične nosilnosti in dobe trajanja analiziranih struktur pričakujemo dobro ujemanje rezultatov, saj je uporabljeni material temeljito preizkušen. Določene so namreč bile statične karakteristike aluminijeve zlitine Al7075-T651: natezna trdnost, napetost tečenja in modul elastičnosti, kot tudi dinamične lastnosti, pridobljene na osnovi testiranj na standardnih ploščatih oblikah preizkušancev: Coffin-Mansonova in ciklična krivulja [20]. Poleg dobro definiranih materialnih parametrov je zaradi uporabe CNC tehnologije tudi geometrijska ponovljivost fizično izdelanih serij analiziranih preizkušancev zelo dobra. Pri napovedovanju statične nosilnosti in dobe trajanja analiziranih struktur je v nadaljevanju prikazana tudi uporaba nekaterih naprednih komercialnih programskih paketov. Pri simulaciji dinamičnih preizkusov je bila na strukturah z negativnim Poissonovim razmerjem prvič preizkušena tehnika eliminacije poškodovanih končnih elementov. Nastanek inicialne razpoke je bil ob tem preverjen tudi s tehniko razširjene metode končnih elementov (XFEM).

4.1.2.1 Monotona statična σ-ε karakteristika materiala

Vse v predstavljeni raziskavi analizirane 2D celične strukture so izdelane iz aluminijeve zlitine Al7075-T651. Osnovni material, iz katerega so bili preizkušanci izrezani, predstavlja valjana plošča debeline 2 mm. Oblike analiziranih preizkušancev so nestandardne in jih lahko vidimo na sliki 4.10. Osrednje opazovano območje preizkušancev je kombinacija devetih površinsko identičnih elementarnih celic (3 horizontalne × 3 vertikalne). V tem predelu preizkušanca je kritična efektivna površina, kjer pričakujemo porušitev in predstavlja najmanjšo nominalno površino materiala skozi elementarne celice, ki jo zaobjame teoretična sekalna ravnina, postavljena pravokotno na os obremenitve. Geometrija vseh vrst analiziranih preizkušancev je prilagojena dimenziji enake kritične efektivne površine, ki je pri vseh treh strukturah ocenjena na 13,3 mm². Vsi preizkušanci so bili izrezani v smeri valjanja pločevine, tako da imamo prisotno vedno enako stopnjo anizotropije. Po razrezu na vzorcih ostanejo tribološke in geometrijske značilnosti uporabljenega tehnološkega postopka, kot so makro zareze ob zaokrožitvah itd.

Te anomalije so bile zajete z vključitvijo povratnega inženiringa (angl. reverse engineering), kjer smo pred testiranjem realno obliko preizkušancev še precizno skenirali.

Rekonstrukcija realnega profila reza je bila na osnovi skeniranih slik izvedena z NURBS krivuljami v programu AutoCAD. Realne (a) avksetične-kiralne, (b) avksetične-vbočeni šestkotniki in (c) heksagonalne oblike preizkušancev, na katerih so bili izvedeni eksperimentalni preizkusi in kasnejše numerične simulacije, lahko vidimo na sliki 4.10.

Slika 4.10: Geometrija (zgoraj) in statična porušitev (spodaj) ploščatih celičnih struktur;

(a) avksetična-kiralna; (b) avksetična-vbočeni šestkotniki in (c) heksagonalna.

Statični in dinamični preizkusi raziskovanih struktur so bili izvedeni na servo-hidravlični testni napravi MTS Landmark 100 kN, ki je vidna na sliki 4.2-a. Pri nateznih preizkusih, ki predstavljajo obremenitveni primer mode I (tlak-nateg), smo spremljali: silo preko 100 kN merilne celice MTS in deformacije preko optičnega ekstenziometra, ker klasičnega mehanskega ni mogoče namestiti na takšne nestandardne oblike preizkušancev. Optični

ekstenziometer je MTS certificiran in sledi deformacijam preko dveh črnih kontrastnih točk, ki sta zalepljeni med analizirane vzorce na preizkušancu. Razdalja med točkama predstavlja merilno dolžino l0, ta je izmerjena s kalibracijo in navedena v preglednici 4.2.

Statični enoosni natezni preizkusi so bili izvedeni v skladu s standardom ASTM E8/E8M, kjer je pomik vpenjalne glave stroja nastavljen na 0,5 mm/min. Preizkusi so potekali pri temperaturi okolice 23 ºC. Mesta in oblike porušitev so prikazane na sliki 4.12. Drugi in tretji primer v nizu na sliki 4.12 prikazujeta deformacijo tik pred porušitvijo celičnih struktur in tik po njej, kjer so označena tudi mesta pretrga v obremenjenem stanju. Na slikah 5.8, 5.9 in 5.10 so pri vseh celičnih strukturah mesta porušitev v razbremenjenem stanju označena s puščicami. Pri avksetični strukturi z vbočenimi šestkotniki vidimo, da je porušitev po nosilnih vlaknih asimetrična, blizu kota 45°, kjer so prisotne največje glavne napetosti, kar nakazuje na žilavo obnašanje strukture. Pri heksagonalnih oblikah celic ravno tako lahko opazimo poševno linijo loma glede na os obremenitve. Vse štiri kritične razpoke so tu locirane na vogalnih mestih prečk oz. vozlišč. Pri avksetični-kiralni obliki lahko opazimo dve značilnosti: i) daleč največjo fleksibilnost (podajnost) med vsemi analiziranimi strukturami in ii) horizontalno obliko porušitve osrednjih vzdolžnih povezav na krivinskem zveznem delu prečk. Za lažjo interpretacijo rezultatov so ti na sliki 4.11 predstavljeni in primerjani v obliki inženirskih F-Δl krivulj. Na vseh strukturah sta bila opravljena dva natezna preizkusa. Opazimo lahko dobro ponovljivost in majhen raztros meritev. Iz rezultatov lahko razberemo podoben F-Δl trend odnašanja (c) heksagonalne in (b) avksetične strukture z vbočenimi šestkotniki. Najbolj tog odziv izkazuje (b) avksetična oblika z vbočenimi šestkotniki. Na drugi strani najbolj elastično obnašanje zasledimo pri (a) avksetični-kiralni obliki, kar je bil tudi eden od ciljev raziskave: poiskati prožnejše strukture z zastopanim negativnim Poissonovim razmerjem.

Preglednica 4.2: Karakteristike analiziranih celičnih struktur.

Struktura Referenčna dolžina l0 [mm] Poissonovo razmerje ν [/]

Avksetična-kiralna 100,04 –0,1

Avksetična-vboč. šest. 106,59 –0,27

Heksagonalna 96,24 1

Slika 4.11: Soodvisnost sila-deformacija nateznih preizkusov ploščatih celičnih struktur;

(a) avksetična-kiralna; (b) avksetična-vbočeni šestkotniki in (c) heksagonalna.

Slika 4.12: Posnetki nateznih preizkusov iz videoekstenziometra za: (a) avksetično-vbočeni šestkotniki, (b) avksetično-kiralno in (c) heksagonalno strukturo.

4.1.2.2 Analiza Poissonovega razmerja na celičnih strukturah

Na podlagi podatkov, dobljenih iz optičnega ekstenziometra, so na referenčnem centralnem območju 3 × 3 celic določena Poissonova razmerja vseh treh analiziranih struktur. Pri tem primerjamo začetno (neobremenjeno) stanje strukture in tisto tik pred porušitvijo. Iz podatkov na sliki 4.12 in izračunov po enačbi (4.12) lahko pri avksetični-kiralni strukturi razberemo negativno Poissonovo razmerje –0,1 in pri avksetični-vbočeni šestkotniki –0,27, medtem ko je pri heksagonalni strukturi to razmerje pozitivno in natanko 1.

0,27

Vrednosti Poissonovih razmerij vseh struktur so primerjane v preglednici 4.2. Poissonovo razmerje homogenega materiala νRVE aluminijeve zlitine Al7075-T651 znaša 0,33 [84].

Sama vizualna ocena natezno obremenjenega (c) heksagonalnega preizkušanca s slike 4.12 kaže na izrazitejšo razpotegnjenost omejenega osrednjega območja obremenjenih celic (3 × 3). Po drugi strani lahko pri (b) avksetični-kiralni strukturi opazimo še mnogo izrazitejšo stopnjo deformacij strukture, ki so zelo enakomerno razporejene po celotnem preizkušancu, tako v vzdolžni kot prečni smeri. Najbolj togo obnašanje do porušitve izkazuje (a) avksetična struktura z vbočenimi šestkotniki.

4.1.2.3 Ciklična σ-ε karakteristika materiala

Pri celičnih strukturah posebne ciklične krivulje niso bile kreirane oz. modelirane, ampak so postopki napovedi dobe trajanja tako zasnovani, da lahko uporabimo ciklično krivuljo osnovnega materiala. Potrebne napetostno-deformacijske soodvisnosti na specifičnih celičnih strukturah so bile nato pridobljene na osnovi MKE-analiz.

4.1.2.4 Določanje dobe trajanja celičnih struktur

Malociklični dinamični preizkusi celičnih struktur na dobo trajanja so bili opravljeni na servo-hidravličnem stroju MTS Landmark 100 kN, na preizkušancih enake oblike kot pri nateznih testih. Enoosni eksperimentalni testi, ki tudi tukaj predstavljajo obremenitveni primer: mode I (tlak-nateg), so bili izvedeni v skladu s standardom ASTM E606/E606E, kjer uporabimo kontrolo pomika stroja (angl. displacement control). Testiranja so potekala pri frekvenci 0,2 Hz. Pri cikličnem obremenjevanju gremo v plastično območje obnašanja strukture. Amplitude obremenjevanja za sinusno obliko signala smo določili na osnovi statičnih preizkusov iz poglavja 4.1.2.1 in so na sliki 4.11 ločeno označene. Izbrane amplitude pomikov pri obratovanju od največje proti najmanjši so sledeče: avksetični-kiralni (Δl = ±4 mm, ±2 mm, ±1,5 mm, ±1,3 mm), avksetični-vboč. šest. (Δl = ±1 mm,

±0,5 mm, ±0,4 mm, ±0,35 mm) in heksagonalni preizkušanec (Δl = ±1,3 mm, ±0,65 mm,

±0,5 mm, ±0,45 mm). Preizkusi so bili izvedeni pri čisti izmenični obremenitvi (R = –1).

Uporabljeno protiuklonsko pripravo vidimo na sliki 4.13. Med gibajoče dele je bila z namenom maksimalnega zmanjšanja trenja dodatno vstavljena univerzalna PTFE folija s podatkom proizvajalca o nazivnem dinamičnem koeficientu trenja 0,04. V tem delu testiranj je bilo ključno ugotavljanje načina porušitve celičnih struktur. Ker sta nas zanimali narava in smer rasti utrujenostne razpoke so bile razmere med procesom utrujanja spremljane preko nadzora sile, vizualno preko pregleda slik in preko nadzora deformacije, ki ji sledimo z videoekstenziometrom preko dveh kontrastnih točk, nameščenih na levem robu testirane strukture preizkušanca. Vsak preizkus je potekal do polne separacije celičnih povezav. Rezultati o doseženih dobah trajanja so zbrani v preglednici 5.3 skupaj z

numeričnimi napovedmi iz poglavja 5 in posebej primerjani na sliki 5.11. Glavna značilnost testiranih heksagonalnih preizkušancev je naključna pojavnost utrujenostnih razpok, ki se v vseh primerih nahajajo v območju sredinskih celic 3 × 3 (glej sliko 5.10).

Tudi pri avksetičnih-kiralnih oblikah preizkušancev se utrujenostne razpoke nahajajo v osrednjem območju celic 3 × 3, kjer je kritični presek. Trend razvoja poškodb je pri tej strukturi predvidljivejši, saj je v treh od štirih primerov do porušitve prišlo v prečni ravni liniji, v enem primeru je do porušitve prišlo kombinirano, v dveh nivojih (glej sliko 5.8).

Pri dinamičnem testiranju avksetičnih struktur z vbočenimi šestkotniki v treh od štirih primerov ni prišlo do hipne končne separacije preizkušancev, ampak so ti popustili postopno. Pri amplitudi Δl = ±1 mm sta se najprej pretrgali dve osrednji celični povezavi, temu je sledila porušitev na levi in nato še na desni strani. Pri amplitudi Δl = ±0,5 mm so najprej popustile tri desne celične povezave. Leva povezava se je na koncu porušila izven kritičnega območja celic. Pri amplitudi Δl = ±0,4 mm so se hkrati porušile vse povezave, s tem da je na levi strani prišlo le do delnega loma (natrga). V zadnjem primeru pri najmanjši amplitudi Δl = ±0,35 mm so se vse povezave porušile hkrati, vendar je med cikličnim obremenjevanjem sila konstantno upadala. Rezultati eksperimentalnih testov utrujanja materialov v obliki doseženih ciklov N, na vseh celičnih strukturah, so podrobneje predstavljeni v preglednici 5.3. V nadaljevanju sledi še mikroskopski pregled mest prelomov z vključeno SEM analizo razpok.

Slika 4.13: Potek eksperimentalnih testiranj celičnih struktur na dobo trajanja.