Analysis of composite load joint at short- and long-term loads

Abstract

The specific strength and stiffness of the fiber reinforced plastics make them an interesting material alternative for machine parts where a lightweight structure is an advantage. Fiber composites are anisotropic material in nature, variating the properties by material directions. In the matrix dominant directions, the composite has viscoelastic properties due the polymer, which need to take account analyzing the strength of the structure in long-term loads.

In this thesis the load joint of the paper machine rolls made of unidirectional reinforced plastic was analyzed. The elastic and strength properties of the composite were defined by the bridging micromechanical model from the material constituents. The properties were defined in time and temperature domains in matrix dominant directions by creep test data of references studies. Based on the strength values, interactive and independent failure envelopes for short- and long-term loads were determined for the material.

As a result of the analysis, the stiffness of the structure and the stress distribution were obtained. The analyzes were done by analytical and numerical means. Preliminary assessment of the cross-sections and dimensions of the structure were done analytical means and the final analysis numerically by the finite element method. The failure criteria values, the safety factors and the failure modes were defined from the three-dimensional stress results of the numerical analysis. The analysis showed the effects of external loads to the stress distribution, which were smoothed by shaping the structure and thus the strength could be improved.

Kuituvahvisteisten muovien ominaislujuus ja -jäykkyys tekevät niistä mielenkiintoisen materiaalivaihtoehdon koneen osille, joissa kevyt rakenne on etu. Kuitukomposiitit ovat luonteeltaan anisotrooppisia materiaaleja, joiden ominaisuudet vaihtelevat materiaalisuuntien mukaan. Matriisin hallitsevissa suunnissa komposiitilla on polymeeristä johtuvia viskoelastisia ominaisuuksia, jotka on otettava huomioon rakenteen lujuutta analysoitaessa pitkäaikaisissa kuormituksissa.

Tässä diplomityössä analysoitiin paperikoneen telojen kuormitusliitos, jonka materiaalina on yksisuuntainen kuituvahvistettu muovikomposiitti. Komposiitin elastisuus- ja lujuusominaisuudet määriteltiin komposiitin ainesoista mikromekaanisella mallilla, joista matriisin hallitsevat suunnat ajan ja lämpötilan funktioina lähdetutkimuksista kerätystä mittausdatasta. Lujuusarvojen perusteella materiaalille määriteltiin interaktiiviset ja riippumattomat murtokriteerit lyhyen ja pitkän aikavälin kuormille.

Analyysin tuloksena saatiin rakenteen jäykkyys ja jännitysjakauma. Rakennetta analysoitiin analyyttisin ja numeerisin keinoin. Alustava arviointi rakenteen poikkileikkauksista ja mitoista tehtiin analyyttisin menetelmin ja lopullinen analyysi numeerisesti äärellisten elementtien menetelmällä. Vikakriteerien arvot, varmuuskertoimet ja vikatilat määriteltiin kolmiulotteisista numeerisista jännitystuloksista. Analyysi osoitti ulkoisten kuormien vaikutukset jännitysjakaumaan, joiden tasoittamisella rakenteen lujuutta pystyttiin parantamaan.