Vezelversterkte kunststoffen

Mechanica en ontwerp

Moderne vezelversterkte kunststoffen (vvk's) dateren uit de vliegtuigbouw rond het begin van de tweede wereldoorlog. Sedertdien is de ontwikkeling en toepassing ervan gestaag voortgezet. Niet alleen in de lucht- en ruimtevaart, maar ook in andere sectoren van de techniek, met name in de chemische technologie en de transportsector; en met bekende toepassingen in de sport, zoals ski's, polsstokken, tennisrackets, hockeysticks, surfplanken, roeiboten en zeiljachten.

Om te kunnen concurreren met conventionele constructiematerialen is het noodzakelijk om de mogelijkheid de eigenschappen van een vvk constructie of onderdeel richting te geven, zoveel mogelijk te benutten. Voor het optimaal ontwerpen van en in vvk is daarom kennis van en rekenen met richtingsafhankelijke eigenschappen onontbeerlijk. In dat kader zijn twee colleges opgezet: 'Ontwerpen in vezelversterkte kunststoffen', een derdejaars keuzevak voor werktuigbouwkundige en andere studenten, en een hoofdvakcollege 'Mechanica van vezelversterkte kunststoffen'. Het collegedictaat van het derdejaarsvak dat voornamelijk is gebaseerd op de laminatentheorie, is ook op hts-en (de tegenwoordige technische hogescholen) gebruikt. Beide dictaten zijn nu ge ntegreerd in dit boek.

De geboden stof is er op gericht om inzicht te kweken in vooral het mechanisch gedrag van vvk's. Om het boek tevens geschikt te maken voor zelfstudie wordt de theorie in kleine stappen aangeboden.

Bij de opzet van de stof is uitgegaan van de begrippen stijfheid en sterkte, en van een macro- en een microniveau om naar vvk's te kijken.

Op macroschaal wordt vvk als zijnde homogeen maar anisotroop beschouwd. Dit leidt tot gebruik van de lineaire elasticiteitstheorie voor homogene, anisotrope materialen. En qua sterkte tot een fenomenologische behandeling van breukcriteria voor dergelijke materialen. Deze materie wordt vervolgens in verschillende hoofdstukken toegepast, met de nadruk op een stijfheid- en sterkteanalyse van laminaten, regels voor de opbouw van laminaten - het koppelgedrag en het vermijden ervan - en optimalisatie. Kort is aandacht besteed aan hygrothermische effecten, fysische transportverschijnselen en de tijdsafhankelijkheid van het mechanisch gedrag. Praktische berekeningen zijn gebaseerd op experimenteel verkregen waarden van stijfheid en sterkte. Zo kan dit gedeelte van de stof apart worden bestudeerd. (Zie ook het selectief spoor door het boek dat na het voorwoord staat vermeld.)

Om de richtingsafhankelijke stijfheidseigenschappen van vvk te schatten op basis van samenstelling en eigenschappen van de componenten zijn modellen nodig waarbij de componenten duidelijk zijn te onderscheiden. Naast de eenvoudige modellen worden voor een beter begrip ook meer ingewikkelde modellen behandeld. Ook voor het leren begrijpen van het breukgedrag is het nodig het materiaal op vezelniveau te benaderen, waarbij ook een beroep wordt gedaan op inleidende breukmechanica.

In het laatste hoofdstuk wordt de stof gebruikt bij de modelvorming van weefselversterking, en bij het analyseren van twee werktuigkundige vvk-toepassingen: bladveren en vliegwielen.

De intentie van het boek is een Nederlandstalige ingang te vormen voor de merendeels Engelstalige vakliteratuur. De technische vakliteratuur is toegespitst op het materiaal en het ontwerpen en vervaardigen erin en ervan. In die literatuur wordt voornamelijk gebruikgemaakt van de verkorte indexnotatie voor spanningen, vervormingen en elasticiteitsconstanten. En zo hier ook grotendeels.

Inhoud

Voorwoord

1. Inleiding

2. Continu mmechanica van homogene, anisotrope materialen

3. Continu mmechanica van orthotrope lagen

4. Micromodellen voor de composietstijfheden

5. Fysische eigenschappen van vvk's

6. Breukcriteria voor vezelversterkte kunststoffen

7. Bezwijkmechanismen

8. De klassieke laminatentheorie

9. De invloed van de opbouw van een laminaat

10. Het optimaliseren tijdens het ontwerpen

11. Tijdsafhankelijk gedrag van vezelversterkte kunststoffen

12. Toepassingsvoorbeelden

A1. Appendices bij hoofdstuk 4

A2. Appendices bij hoofdstuk 7

Literatuur

Index van onderwerpen (met een Engelse vertaling)

Index van (de meest gebruikte, specifieke) symbolen

http://www.vssd.nl/hlf/m010.htm