Lujitemuovisen kaavinterän kannatinpalkin suunnittelu

Diplomityössä perehdytään lujitemuovikomposiitteihin sekä niiden valmistusmenetelmiin. Tavoitteena on kehittää lujitemuovinen paperikoneen kaavinterän kannatinpalkkirakenne. Suunniteltavalla tuotteella pyritään korvaamaan perinteisesti teräksestä valmistetut paperikoneiden kaavinterän pidikepalkit paremmin tarkoitukseen sopivalla lujitemuovisella rakenteella sekä parantamaan jo tuotannossa olevan tuotteen ominaisuuksia. Työssä selvitetään tuotteen vaatimukset, joiden pohjalta laaditaan tuotteen vaatimusprofiili ja suoritetaan materiaalinvalinta perustuen ominaisarvovertailuihin. Suunnitteluosiossa tutkitaan eri rakenneratkaisujen soveltuvuutta kohteeseen. Tutkimustulosten perusteella saatiin kattava kuva eri materiaalien soveltuvuudesta kohteeseen sekä kehitettiin rakenneratkaisu, joka täyttää tuotteelta vaaditut ominaisuudet. Tutkimustulosten pohjalta syntyi myös uuden tyyppinen rakenne jolla saavutetaan huomattavaa tilansäästöä perinteisiin rakenneratkaisuihin nähden. Tämän rakenneratkaisun kehitystyötä on tarkoitus jatkaa.

Komposiittien käyttö tämän päivän koneenrakennuksessa

Komposiitit ovat yhdistelmämateriaaleja, jotka koostuvat kahdesta tai useammasta eri materiaalista. Komposiitit ovat kiinnostavia tämän päivän koneenrakennukselle niiden korkean vahvuuden ja jäykkyyden suhteesta niiden kevyeeseen painoon nähden. Kuitulujitteisten komposiittien ja laminaattien valmistukseen on monia eri menetelmiä ja ne eroavat toisistaan lähinnä hartsin levittämistapojen sekä kuitujen asettelutapojen perusteella. Komposiittien työstäminen on vaikeaa, mikä johtuu niiden epähomogeenisesta ja anistrooppisesta laadusta ja komposiittien sisältävien lujitteiden korkeasta abrasiivisesta vaikutuksesta. Tavanomaisia työstömenetelmiä, kuten sorvausta, porausta ja jyrsimistä käytetään komposiittien työstämiseen. Kuitujen suuntaus komposiiteissa vaikuttaa paljon niiden työstämiseen. Ultraäänisen tärinän käyttäminen kuitulujitteisia komposiitteja sorvattaessa parantaa työstetyn kappaleen pinnanlaatua. Komposiittimateriaalien kiinnittäminen metalleihin eroaa selvästi muiden materiaalien kiinnittämisestä. Komposiittien yhdistämisen yhteydessä on otettava huomioon monia eri asioita, kiinnitysreikien valmistuksesta käytettäviin kiinnikkeisiin. Komposiittien kierrätys ja hävittäminen on tärkeä osa niiden elinkaarta, eikä niiden kierrätykseen ole tällä hetkellä hyviä ja kustannustehokkaita kierrätysmenetelmiä. Tällä hetkellä kierrättäminen tuleekin kalliimmaksi, kuin käytettyjen komposiittien vieminen kaatopaikalle.

Modification of Phenol Formaldehyde Resin for Improved Mechanical Properties

Phenolic resins suffer from the presence of microvoids on curing. This often leads to less than satisfactory properties in the cured resin. This disadvantage has limited the use of phenolic resins to some extent. This study is an attempt to improve the mechanical properties of the phenolic resol resins by chemical modification aimed at reducing the microvoid population. With this end in view various themoset resins synthesised under predetennined conditions have been employed for modifying phenolic resols. Such resins include unsaturated polyester, epoxy and epoxy novolac prepolymers. The results establish the effectiveness of these resins for improving the mechanical properties of phenolics. Experimental and analytical techniques used include FTIR, DMA, TGA, SEM and mechanical property evaluation. While most of the modifier resins employed give positive results the effect of adding UP is found to be surprising as well as impressive.

Epoxidized Phenolic Novolac: A Novel Modifier for Unsaturated Polyester Resin

Unsaturated polyester resins (UPRs) are used widely in the fiber-reinforced plastics (FRPs) industry. These resins have the disadvantages of brittleness and poor resistance to crack propagation. In this study, hybrid polymer networks (HPNs) based on UPR and epoxidized phenolic novolacs (EPNs) were prepared by reactive blending. A HPN is composed of a backbone polymer containing two types of reactive groups that can take part in crosslinking reactions via different mechanisms. EPNs were prepared by glycidylation of novolacs using epichlorohydrin. The novolacs had varying phenol: formaldehyde ratios. Blends of unsaturated polyester with EPN were then prepared. The physical properties of the cured blends were compared with those of the control resin. EPN shows good miscibility and compatibility with the resin and improves the toughness and impact resistance substantially. Considerable enhancement of tensile strength is also noticed at about 5% by weight of epoxidized novolac resin. TGA, DMA, and DSC were used to study the thermal properties of the toughened resin and the fracture behavior was studied using SEM. The blends are also found to have better thermal stability. Blending with EPN can be a useful and cost-effective technique for modification of UPR

Ein Beitrag zur realitätsnahen Modellierung und Analyse von stahlfaserverstärkten Stahlbeton- und Stahlbetonflächentragwerken

Das Werkstoffverhalten von stahlfaserfreiem bzw. stahlfaserverstärktem Stahlbeton unter biaxialle Druck- Zugbeanspruchung wurde experimentell und theoretisch untersucht. Die Basis der experimentellen Untersuchungen waren zahlreiche Versuche, die in der Vergangenheit an faserfreiem Stahlbetonscheiben zur Bestimmung des Werkstoffverhaltens von gerissenem Stahlbeton im ebenen Spannungszustand durchgeführt wurden. Bei diesen Untersuchungen wurde festgestellt, dass infolge einer Querzugbeanspruchung eine Abminderung der biaxialen Druckfestigkeit entsteht. Unter Berücksichtigung dieser Erkenntnisse sind zur Verbesserung der Werkstoffeigenschaften des Betons, Stahlbetonscheiben aus stahlfaserverstärktem Beton hergestellt worden. Die aus der Literatur bekannten Werkstoffmodelle für Beton sowie Stahlbeton, im ungerissenen und gerissenen Zustand wurden hinsichtlich der in der Vergangenheit ermittelten Materialeigenschaften des Betons bzw. Stahlbetons unter proportionalen sowie nichtproportionalen äußeren Belastungen erklärt und kritisch untersucht. In den frischen Beton wurden Stahlfasern hinzugegeben. Dadurch konnte die Festigkeits- und die Materialsteifigkeitsabminderung infolge Rissbildung, die zur Schädigung des Verbundwerkstoffs Beton führt, reduziert werden. Man konnte sehen, dass der Druckfestigkeitsabminderungsfaktor und insbesondere die zur maximal aufnehmbaren Zylinderdruckfestigkeit gehörende Stauchung, durch Zugabe von Stahlfasern besser begrenzt wird. Die experimentelle Untersuchungen wurden an sechs faserfreien und sieben stahlfaserverstärkten Stahlbetonscheiben unter Druck-Zugbelastung zur Bestimmung des Verhaltens des gerissenen faserfreien und stahlfaserverstärkten Stahlbetons durchgeführt. Die aus eigenen Versuchen ermittelten Materialeigenschaften des Betons, des stahlfaserverstärkten Betons und Stahlbetons im gerissenen Zustand wurden dargelegt und diskutiert. Bei der Rissbildung des quasi- spröden Werkstoffs Beton und dem stahlfaserverstärkten Beton wurde neben dem plastischen Fließen, auch die Abnahme des Elastizitätsmoduls festgestellt. Die Abminderung der aufnehmbaren Festigkeit und der zugehörigen Verzerrung lässt sich nicht mit der klassischen Fließtheorie der Plastizität ohne Modifizierung des Verfestigungsgesetzes erfassen. Es wurden auf elasto-plastischen Werkstoffmodellen basierende konstitutive Beziehungen für den faserfreien sowie den stahlfaserverstärkten Beton vorgeschlagen. Darüber hinaus wurde in der vorliegenden Arbeit eine auf dem elasto-plastischen Werkstoffmodell basierende konstitutive Beziehung für Beton und den stahlfaser-verstärkten Beton im gerissenen Zustand formuliert. Die formulierten Werkstoffmodelle wurden mittels dem in einer modularen Form aufgebauten nichtlinearen Finite Elemente Programm DIANA zu numerischen Untersuchungen an ausgewählten experimentell untersuchten Flächentragwerken, wie scheibenartigen-, plattenartigen- und Schalentragwerken aus faserfreiem sowie stahlfaserverstärktem Beton verwendet. Das entwickelte elasto-plastische Modell ermöglichte durch eine modifizierte effektive Spannungs-Verzerrungs-Beziehung für das Verfestigungsmodell, nicht nur die Erfassung des plastischen Fließens sondern auch die Berücksichtigung der Schädigung der Elastizitätsmodule infolge Mikrorissen sowie Makrorissen im Hauptzugspannungs-Hauptdruckspannungs-Bereich. Es wurde bei den numerischen Untersuchungen zur Ermittlung des Last-Verformungsverhaltens von scheibenartigen, plattenartigen- und Schalentragwerken aus faserfreiem und stahlfaserverstärktem Stahlbeton, im Vergleich mit den aus Versuchen ermittelten Ergebnissen, eine gute Übereinstimmung festgestellt.

Rissbildung und Zugtragverhalten von mit Stabstahl und Fasern bewehrtem Ultrahochfesten Beton (UHPC)

Ultrahochfester Beton (UHPC) ist ein sehr gefügedichter zementgebundener Werkstoff, der sich nicht nur durch eine hohe Druckfestigkeit, sondern auch durch einen hohen Widerstand gegen jede Form physikalischen oder chemischen Angriffs auszeichnet. Duktiles Nachbruchverhalten bei Druckversagen wird meist durch die Zugabe dünner kurzer Fasern erreicht. In Kombination mit konventioneller Betonstahl- oder Spannbewehrung ermöglicht UHPC die Ausführung sehr schlanker, weitgespannter Konstruktionen und eröffnet zugleich neue Anwendungsgebiete, wie zum Beispiel die flächenhafte Beschichtung von Brückendecks. Durch das Zusammenwirken kontinuierlicher Bewehrungselemente und diskontinuierlich verteilter kurzer Fasern ergeben sich unter Zugbeanspruchung Unterschiede gegenüber dem bekannten Stahl- und Spannbeton. In der vorliegenden Arbeit wird hierzu ein Modell entwickelt und durch eine umfangreiche Versuchsreihe abgesichert. Ausgangspunkt sind experimentelle und theoretische Untersuchungen zum Verbundverhalten von Stabstählen in einer UHPC-Matrix und zum Einfluss einer Faserzugabe auf das Reiß- und Zugtragverhalten von UHPC. Die Modellbildung für UHPC-Zugelemente mit gemischter Bewehrung aus Stabstahl und Fasern erfolgt auf der Grundlage der Vorgänge am diskreten Riss, die daher sehr ausführlich behandelt werden. Für den elastischen Verformungsbereich der Stabbewehrung (Gebrauchslastbereich) kann damit das Last-Verformungs-Verhalten für kombiniert bewehrte Bauteile mechanisch konsistent unter Berücksichtigung des bei UHPC bedeutsamen hohen Schwindmaßes abgebildet werden. Für die praktische Anwendung wird durch Vereinfachungen ein Näherungsverfahren abgeleitet. Sowohl die theoretischen als auch die experimentellen Untersuchungen bestätigen, dass der faserbewehrte UHPC bei Kombination mit kontinuierlichen Bewehrungselementen selbst kein verfestigendes Verhalten aufweisen muss, um insgesamt verfestigendes Verhalten und damit eine verteilte Rissbildung mit sehr keinen Rissbreiten und Rissabständen zu erzielen. Diese Beobachtungen können mit Hilfe der bisher zur Verfügung stehenden Modelle, die im Wesentlichen eine Superposition isoliert ermittelter Spannungs-Dehnungs-Beziehungen des Faserbetons und des reinen Stahls vorsehen, nicht nachvollzogen werden. Wie die eigenen Untersuchungen zeigen, kann durch ausreichend dimensionierte Stabstahlbewehrung zielgerichtet und ohne unwirtschaftlich hohe Fasergehalte ein gutmütiges Verhalten von UHPC auf Zug erreicht werden. Die sichere Begrenzung der Rissbreiten auf deutlich unter 0,1 mm gewährleistet zugleich die Dauerhaftigkeit auch bei ungünstigen Umgebungsbedingungen. Durch die Minimierung des Material- und Energieeinsatzes und die zu erwartende lange Nutzungsdauer lassen sich so im Sinne der Nachhaltigkeit optimierte Bauteile realisieren.

Verbesserung der seismischen Kapazität von Mauerwerkswänden durch Verwendung von Elastomerlagern

Ein großer Teil der Schäden wie auch der Verluste an Gesundheit und Leben im Erdbebenfall hat mit dem frühzeitigen Versagen von Mauerwerksbauten zu tun. Unbewehrtes Mauerwerk, wie es in vielen Ländern üblich ist, weist naturgemäß einen begrenzten Erdbebenwiderstand auf, da Zugspannungen und Zugkräfte nicht wie bei Stahlbeton- oder Stahlbauten aufgenommen werden können. Aus diesem Grund wurde bereits mit verschiedenen Methoden versucht, die Tragfähigkeit von Mauerwerk im Erdbebenfall zu verbessern. Modernes Mauerwerk kann auch als bewehrtes oder eingefasstes Mauerwerk hergestellt werden. Bei bewehrtem Mauerwerk kann durch die Bewehrung der Widerstand bei Beanspruchung als Scheibe wie als Platte verbessert werden, während durch Einfassung mit Stahlbetonelementen in erster Linie die Scheibentragfähigkeit sowie die Verbindung zu angrenzenden Bauteilen verbessert wird. Eine andere interessante Möglichkeit ist das Aufbringen textiler Mauerwerksverstärkungen oder von hochfesten Lamellen. In dieser Arbeit wird ein ganz anderer Weg beschritten, indem weiche Fugen Spannungsspitzen reduzieren sowie eine höhere Verformbarkeit gewährleiten. Dies ist im Erdbebenfall sehr hilfreich, da die Widerstandfähigkeit eines Bauwerks oder Bauteils letztlich von der Energieaufnahmefähigkeit, also dem Produkt aus Tragfähigkeit und Verformbarkeit bestimmt wird. Wenn also gleichzeitig durch die weichen Fugen keine Schwächung oder sogar eine Tragfähigkeitserhöhung stattfindet, kann der Erdbebenwiderstand gesteigert werden. Im Kern der Dissertation steht die Entwicklung der Baukonstruktion einer Mauerwerkstruktur mit einer neuartigen Ausbildung der Mauerwerksfugen, nämlich Elastomerlager und Epoxydharzkleber anstatt üblichem Dünnbettmörtel. Das Elastomerlager wird zwischen die Steinschichten einer Mauerwerkswand eingefügt und damit verklebt. Die Auswirkung dieses Ansatzes auf das Verhalten der Mauerwerkstruktur wird unter dynamischer und quasi-statischer Last numerisch und experimentell untersucht und dargestellt.

Aplicacions i mecanisme de la reacció d'hidroesterificació d'olefines. Compatibilització fibramatriu en poliolefines reforçades amb fibra de pi

En la primera part del present treball es presenta la investigació duta a terme sobre la reacció d'hidroesterificació d'olefines. S'analitzen els factors que afecten la reactivitat i quimioselectivitat de les reaccions d'hidroesterificació i deuterioesterificació en sistemes catalítics basats en complexes de pal·ladi amb lligands auxiliars de tipus fosfina. Es presenta un estudi detallat del mecanisme catalític a través del qual tenen lloc aquestes reaccions. La determinació del mecanisme de reacció ha estat aplicada a la obtenció d'una versió enantioselectiva de la mateixa. En una segona part del treball s'han analitzat diversos sistemes de modificació superficial de fibres naturals i el seu efecte sobre la compatibilitat fibra - matriu en materials compòsits de matriu poliolefínica. S'han caracteritzat les propietats superficials de fibres de pi químicament modificades. Les fibres naturals modificades s'han utilitzat en la preparació de materials compòsits, les propietats mecàniques, tèrmiques i termomecàniques dels quals han estat caracteritzades i analitzades.

Study of bond behaviour between FRP reinforcement and concrete

El uso de barras de materiales compuestos (FRP) se propone como una alternativa efectiva para las tradicionales estructuras de hormigón armadas con acero que sufren corrosión en ambientes agresivos. La aceptación de estos materiales en el mundo de la construcción está condicionada a la compresión de su comportamiento estructural. Este trabajo estudia el comportamiento adherente entre barras de FRP y hormigón mediante dos programas experimentales. El primero incluye la caracterización de la adherencia entre barras de FRP y hormigón mediante ensayos de pull-out y el segundo estudia el proceso de fisuración de tirantes de hormigón reforzados con barras de GFRP mediante ensayo a tracción directa. El trabajo se concluye con el desarrollo de un modelo numérico para la simulación del comportamiento de elementos de hormigón reforzado bajo cargas de tracción. La flexibilidad del modelo lo convierte en una herramienta flexible para la realización de un estudio paramétrico sobre las variables que influyen en el proceso de fisuración.

Quantitative thermal imaging analysis of aircraft materials: through skin sensing (Invited Paper)

Thermal non-destructive testing (NDT) is commonly used for assessing aircraft structures. This research work evaluates the potential of pulsed -- transient thermography for locating fixtures beneath aircraft skins in order to facilitate accurate automated assembly operations. Representative aluminium and carbon fibre aircraft skin-fixture assemblies were modelled using thermal modelling software. The assemblies were also experimentally investigated with an integrated pulsed thermographic evaluation system, as well as using a custom built system incorporating a miniature un-cooled camera. Modelling showed that the presence of an air gap between skin and fixture significantly reduced the thermal contrast developed, especially in aluminium. Experimental results show that fixtures can be located to accuracies of 0.5 mm.

Evolution of the eye-end design of a composite leaf spring for heavy axle loads

This paper presents the design evolution process of a composite leaf spring for freight rail applications. Three designs of eye-end attachment for composite leaf springs are described. The material used is glass fibre reinforced polyester. Static testing and finite element analysis have been carried out to obtain the characteristics of the spring. Load-deflection curves and strain measurement as a function of load for the three designs tested have been plotted for comparison with FEA predicted values. The main concern associated with the first design is the delamination failure at the interface of the fibres that have passed around the eye and the spring body, even though the design can withstand 150 kN static proof load and one million cycles fatigue load. FEA results confirmed that there is a high interlaminar shear stress concentration in that region. The second design feature is an additional transverse bandage around the region prone to delamination. Delamination was contained but not completely prevented. The third design overcomes the problem by ending the fibres at the end of the eye section.

Finite element aided design evolution of composite leaf spring

This paper shows the process of the virtual production development of the mechanical connection between the top leaf of a dual composite leaf spring system to a shackle using finite element methods. The commercial FEA package MSC/MARC has been used for the analysis. In the original design the joint was based on a closed eye-end. Full scale testing results showed that this configuration achieved the vertical proof load of 150 kN and 1 million cycles of fatigue load. However, a problem with delamination occurred at the interface between the fibres going around the eye and the main leaf body. To overcome this problem, a second design was tried using transverse bandages of woven glass fibre reinforced tape to wrap the section that is prone to delaminate. In this case, the maximum interlaminar shear stress was reduced by a certain amount but it was still higher than the material’s shear strength. Based on the fact that, even with delamination, the top leaf spring still sustained the maximum static and fatigue loads required, the third design was proposed with an open eye-end, eliminating altogether the interface where the maximum shear stress occurs. The maximum shear stress predicted by FEA is reduced significantly and a safety factor of around 2 has been obtained. Thus, a successful and safe design has been achieved.

Studies on the kinetics of ascorbate oxidation at a ruthenium oxide hexacyanoferrate modified electrode towards the detection at microenvironments

The electrocatalytic oxidation of ascorbate on a ruthenium oxide hexacyanoferrate (RuOHCF) glassy carbon (GC) modified electrode was investigated at pH 6.9 by using rotating disc electrode (RDE) voltammetry. The influence of the systematic variation of rotation rate, film thickness, ascorbate concentration and the electrode potential indicated that the rate of cross-chemical reaction between Ru(III) centres immobilized into the film and ascorbate controls the overall process. The kinetic regime may be classified as a Sk `` mechanism and the second order rate constant for the surface electrocatalytic reaction was found to be 1.56 x 10(-3) mol(-1) L-1 s(-1) cm. A carbon fibre microelectrode modified with the RuOHCF film was successfully used as an amperometric sensor to monitor the ascorbate diffusion in a simulated microenvironment experiment. (C) 2008 Elsevier B.V. All rights reserved.