FI101776B - Menetelmä ja liitoselin kuitulujitetun komposiittirakenteen liittämise ksi muihin rakenteisiin - Google Patents

Description

1C1 / 7 6

Menetelmä ja liitoselin kuitulujitetun komposiittirakenteen liittämiseksi muihin rakenteisiin Tämän keksinnön kohteena on patenttivaatimuksen 1 johdannon 5 mukainen menetelmä kuitulujitetun rakenteen liittämiseksi rakenteisiin, joissa komposiitin lujiterakenne ei jatku.

Keksinnön kohteena on myös patenttivaatimuksen johdannon 6 mukainen liitoselin ja vaatimuksen 9 johdannon mukainen 10 liitos.

Kuitulujitetuilla komposiiteilla on useita hyviä ominaisuuksia, minkä takia niitä käytetään usein keveyttä ja suurta lujuutta vaativissa kohteissa. Lujitekuitujen suun-15 taa ja määrä muuttamalla voidaan esimerkiksi suunnitella tarkasti tietyn rasitustilan kestävä komponentti eikä koko rakennetta tarvitse mitoittaa kestämään vain tietyssä suunnassa vaikuttavaa rasitusta. Tällä tavoin saadaan aikaan kevyitä ja kestäviä rakenteita ja samalla säästetään ra-20 kenneainetta. Lujitettujen rakenteiden liittäminen muihin rakenteisiin on kuitenkin ongelmallista. Komponenttien : : matriisimateriaalina käytetään erilaisia muoveja, joten ne ; ovat selvästi metalleja pehmeämpiä ja kestävät siten niitä huonommin pistemäisiä kuormia ja saumojen liikkeistä aiheu-25 tuvaa kulutusta. Niinpä tavallisesti käytettävät pultti- ja •"1 niittiliitokset ovat vaikeasti toteutettavissa, koska kiin- • * * "j/ nityselimeen kohdistuva kuorma on jaettava mahdollisimman ' laajalle alalle komposiittiin, jotta liitoksen rasitus saataisiin kohdistumaan kuormaa kantaviin kuituihin eikä • · *.*.* 30 suhteellisen pehmeään matriisimateriaaliin. Saumakohtaa • · · : joudutaan myös usein vahvistamaan komposiittiin sijoitetta- villa lujitekappaleilla tai lisäämällä komposiitin rakenne- .···. vahvuutta. Saumakohtaan muodostuu kuitenkin aina voimakas • · *·* epäjatkuvuuskohta, joka saattaa vähentää rakenteen lujuutta : ’·* 35 erityisesti pitkäaikaisessa vaihtelevassa kuormituksessa.

• · • · · • ♦ · • ·

Edellä kuvatun kaltaisissa saumoissa käytetään usein myös 2 101/76 liimaliitoksia. Näiden liitosten ongelmana on se, että liimat, joiden lujuus ja tartuntakyky riittävät suuren rasituksen alaisena toimiviin rakenteisiin, vaativat hyvin huolellista työskentelyä koska saumapintojen on oltava 5 puhtaita ja sauma on tuettava liikkumattomaksi liiman kovettumisen ajaksi. Liimaliitos kestää myös huonosti leik-kausrasitusta, mikä on otettava liitoksen suunnittelussa huomioon ja saattaa vaikeuttaa rakenteen valmistusta ja suunnittelua. Usein liimaliitokset vahvistetaan tästä syys-10 tä niittaamalla tai pulteilla. Lisäksi monet liimat ovat myrkyllisiä ja niistä erittyy haitallisia kaasuja käsittelyn ja kovettumisen aikana. Siten liimaliitoksen valmistamisessa tarvitaan usein erilaisia suojaimia ja työskentelytilat on tuuletettava hyvin.

15

Laivanrakennuksessa rakennesuunnittelussa on otettava huomioon kansainvälisten luokituslaitosten ja merenkulkuvi-ranomaisten määräykset. Nykyisillä komposiittiosien liitosmenetelmillä näitä vaatimuksia on ollut vaikeaa tai mahdo-. 20 tonta täyttää.

I * i Tämän keksinnön tarkoituksena on saada aikaan menetelmä '·' kuitulujitetun komposiittirakenteen liittämiseksi metalli- ···: rakenteeseen tai muuhun vastaavaan rakenteeseen, jota ei • · •*.i : 25 valmisteta komposiittirakenteen kanssa samanaikaisesti • * * ; laminoimalla.

Keksintö perustuu siihen, että rakenteeseen, johon kom- • · posiittirakenne liitetään, muodostetaan tartuntoja ja aina-30 kin osa kuitulujitetun materiaalin kuiduista punotaan kiin- • · · : ·* ni näihin tartuntoihin.

• · · • · • · • · · Täsmällisemmin sanottuna keksinnön mukaiselle menetelmälle ;\j on tunnusomaista se, mitä on esitetty patenttivaatimuksen l 35 tunnusmerkkiosassa.

101/76 3

Keksinnön mukaiselle liitoselimelle on puolestaan tunnusomaista se, mitä on esitetty patenttivaatimuksen 6 tun-nusmerkkiosassa.

5 Keksinnän mukaiselle liitokselle on tunnusomaista se, mitä on esitetty patenttivaatimuksen 9 tunnusmerkkiosassa.

Keksinnön avulla saavutetaan huomattavia etuja.

10 Keksinnön avulla komposiittirakenteen kuidut saadaan kiinnittymään suoraan viereiseen rakenteeseen, jolloin sauman kuormankantokyky vastaa lähes komposiittirakenteen kuorman-kantokykyä. Liitos voidaan toteuttaa joko suoraan metalli-levyn ja komposiitin liitoksena tai erillisen liitoskappa-15 leen avulla. Liitoselimiä, jotka käsittävät metalliliuskan ja siihen muodostettuihin tartuntoihin punottuja lujitekui-tuja, voidaan valmistaa metritavarana ja käyttää tarpeen mukaan eri liitoskohteissa. Rakenne on erittäin luja ja ylimääräisiä vahvistuksia ei tarvita. Erillisen liitoseli-. 20 men avulla komposiittirakenteita voidaan kiinnittää hitsaa- i * « ' maila metallirakenteisiin. Liitostapaa voidaan käyttää

« i I

kaikissa laivanrakennuksessa esiintyvissä liitoksissa me-

I I

v\: tallisten rakenne-elimien liittämiseen komposiittirakentei- siin, kuten laidoituksissa, laipioissa, kansissa, palkkira- • « : :: 25 kenteissa ja kaarissa ja vastaavissa. Liitettävä rakenne voi olla myös muuta materiaalia kuin metallia, mutta käy-tännössä liitostarvetta esiintyy lähinnä metallilevyjen ja .·.·. komposiittirakenteiden välillä. Keksinnön sovellusala ei • i i kuitenkaan rajoitu tasomaisiin kappaleisiin, kuten edellä » · · 30 on jo mainittu.

• · · • · · • · • ·

Keksintöä selitetään seuraavassa tarkemmin oheisten piirus- ;·. tusten avulla.

• « · » · • · · * ’ 35 Kuvio 1 esittää keksinnön avulla toteutettua liitosta.

4 101776

Kuviot 2, 3 ja 4 esittävät yksityiskohtaisemmin yhtä keksinnön mukaisen liitoselimen suoritusmuotoa.

Kuvio 5 esittää toista keksinnön suoritusmuotoa.

5

Kuvioissa 2, 2, ja 4 on esitetty yksi keksinnön mukainen liitoselin, joka soveltuu esimerkiksi kuviossa l esitetyn tapaisiin liitoksiin. Liitoskappale käsittää metallilevyn 1, joka on samaa materiaalia kuin rakenne, johon se liite-10 tään hitsaamalla. Yleisimmät levymateriaalit ovat teräs ja alumiini. Levyyn 1 on tehty reikiä 3, joiden läpi on pujotettu lujitekuituja 2. Reikiä 3 on useassa rivissä levyn 1 toisella pitkällä sivulla ja kukin lujitekuitu on pujotettu reikiin 3 siten, että kuitu 2 kulkee levyn 1 reunasta 15 suorassa linjassa olevien reikien 3 läpi levyn 1 puolelta toiselle ja kääntyy viimeisen reikärivin kohdalla U-muotoi-seksi lenkiksi ja palaa samalla tavalla pujotellen levyn 1 reunaan. Jokainen kuitu 2 muodostaa siten U-muotoisen lenkin, jonka sakarat jäävät levyn 1 ulkopuolelle ulottuviksi 20 hapsuiksi. Hapsujen pituus valitaan käyttökohteen mukaan.

Koska kuidut 2 pujotetaan useiden reikien 3 läpi, ne kiris-tyvät rasituksessa lujasti reikien 3 reunoihin ja rasitus jakaantuu laajalle alueelle. Tällä tavalla järjestettynä kuidut 2 lukittuvat paikoilleen jo pujottelun lukitsemina.

: 25 Kuorman jakaantumista parantaa ja kuitujen kiinnitys var- • · · · mistetaan kuitujen 2 päälle levitettävällä hartsilla, jolla liitoselin kiinnitetään komposiittirakenteeseen 1. Hartsina .·.·. voidaan käyttää esimerkiksi komposiittirakenteen 4 valmis- » · · tuksessa käytettävää hartsia. Lujitekuituina voidaan käyt- • · · 30 tää mitä tahansa normaalisti käytettävää kuitua, esimerkik- • · · • V si lasikuituja, aramidikuituja tai hiilikuitua. Metallile- vyn 1 leveys valitaan siten, että levyn 1 ja metalliraken-./ teen 5 yhteen hitsaaminen ei vahingoita komposiittiraken- *. . netta.

'· 35

Yksi liitoksen toteuttamistapa on kuviossa 1. Siinä metal- 5 101776 lilevy 1 on hitsattu kiinni aluksen metallirakenteeseen 5 ja komposiittirakenteen 4 reuna on sovitettu levyn 1 vastakkaista reunaa vasten. Tällöin liitoselimen kuidut 2 ulottuvat komposiittirakenteen 4 päälle. Liitos on sidottu 5 yhteen liitoselimen kuitujen 2 päälle levitetyllä hartsilla. Tässä liitoksessa puristuskuorman kantavat levyn 1 ja komposiittirakenteen vastakkain sovitetut reunat ja vetora-situksen liitoselimen kuidut 2.

10 Kuviossa 5 on esitetty rakenne, jossa levyyn 1 on muodostettu tappeja 6. Tapit on sijoitettu riveiksi vastaavalla tavalla kuin kuvion 3 reiät ja kuidut 3 on kierretty tappien ympärille siten, että kuitulenkin haarat kulkevat vuo-rottain tappien 6 ohi eri puolilta. Tässä ratkaisussa kui- 15 dut 2 eivät puristu yhtä tiukasti kiinnityselimiin, mutta rakenteen etuna on se, että levyn 1 takaosa jää tasaiseksi. Siten levy voidaan tarvittaessa sijoittaa jotain rakennetta vasten.

20 Liitos voidaan valmistaa käytännössä usealla tavalla. Jos ‘ käytetään erillistä liitoskappaletta kuvion 1 tapaan, lii- I i toskappale voidaan hitsata ensin kiinni metallirakenteeseen 5, jolloin komposiittikappaleen kiinnittäminen tehdään laminoimalla se kiinni liitoskappaleeseen. Valmistustekni- • · :.· * 25 sesti lienee kuitenkin edullisempaa, että liitoskappale • · · : : : lammoidaan ensin kiinni komposiittikappaleeseen esimerkik si sen valmistamisen yhteydessä tai sen jälkeen ja liitos-hitsaus tehdään kokoonpanopaikalla. Lujin liitos saadaan • · .·;·. siten, että tartunnat, eli reiät 3 tai tapit 6 muodostetaan • · · 30 suoraan metallirakenteeseen ja lujitekuidut 2 punotaan suo- • · · : raan kiinni näihin tartuntoihin ennen komposiittirakenteen • · ·.,.· laminoimista. Vaihtoehtoisesti voidaan tehdä niin, että :·. liitoselimen kuidut 2 punotaan komposiittirakenteen kuitu jen sekaan, jolloin liitoshitsaus voidaan tehdä komposiit- • « · 35 tikappaleen valmistamisen jälkeen.

6 101776

Tartunnat voidaan muodostaa levyyn tai rakenteeseen, johon komposiittirakenne liitetään lävistämällä levyyn reikiä, jolloin lävistys voidaan tehdä materiaalia poistamatta siten, että levyn toiselle puolelle muodostuu ulkonevat 5 tapit. Pinnan profiili voidaan myös muodostaa jollain muulla tavalla karkeaksi siten, että profiilisyvyys on lujite-kuitujen paksuutta suurempi. Reikäliitos voidaan toteuttaa vaikkapa revityn reikälevyn tapaisella rakenteella. Kuitujen kiinnittäminen voidaan sekin tehdä monella tavalla. Jos 10 kuituosana käytetään kudottua mattoa, se on helppo kiinnittää tappilevyyn yksinkertaisesti painamalla matto tappien päälle. Lujempi liitos saadaan kuitenkin punomalla tai neulomalla kuidut tartuntaelimien ympärille tai läpi. Tar-tuntae^Limien muoto ja lukumäärä ja kuitujen pituus ja luku-15 määrä määritellään liitoksen vaatimusten mukaan.

Edellä esitetyn lisäksi tällä keksinnöllä on muitakin suoritusmuotoja. Tartuntaelimiä ja kuituja voidaan sijoittaa levyn tai metallirakenteen molemmin puolin, jolloin ne 20 saadaan vastaavasti molemmin puolin komposiittirakennetta ja liitoksen lujuus lisääntyy. Kuviossa 1 esitetty liitos, joka on toteutettu kuvion 3 tai 5 kaltaisella liitoselimellä, kantaa kuormaa vain saumaan nähden poikittaisessa suunnassa, eli kuitujen suunnassa ja reunoja vasten. Mikäli • « : 25 sauman on otettava vastaan sauman suuntaista rasitusta, eli »·· ·* saumaan kohdistuvaa pitkittäistä leikkausvoimaa, ainakin osa kuiduista on punottava saumaan nähden vinoon asentoon.

:V: Keksintö on tarkoitettu ensisijaisesti komposiittiraken- * · .·:·. teiden liittämiseen metallirakenteisiin, mutta sitä voidaan • · · • 30 soveltaa missä tahansa sellaisessa kohteessa, jossa kom- m · « ·' ·' posiittirakenne on kiinnitettävä aiemmin valmistettuun • · rakenteeseen. Levymäisten kappaleiden liittämisen lisäksi t voidaan liittää myös putkia, palkkeja ja muita vastaavia /. : kappaleita ja rakenteita. Tällöin käytetään levyn sijasta 35 sopivan muotoista liitoselintä.

Claims (10)

101/76

1. Menetelmä kuitulujitetun komposiittirakenteen (4) liittämiseksi aiemmin valmistettuun rakenteeseen (1) , t u n - 5. e t t u siitä, että - aiemmin valmistettuun rakenteeseen (1) muodostetaan tartuntoja (3, 6), 10. tartuntoihin (3, 6) kiinnitetään lujitekuituja (2), ja - lujitekuidut (2) laminoidaan kiinni aiemmin valmistettuun rakenteeseen (1) ja komposiittirakente- 15 seen (4).

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnet-t u siitä, että tartunnat (3, 6) muodostetaan erilliseen metallilevyyn (1), joka liitetään komposiittirakenteeseen 20 (4) liittämisen jälkeen hitsaamalla samaa metallia olevaan rakenteeseen (5).

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnet- : t u siitä, että tartunnat (3, 6) muodostetaan aiemmin 25 valmistettuun metallirakenteeseen (5) ja tartuntoihin kiin- nitetään komposiittirakenteen lujitekuituja ennen komposiittirakenteen laminoimista. » »

4. Jonkin edellä olevan patenttivaatimuksen mukainen mene-. 30 telmä, tunnettu siitä, että aiemmin valmistettuun : ' rakenteeseen (1) valmistetaan reikiä (3) ja kuidut (2) pujotetaan näihin reikiin (3). : 5. Jonkin edellä olevan patenttivaatimuksen mukainen mene- 35 telmä, tunnettu siitä, että aiemmin valmistettuun rakenteeseen (1) valmistetaan tappeja (6) ja kuidut (2) 9 101776 kiinnitetään näiden tappien (6) ympärille.

6. Liitoselin komposiittirakenteen liittämiseksi metallirakenteeseen (5), joka käsittää metallisen liitoselimen (1), 5 tunnettu siitä, että metalliseen liitoselimeen on muodostettu tartuntoja (3, 6), ja tartuntoihin on kiinnitetty lujitekuituja (2), jotka ulottuvat liitoselimen reunan ulkopuolelle.

7. Patenttivaatimuksen 6 mukainen liitoselin, tun nettu siitä, että tartunnat ovat reikiä (3) ja kuidut (2) on pujotettu näihin reikiin.

8. Patenttivaatimuksen 6 mukainen liitoselin, t u n - 15. e t t u siitä, että tartunnat ovat tappeja (6) ja kuidut on kiinnitetty näihin tappeihin (6).

9. Komposiittirakenteen ja aiemmin valmistetun rakenteen välinen liitos, tunnettu aiemmin valmistettuun 20 rakenteeseen muodostetuista tartunnoista, ja tartuntoihin kiinnitetyistä lujitekuiduista, jotka ulottuvat liitoskohdan yli. <

10. Patenttivaatimuksen 9 mukainen liitos, tunnettu . 25 siitä, että lujitekuidut ovat komposiittirakenteen kuituja. • a a T • f t « * t % t t 101776