Villum Centeret

Villum-centeret og letvægts-konstruktioner

Det nye center, ”Villum Center for Advanced Structural and Materials Testing”, har givet helt nye muligheder for grundlæggende mekanisk forskning og udviklingen af nye konstruktioner og materialer. Villum Fonden har doneret 76 mio. kroner til oprettelsen af det nye eksperimentelle center, som i de kommende tre år vil anskaffe og udvikle unikke testfaciliteter og udstyr. Centeret drives og vedligeholdes af de tre institutter DTU Mekanik, DTU Byg og DTU Vindenergi, og institutterne bidrager til centrets faciliteter med deres eget udstyr og så afholder de drift og vedligehold af udstyr og faciliteter, mens donationen på de 76 mio. kr. går til nyt udstyr og faciliteter.

Unikke faciliteter til test af materialer og konstruktioner
DTU Structural Lab i bygning 119 er en af de forsøgsfaciliteter som får mange nye muligheder fremover på baggrund af donationen fra fonden. DTU Structural Lab indeholder en lang række testfaciliteter som bruges i forbindelse med grundforskningen hos DTU Mekanik og DTU Byg. Lektor Christian Berggreen fra DTU Mekanik, leder af Let-konstruktions gruppen på ca. 15 mand (Sektionen for Faststofmekanik) og af sub-struktur området i Villumcenteret anslår at testfaciliteterne vil kunne anvendes i de næste 40 til 50 år, og DTU Structural Lab vil være blandt de bedst udstyrede laboratorier af denne type på verdensplan, når alle faciliteter og udstyr er blevet helt etableret og installeret i starten af 2016. Det vil åbne nye muligheder for den klassiske mekaniske forskning, f.eks. indenfor brudmekanik i komposit-materialer og komponenter anvendt i let-konstruktioner. Her undersøger man blandt andet, hvordan brud opstår og udvikler sig i de kompositter, som har en bred anvendelse i skibe, fly og mange andre steder.

Villum Centeret
Christian Berggreen ved en test-opstilling i DTU Structural Lab, hvor billeder fra fire digitale kameraer anvendes med DIC (Digital Image Correlation) til at måle 3D deformations-felter på test-emnet under trykbelastninger – en målemetode, som Christian var en af ankermændene bag ved introduktionen af DIC-systemerne i DTU Structural Lab for snart 8 år siden, i øvrigt også gennem en bevilling fra Villumfonden. Systemerne videreudbygges nu med nyt avanceret udstyr fra den nye bevilling fra Villum Fonden.

Fra grundforskning til bedre flysikkerhed
Let-konstruktions gruppen anvender i udpræget grad faciliteterne i DTU Structural Lab til grundforskning indenfor brudmekanik og let-konstruktioner i komposit-materialer generelt, for eksempel  fly-konstruktioner. Det vil sige at de bl.a.undersøger hvordan forskellige kompositter reagerer, når man udsætter dem for belastninger af forskellig slags. En af de typer af kompositter som man undersøger, er f.eks. den type som anvendes til haleroret på fly.

Her er egenskaber som lav vægt kombineret med stor bæreevne vigtig, og det har især også stor betydning, at man ved mere om, hvordan skader i materialet udvikler sig under varierende belastninger under flyets levetid. Den type af komposit-struktur som bl.a. er udviklet til flyets haleror er bygget op af en bikubelignende struktur lavet af foldet kevlar-papir (også kaldet Honeycomb kerne-materiale), omsluttet af to meget tynde dækkende carbon-fiber lag pålimet Honeycomb kerne-strukturen. Kompositten kaldes også en sandwich struktur og giver lethed og frem for alt høj stivhed og styrke, og på den måde en god bæreevne, som har stor betydning for flyets sikkerhed og manøvredygtighed i luften og endelig et lavere brændstofforbrug over en given flyvestrækning. En typisk skade opstår når haleroret får et mindre slag og det dækkende lag så løsner sig i det pågældende område.

Når dæklaget løsner sig, så mister sandwich-strukturen nemlig sin bæreevne. Skadens udstrækning i haleroret udvikler sig alt efter den cykliske variation i lufttrykket, når flyet letter og lander og derimellem befinder sig i op til 10 km højde, og sådan at en mindre skade kan udbrede sig når lufttrykket varierer cyklisk på denne måde. I Let-konstruktions gruppen er man i gang med at udvikle nye testmetoder med det nye udstyr, sådan at det fremover kan lade sig gøre at udarbejde modeller, der kan sige noget langt mere præcist om, hvordan skaderne udvikler sig i f.eks. haleroret i et fly, men det kunne også have været i et skib, et køretøj eller en vindmøllevinge. Arbejdet med test-metoderne indgår i et internationalt luftfartssamarbejde om flykonstruktion og sikkerhed, under ledelse af NASA og hvor DTU Mekanik er kerne-partner. Både Airbus, Boeing, Dupont, Frauenhofer, FAA (Federal Aviation Administration) og EASA (European Aviation Safety Agency), er partnere i samarbejdet. 

Villum Centeret
Vishnu Saseendran ved en special-designet brudmekanisk testrig (DCB-UBM – Double Cantilever Beam with Un-even Bending Moments), hvor et sandwich prøveemne fra haleroret er monteret. Test-riggen, som er udviklet af Let-konstruktions gruppen, har to torsions-arme, som belaster sandwich prøveemnet med to bøjnings-moment i et givent forhold, og på den måde kan man måle hvor meget energi, der skal tilføres prøveemnet for at revnen udvikler sig eller man kan måle hvor hurtigt revnen vokser, når man belaster den med en cyklisk belastning. Når revnen vokser, så svækkes sandwich strukturens bæreevne nemlig markant, fordi sandwich komposittens skind ikke længere hænger sammen med Honeycomb kernematerialet. At kunne måle brudenergier på denne måde er vigtigt, for at kunne forudsige og beregne denne type skaders udbredelse i flykonstruktionen, fordi skaderne har store konsekvenser for flysikkerheden. Vishnu Saseendran er ph.d. studerende med Christian Berggreen som hovedvejleder, projektet hedder “Fracture Characterization and Analysis in Curved Sandwich Structures”.

Villum Centeret
Ph.d. studerende Marcello Manca ved en  3 kN MTS Acumen elektro-dynamisk udmattelsesprøvemaskine, som lige er anskaffet via Villum Centeret. Marcello laver avancerede brudmekaniske test af sandwich-kompositter med et andet special-udviklet brudmekanisk test-fikstur kaldet sandwich MMB (Mixed Mode Bending) fiksturet. I forsøgene anvender Marcello en særligt udviklet energi-styret test-procedure (G-control).

Villum Centeret
Ph.d. studerende Marcello Manca, leder af Let-konstruktions gruppen og sub-struktur området i Villum Centeret lektor Christian Berggreen og ph.d. studerende Vishnu Saseendran med en del af et haleror til et Airbus A330 fly. Billedet er taget i DTU Structural Lab, som er en væsentlig del af det nye Villum Center for Advanced Structural and Material Testing.

Kontakt

Christian Berggreen
Lektor
DTU Mekanik
45 25 13 73