Өндірушілер көміртекті талшықтар туралы мақтанғанды ұнатады, сондықтан велосипедші мұның нені білдіретінін және оның өнімділікке қалай әсер ететінін зерттеуді шешті
Велосипед, әрине, ең жақсы Рождестволық сыйлық, бірақ күшікті қоспағанда, оны орау ең қиын. Күрделі қисықтардың айналасына көміртекті орап, жағуға тура келетін бейшара жақтау дизайнеріне өкініңіз, осылайша пісіріп, дайындаған кезде жақтау қажетті жүру сезімін береді. Көміртекті талшықты жақтаудың құрылысы - бұл Рубик текшесін басып өтетін күрделі 3D басқатырғыш.
Көміртектің сұлулығы мынада: металдан айырмашылығы, велосипед жақтауының кез келген нүктесінде талап етілетін өнімділік атрибуттары мен күшін өте қатаң бақылау үшін бірнеше бөліктерді қиылысу және қабаттасудың әртүрлі дәрежелерінде қабаттастыруға болады. Кемшілігі көміртегі анизотропты болып табылады - ол ағашқа ұқсас бір бағытта екіншісіне қарағанда күштірек, яғни беріктік талшықтардың бағытына байланысты. Көміртегінің айтарлықтай жүктерді көтеруі үшін күштер оның талшықтары бойымен бағытталуы керек, бұл талшықтың бағытын өте маңызды етеді. Велосипед жақтауының құрамдас бөліктері бірнеше бағытта күштерді сезінеді, яғни көміртекті талшықтар да бірнеше бағытта жүруі керек. Сондықтан әртүрлі қабаттардың талшықтары әртүрлі бұрыштарда болады, әдетте 0° (сызық бойынша), +45°, -45°, +90° және -90° және шын мәнінде дизайнерлер қалаған атрибуттарды жасайтын кез келген бұрыш таңдайды..
Тұңғиықта
Бұл барлық көміртекті жақтауларға арналған. Жылтыр сыртқы бөліктерінің астында қаттылықтары, күшті жақтары, пішіндері, өлшемдері, орындары мен бағдарлары әдетте компьютерлік бағдарламалық пакеттер мен инженерлердің тәжірибесінің үйлесімі арқылы мұқият жоспарланған көміртекті талшық бөліктерінің көптеген қабаттары бар. Бұл төсеу кестесі немесе жай ғана төсеу деп аталады. Көміртекті джигса біткен кезде, велосипед жеңіл, жауап беретін, үнемді және велосипедтің ең төтенше күштеріне төзе алатын болуы керек.
Профессор Дэн Адамс, Солт-Лейк-Ситидегі Юта университетінің композиттік механика зертханасының директоры, өзі де ынталы велошабандоз және Тректің алғашқы көміртекті жақтауларын жасауға атсалысқан, көміртектен кез келген затты жасаудың бәрі екенін айтады. дұрыс төсеу кестесі туралы. «Ол соңғы бөліктің қалыңдығын жасау үшін жинақталған көміртекті/эпоксидті препрегтің жеке қабаттарының немесе қабаттарының бағытын көрсетеді», - дейді ол. «Кейбір жақтау бөліктерін басқаларға қарағанда төсеу оңайырақ. Түтіктер салыстырмалы түрде қарапайым, бірақ олардың арасындағы түйіспелер көміртекті құрылымдық түрде пайдаланатын кез келген саладағы, соның ішінде аэроғарыштық және автомобильдік өндірістегі өндіріс бөліктерінде көретін ең күрделі қабаттардың кейбірі.’
Көміртектің анизотропты табиғаты да дұрыс көміртекті таңдауды маңызды етеді. Ең қарапайым түрде көміртекті жеткізудің екі жолы бар. Бір бағытты (UD) барлық көміртекті талшықтар бір бағытта, бір-біріне параллель жүреді. UD-ге балама - тоқылған мата немесе «мата». Онда көміртекті талшықтың классикалық көрінісін беру үшін бір-бірінің астынан және үстінен тік бұрышта өтетін екі бағытта өтетін талшықтар бар. Қарапайым тоқыма деп аталатын қарапайым матада талшықтар тор тәрізді үлгіні жасау үшін әрбір қиылысуда («1/1» деп аталады) астынан және үстінен шілтер болады. Көптеген басқа тоқу үлгілері бар. Твиль (2/2) сәл кеңірек, сондықтан төсеу оңай және шевронға ұқсайтын диагональды өрнегі арқылы оңай танылады.
Талшықтың модулі (икемділік өлшемі) де берілген төсеу үшін негізгі болып табылады. Модуль талшықтың қаншалықты қатты екенін анықтайды. 265 гигапаскаль (GPa) деп бағаланған стандартты модульдік талшық 320 ГПа бағаланған аралық модульдік талшыққа қарағанда қаттырақ. Бірдей қаттылықтағы құрамдастарды жасау үшін жоғары модульді көміртегі азырақ қажет, бұл жеңілірек өнімге әкеледі. Жоғары модульді талшықтар қолайлы таңдау болып көрінуі мүмкін, бірақ бұл жерде ұстану бар. Аналогияны спагетти бөлігіне қарсы резеңке жолақпен жасауға болады. Резеңке таспа өте серпімді (модульі төмен) және оны өте аз күшпен бүгуге болады, бірақ сынбайды, сонымен қатар иілуден кейін ол бастапқы пішініне оралады. Спагетти, керісінше, өте қатты (жоғары модуль), сондықтан деформацияға белгілі бір нүктеге дейін төтеп береді, содан кейін жай ғана бұзылады. Маркетинг бөлімдері көбінесе соңғы рамалық дизайнға белгілі бір талшықты модульді қосу туралы мақтанады, бірақ көп жағдайда велосипед қаңқасы қаттылық, беріктік және икемділіктің қалаған комбинациясын қамтамасыз ету үшін төсеу кезінде модульдің бірнеше түрлерінің мұқият балансы болып табылады..
Тағы бір айнымалыны қарастыру керек. Көміртекті талшықтың бір тізбегі өте жұқа - адам шашынан әлдеқайда жұқа, сондықтан олар біріктіріліп, «түйме» деп аталады. Велосипедтер үшін сүйреткіште 1 000 және 12 000 жіптер болуы мүмкін, дегенмен 3 000 (3K түрінде жазылған) жиі кездеседі.
Талшық мынау, талшық бұл
Бұл - негізгі мәліметтер, бірақ кестені жасау қиынға соғады. «Таза беріктік пен қаттылық тұрғысынан идеалды композицияда талшықтың шайырға ең жоғары үлесі және талшықтағы ең аз иілу болады», - дейді Бристольдегі Ұлттық композиттер орталығының зерттеуші инженері доктор Питер Гиддинг. көптеген жылдар бойы велосипедпен жұмыс істеді және олармен жарысты. «Бір бағытты талшықтар, кем дегенде, теориялық тұрғыдан бұл үшін ең жақсы таңдау болып табылады. UD материалдары талшықты бағытта жоғары қаттылық пен салмақ қатынасына ие. Өкінішке орай, UD композиттері тоқылған маталарға қарағанда зақымдануға бейім және бір рет зақымдалғанда істен шығу ықтималдығы жоғары.’
Тек UD көміртекті қабаттарынан жақтауды салу материал мен адам-сағат шығындарына байланысты өте қымбатты айтпағанда, қауіпті сынғыш велосипед жасайды. Сондықтан тоқылған көміртек басым болады және тығыз қисық және күрделі түйіспелі пішіндер бар кез келген аймақтар үшін айқын таңдау болып табылады. Оның үстіне, адамдарға оның сыртқы түрі ұнайды. «Эстетикалық тұрғыдан алғанда, тоқылған материалдар бір бағытты материалдардан жақсы көрінеді және композит туралы қоғамның қабылдауы тоқылған мата», - дейді Гиддинг. 'Шын мәнінде, көптеген өндірушілер жақтау құрылымы тегіс, тоқылған көрініске жол бермейтін жерлерді бояйды [сондықтан жасырады].'
Өндірістің қарапайымдылығы да еңбек шығындарын есепке алу үшін төсеу кестесінде ескерілуі керек. Күрделі буындар мен пішіндер үшін UD талшықтарымен тамаша төсем жасау үшін әлдеқайда көп уақыт қажет. Бұл тоқылған маталар көміртекті велосипед өндірушілерінің көпшілігінің таңдаулы таңдауының тағы бір себебі. «Өкілген матаны UD-ге қарағанда жұмыс істеу оңай және оны қажетті пішінге келтіру үшін аз дағдылар қажет», - дейді Гиддинг. ‘UD күрделі фигуралар айналасында бөліну немесе бүгу үрдісіне ие. Бос тоқылған маталар оңайырақ үйлеседі және құрылымның жалпы беріктігіне кішігірім өндірістік ақаулар аз әсер етеді.'
Өндірушілер астыңғы кронштейн мен бас түтіктің түйіспелері сияқты ең күрделі жерлерде тоқылған көміртекті төсеуді таңдауы мүмкін, бірақ бұл бәрібір көрінетіндей қарапайым емес, өйткені ескеру қажет тағы бір фактор бар. «Сіз талшық бағдарының үздіксіздігін тек түйіспелердің айналасында ғана емес, сонымен қатар олар арқылы және одан тыс жерлерде де сақтағыңыз келеді», - дейді Скотт Спорттың велосипед инженері Пол Реми. 'Төменгі жақша сияқты түйіспелерде күрделі қисықтықтар болуы мүмкін, сондықтан талшықтардың бағытын жалғастыру, олардың бойына жүктемені тасымалдау жолын ойластыру керек.'
Дәл осы жерде Реми сияқты кадр инженерлері информатиканың көмегі үшін алғыс білдіреді. Бұрын әр түрлі төсеу кестесінің өзгерістерінің түпкілікті нәтижеге қалай әсер ететінін білудің жалғыз жолы бірнеше прототиптерді құрастыру және сынау болды, бірақ қазір төсеу кестесін компьютерлер алдында өте жоғары дәлдікпен сынауға болады. талшықтың бір тізбегі рамалық қалыпқа тиіп кетті.
«Бұған дейін төсеудің бір бөлігін ғана өзгерту кадрдың өнімділігіне қандай әсер ететінін білу қиын еді, - дейді Реми.
Боб Парли, Массачусетс штатындағы Parlee Cycles компаниясының негізін қалаушы, компьютерлер барлық сандарды қытырлақ еткенге дейінгі ескі күндерді есіне алады: «Егер сіз жақтау сияқты ферма құрылымына түсетін жүктемені түсінсеңіз, төсеу оңай., сондықтан бастапқыда мен оларды өз басымда өңдей алатынмын.' Парли содан бері компьютерлік соңғы элементтерді талдаудың (FEA) өз орны бар екенін мойындады. "Бастапқыда мен рамалық түтіктерге [кабель кіру нүктелері немесе бөтелке торлары үшін] тесіктер салмас едім, себебі олар ықтимал әлсіз жерлер еді, бірақ қазір FEA бұл тесікті нығайту үшін не істеу керектігін айтады" дейді ол.
Есептеу қуатын барған сайын жетілдірілген бағдарламалық жасақтамамен бірге арттыру инженерлерге қысқа уақыт ішінде көптеген виртуалды модельдерді талдауға және дизайн мен материалдардың шекарасын көтеруге мүмкіндік береді. Мамандандырылған дизайнер Крис Мертенстің айтуынша, «Итерация - бұл ойынның атауы. FEA құралдары кадрдың өкілдік үлгісін жасайды және мақсат - әрбір талшықты есепке алу. Бағдарламалық қамтамасыз ету маған үлгі жақтауында бар 17 жүктеме жағдайына арналған оңтайландыру үлгісіне негізделген әрбір қабатты жобалауға мүмкіндік береді.’
Бұл дегеніміз бағдарламалық құрал Meertens-ке жақтаудың әр аймағында қанша көміртек болуы керектігін және талшықтар үшін оңтайлы бағытты көрсетеді. Дегенмен, бұл дағды көміртекті төсеу кезінде ненің мүмкін емес екенін білуде. Кейде компьютер идеалдан алыс идеалдарды шығарады. «Көбінесе мен оған қарап: «Бізде мұны істеу мүмкін емес» деп айтамын», - дейді Миртенс. ‘Содан кейін мен виртуалды қабаттарды кесу және оларды виртуалды оқпанға түсіру үшін ламинат төсеу бағдарламалық жасақтамасымен айналысамын, мұны өндірістің техникалық мүмкіндігіне және ламинатты оңтайландыруға негіздеймін.'
Тіпті компьютерлік бағдарламалық құралды пайдаланғанның өзінде мұны шешуге бірнеше күн қажет болуы мүмкін және төсеу түпкілікті анықталғанға дейін әлі көп жол бар. Адам элементінің маңызды аспектінің бірі дұрыс талшықтың дұрыс жерде пайдаланылғанына көз жеткізу болып табылады. Meertens былай дейді: «0° талшық өте қатты, бірақ жақсы соққыға төзімді емес, сондықтан композиттік зақымға төзімді болу үшін біз түтіктің түбі сияқты жерлерге тым көп қоймауымыз керек. Мен осы кезеңде маған қандай қабат пішіндері қажет екенін білемін, бірақ енді мен әр қабаттың қанша екенін білгім келеді. Сондықтан мен оларды қаншалықты қалың етіп жасау керектігін айтатын басқа оңтайландыру бағдарламасын іске қосамын - негізінен қабаттар саны. Ол 30-дан 50-ге дейінгі қабаттардың комбинациясын талдайды. Біз виртуалды драпинг және оңтайландыру циклін төрт немесе бес рет өткіземіз, әр жолы қабаттарды біршама дәл баптаймыз. Бірақ бір сәтте "Өту" түймесін басып, оны жіберуіміз керек.'
Нақты нұсқаулық
Жайлау кестесі әр қабаттағы пішінді көміртегінің әрбір бөлігін егжей-тегжейлі көрсететін 3D картасы сияқты. «Жақтау тоғыз аймаққа бөлінген: екі орындық, екі шынжыр, астыңғы кронштейн, орындық, үстіңгі, бас және төменгі түтіктер», - дейді Меертенс.«Біз әрбір аймақ үшін ось болып табылатын мәліметтерді анықтаймыз. Аймақтағы көміртегінің әрбір бөлігінің бағыты сол деректермен байланысты. Төменгі түтікте жергілікті деректерге қатысты 45°, 30° және 0° қабаттары болуы мүмкін. Жалпы алғанда, беріктігі жоғары материал осьтен тыс, бұрышта қолданылады. Модульді жоғары материалды біз ось бойынша 0°-та қолданамыз.’
Нәтижедегі файл өлшемі 100 Мб-қа дейін болуы мүмкін және соңында зауыт қабатына жіберіледі. Зауыттағы әрбір жұмысшы раманың өздері жасауға жауапты бөлігіне қатысты бөлігін ғана алады. Бұл әлі де соңғы өндіріс емес. Салынған жақтау осы кезеңдегі прототип болып табылады және оны тәжірибеде орындайтын кадрда цифрлық жобаланған орналастыру нәтижелерін қамтамасыз ету үшін сынау қажет. Ультрадыбыстық, рентгендік тексеру және физикалық диссекция ламинаттың қалыңдығын анықтайды. Басқа жерлерде шайыр матрицасы ламинацияның сапасын және материалдың немесе талшықтардың көшіп кеткенін көрсету үшін күйіп кетеді. Иілу сынақтары FEA талдауымен бірдей нәтижелерді көрсетуі керек. Ақырында, оны жолда алып кететін адам.
«Велосипедпен жүру - оның нақты санын анықтаудың жалғыз жолы», - дейді Боб Парли. "Біз иілу және жүк тиеу сынақтарын орындай аламыз, бірақ оның біз қалағандай орындайтынын көру үшін шығып, оны мінуіміз керек." Модель жиналған кезде, өндіріске жасыл шам қосылады.
Велосипед өндірісінің көпшілігі Қиыр Шығыста орын алады және бұл төсеу кестесіне одан да көп мән береді. Нақты егжей-тегжейлі жоспар, егер хатпен орындалса, сол ірі зауыттардан шығатын өнімдер сынақтан өткен және соңғы прототип сатысында өткен өнімдердің бірдей егіздері болуын қамтамасыз етуі керек. Әрине, көптеген брендтер дәйектілікті қамтамасыз ету үшін өндіріс жақтауларын үнемі сынап, қайта сынап отырады, осылайша дүкендерге жететін велосипедтер тұтынушылардың күтулеріне сай келеді. Көптеген жағдайларда өндірушілер раманың бүкіл жолын, ең алғашқы талшық жіптерінің шығу тегіне дейін бақылай алады. Бұл туралы келесі жолы тұрып, мақтаныш пен қуанышқа таңданған кезде ойлану керек.
