Rakenteen toimivuus ja kestävyys on aina toteennäytettävä. Näyttötapa vaihtelee rakenteesta ja sen käyttötarkoituksesta riippuen. Koeohjelman laajuus ja menetelmät ovat usein periaatteiltaan rakenteita valvovien viranomaisten määrittelemiä.

Toteennäyttöön kuuluu olennaisena osana mitoituksessa käytettyjen materiaalien jäykkyys- ja lujuusarvojen varmistaminen. Lujuuskokeita voidaan edellyttää tehtävän erikseen kerroksille sekä ehjille ja vaurioitetuille laminaateille normaalioloissa ja ominaisuuksien kannalta äärimmäisissä käyttöolosuhteissa.

Materiaaliarvojen ja kuormitusten tunteminen ei aina riitä monimutkaisten rakenneyksityiskohtien luotettavaan mitoitukseen. Tästä syystä erilaisten liitosten, vahvistettujen aukkojen ja vastaavien rakenne-elementtien kestävyys voidaan joutua todentamaan staattisilla ja dynaamisilla kuormituskokeilla.

Rakenneosista valmistetaan omat koekappaleet, joille tehdään staattiset ja tarvittaessa myös dynaamiset kuormituskokeet. Usein staattisissa kokeissa mitataan venymäliuskoilla venymiä rakenteen eri kohdista. Vertaamalla mitattuja venymiä laskettuihin arvoihin, voidaan osoittaa käytetyn laskentamallin luotettavuus. Mallin luotettavuuden selvittäminen on usein ensiarvoisen tärkeää, sillä suuria rakenteita ei yleensä pystytä koekuormittamaan materiaalien kannalta pahimmissa käyttöolosuhteissa. Toimivuus ja kestävyys varmistetaan tällöin luotettavaksi osoitetulla laskentamallilla käyttäen suunnitteluarvoina ääriolosuhteissa mitattuja materiaaliarvoja.

Rakennekokonaisuuden staattiset tai dynaamiset pitkäaikaiskokeet täydentävät tarvittaessa koeohjelman. Kokeet ovat tyypillisesti kalliita ja aikaa vieviä ja jatkuvat usein pitkään senkin jälkeen kun rakenteita on jo otettu käyttöön.

Edellä kuvattua prosessia havainnollistaa kuvassa 9.25 esitetty lentokonerakenteiden testausfilosofia. Se voidaan kuvata pyramidina, jonka perustan muodostavat materiaalitason kokeet eli lujitteiden, matriisimuovien ja muiden raaka-aineiden kokeet. Toisella tasolla ovat kerroskokeet, joita joudutaan tekemään runsaasti, koska materiaaliominaisuuksista ei pystytä luotettavasti johtamaan kerrosominaisuuksia. Kolmannen tason muodostavat laminaattikokeet, joilla varmistetaan käytettävien laminaattien ominaisuudet. Neljännellä tasolla ovat elementtikokeet. Pyramidin huipulla ovat rakenneosien ja koko rakenteet kokeet, joiden määrä on minimoitu todentamalla alemman tason kokeilla kaikki, mikä näillä kokeilla on todennettavissa.

Kuva 9.25 Lentokoneenrakennuksen testausfilosofia komposiittirakenteille.

Kirjallisuutta

1. Mai, H.U., Kevytrakennetekniikka. Otakustantamo 1987.
2. Engineered Materials Handbook, Volume 1, Composites. ASM International, USA 1987.
3. Adams R.D., Wake W.C., Structural Adhesive Joints in Engineering. Applied Science Publishers, London 1984.
4. Hart-Smith L.J., Advances in the analysis and design of adhesively-bonded joints in composite aerospace structures. In SAMPE Process Engineering Series 19, SAMPE 1974.
5. Thrall E.W., Shannon R.W. (ed.), Adhesive Bonding of Aluminum Alloys. Marcel Dekker Inc, USA 1985.
6. Huhtamo O.E., Liimausopas. Suomen metalliteollisuuden keskusliiton julkaisu 11/80, Metalliteollisuuden kustannus Oy 1980.
7. MIL-HDBK-17B: Volume I Polymer Matrix Composites, 29 February 1988.
8. ESAComp User’s Manual (julkaisematon)
9. Peters S.T. (Ed.), Handbook of Composites, Second Edition. Chapman & Hall, London 1998
10. Matthews F.L., Joining Fibre-Reinforced Plastics. Elsevier Applied Science Publishers Ltd, England 1987.
11. Zenkert D. (Ed.), The Handbook of Sandwich Construction. Engineering Materials Advisory Services Ltd, London 1997.       

Suunnitelman dokumentointitapa riippuu työn valmiusasteesta. Esisuunnittelussa dokumentointi on suhteellisen yksinkertaista. Lopputulos dokumentoidaan niin, että asiakirjat määrittelevät yksikäsitteisesti rakenteen ja sen valmistuksen. 

9.7.1   Esisuunnittelu

Rakenteiden luonnosteluvaiheessa laminaatit on pystyttävä kuvaamaan niin yksityiskohtaisesti, ettei väärinymmärryksiä pääse tapahtumaan. Toisaalta liian kankea määrittelytapa hankaloittaa suunnittelua. Yksityiskohdiltaan työpiirustuksia vastaava laminaattimäärittely ei olekaan perusteltua esisuunnitteluvaiheessa. Käytännössä laminaatit määritellään usein luvussa 2 esitetyllä laminaattikoodilla, jota täydentävät materiaalimäärittelyt. Geometria määritellään tavallisesti käytössä olevalla CAD-ohjelmistolla. Rakennemäärittelyssä on erityisesti huomattava, että laminaattikoordinaatiston asema rakennekoordinaatistoon nähden on kaikkialla määritelty.

9.7.2   Valmistusasiakirjat

Rakenteen valmistusasiakirjoja ovat (1) työpiirustukset tai niiden sähköiset vastineet, (2) materiaali- ja (3) prosessispesifikaatiot, (4) rakenteen tarkastusmäärittelyt ja (5) työohjeet.

Työpiirustus tai sen sähköinen vastine on dokumentti, jonka perusteella kappale valmistetaan. Työpiirustuksessa onkin määriteltävä kaikki rakenteeseen ja sen valmistukseen liittyvät, lopullisiin ominaisuuksiin vaikuttavat tekijät. Laminaattirakenteen osalta tämä tarkoittaa mm. sitä, että työpiirustukseen täytyy sisällyttää yksikäsitteinen kuvaus laminaatin materiaaleista ja kerroksellisesta rakenteesta.

Normaali koneenpiirustus soveltuu hyvin lujitemuoviosan muodon määritykseen, mutta ei anna ohjeita laminaattirakenteiden ja niiden valmistukseen liittyvien yksityiskohtien määrittelyyn. Erityispiirteiden osalta piirustuskäytäntöä on pyritty yhtenäistämään laatimalla suosituksia yleisesti hyväksyttyjen periaatteiden pohjalta. Seuraavassa suosituksia tarkastellaan manuaalisen määrittelyn pohjalta ottamatta kantaa CAD-ohjelmistojen tarjoamiin mahdollisuuksiin.

Piirustussuositusten mukaisesti laminaatit kuvataan joko yhtenä seinämänä tai kerroksina. Jälkimmäisessä tapauksessa kerros kuvataan leveällä, ehyellä viivalla. Jokainen erillinen lujitepala numeroidaan laminointijärjestyksen mukaan. Kerroksen merkkinä on P (Ply), jota seuraa kerroksen numero. Pinta, josta numerointi alkaa, osoitetaan nuolella. Jos sekaantumisvaaraa ei ole, voidaan viitekirjaimen P perään koota usean kerroksen numerot. Käytäntöä havainnollistaa kuvassa 9.22 esitetty yksinkertaisen laminaattirakenteen määrittely.

Kuva 9.22 Esimerkki yksinkertaisen laminaattirakenteen määrittelystä työpiirustuksessa.

Kuitusuuntien määrittelemiseksi jokaisessa työpiirustuksessa on oltava referenssikoordinaatisto, jonka suhteen kuitusuunnat ilmoitetaan (kuva 9.23). Koordinaatisto merkitään johonkin pääkuvantoon ja tarvittaessa myös muihin kuvantoihin. Kerrossuunnille on määriteltävä realistinen toleranssi, joka on otettava huomioon kappaletta mitoitettaessa.

Kuva 9.23 Referenssikoordinaatiston määrittely työpiirustuksessa.

Tarvittaessa käytetään leikkauksia selventämään kerrosten järjestystä ja mitoitusta. Useimmiten ei ole tarkoituksenmukaista piirtää leikkausta oikeaan mittakaavaan, vaan erottaa kerrokset selvästi toisistaan (kuva 9.24). Muottipinta merkitään tarvittaessa viitenuolella ja kirjaimella T (Tool). Mitat, joille asetetaan erityisiä tarkkuusvaatimuksia, on syytä määritellä muottipinnasta, sillä avomuottilaminoinnissa kerrospaksuudet voivat vaihdella merkittävästi.

Kuva 9.24 Laminaattirakennetta selventävä leikkauskuvanto.

Materiaalit ja tarvittavat materiaalimäärät määritellään normaalisti materiaaliluettelossa. Lujitemattojen, -kudosten ym. määrät on yleensä selvintä määritellä pinta-aloina. Kerrossuunnat voidaan määritellä erillisessä kerrosluettelossa, joka sijoitetaan työpiirustukseen mieluiten lähelle materiaaliluetteloa. Mikäli kerros on tasavaltainen kudoskerros, voidaan useimmiten sallia kaksi toisistaan 90° poikkeavaa suuntaa.

Valmistus määritellään piirustukseen liitetyillä työohjeilla tai erillisillä ohjeilla, joihin piirustuksessa viitataan. Jos erillisen ohjeen määrittelyistä on syystä tai toisesta poikettava, poikkeamat määritellään normaaliin tapaan työpiirustukseen kirjoitettuina huomautuksina. Työpiirustuksen on myös määriteltävä työkalut eli muotit, joilla kappale valmistetaan. Omaksutusta käytännöstä riippuen työkalut määritellään niiden yksilönumeroilla, työkalut määrittelevien työpiirustusten numeroilla tai molemmilla.

Materiaali- ja prosessispesifikaatiot määrittelevät yksityiskohtaisesti rakennemateriaaleille ja valmistusprosessille asetetut vaatimukset mukaan lukien materiaalien ja valmistusprosessin valvontamenetelmät sekä hyväksyttävät materiaali- ja parametriarvot. Spesifikaatiota täydentävät materiaalien ja prosessin valvontaa koskevat työohjeet. Tarkastusasiakirjalla määritellään tuotteesta tarkastettavat suureet hyväksymis-/hylkäämisrajoineen. Tarkastuksen toteutus täsmennetään työohjeilla.

Rakenteen mitoituksessa lähtökohtana ovat tuotteen käyttöympäristö ja tuotteelle asetetut rakenteelliset vaatimukset. Mitoituksen pohjaksi on lisäksi määritettävä mitoituskriteerit, suunnittelussa käytettävät materiaaliarvot, varmuuskertoimet ja mitoitusmenetelmät. Näitä ja itse mitoitusta tarkastellaan seuraavissa kappaleissa.

9.6.1   Mitoituskriteerit

Tuotteen määrittelyssä rakenteelliset vaatimukset esitetään usein käyttötilanteina, jotka rakenteen tulee kestää ja joissa sen tulee toimia. Mitoitusta varten vaatimukset pelkistetään jäykkyyttä ja lujuutta koskeviksi mitoituskriteereiksi. Tyypillisiä kriteerejä ovat mm. seuraavat:

1.   Rakenteella on oltava määritelty minimivarmuus murtoon nähden staattisessa lyhytaikaiskuormituksessa kaikissa käyttöolosuhteissa. Vaadittu varmuus riippuu rakenteen käyttökohteesta sekä käytettävien suunnitteluarvojen luotettavuudesta.

2.   Rakenteen muodonmuutokset eivät saa missään tilanteessa ylittää määriteltyjä arvoja.

3.   Rakenteen on oltava niin jäykkä, ettei yleistä tai paikallista epästabiliteettia esiinny.

4.   Rakenteen ominaisvärähtelytaajuudet eivät saa osua määritellyille taajuusalueille.

5.   Rakenteen on kestettävä väsyttävät kuormat ja staattiset pitkäaikaiskuormat.

6.   Rakenteen on kyettävä kantamaan käyttökuormat siinä määrin vaurioituneena kuin se normaalikäytössä on mahdollista. Suurin mahdollinen vaurioitumisaste määritellään ottaen huomioon rakenteen tarkastusjaksot ja tarkastusmenetelmät.

7.   Rakenteeseen ei saa syntyä säröjä missään käyttötilanteessa.

Osa kriteereistä koskee käytännössä kaikkia kuormitettuja rakenteita, osa vain joitakin tuotteita. Esimerkiksi koneen osille asetetaan usein ominaisvärähtelytaajuutta koskevia rajoituksia. Säröttömyysvaatimus on tyypillinen esimerkiksi prosessiteollisuuden säiliöille ja putkistoille. Vaurionkestoa koskeva vaatimus voidaan käytännössä asettaa hyvinkin erilaisille tuotteille.

9.6.2   Materiaalien suunnitteluarvot

Suunnitteluarvoilla tarkoitetaan rakennemitoituksessa käytettäviä materiaalin tai materiaaliyhdistelmän ominaisuuksien lukuarvoja, esimerkiksi kimmo- ja lujuusarvoja. Koska muovikomposiittien ominaisuudet riippuvat voimakkaasti tuotteen valmistustekniikasta ja käyttöympäristöstä, suunnitteluarvot ovat aina tuotekohtaiset.

Mekaaniset suunnitteluarvot määritetään kokeellisesti luvussa 7 esitellyillä aineenkoestusmenetelmillä. Suunnitteluarvot haetaan mittaustuloksista tilastomatemaattisin menetelmin siten, että arvot täyttävät asetetut luotettavuusvaatimukset. Esimerkiksi lentokonerakenteiden mitoituksessa suunnittelun lujuusarvoina käytetään viranomaisten vaatimusten mukaisesti ns. A-arvoja tai B-arvoja. Näillä tarkoitetaan lujuuksia, joihin 99 % (A-arvot) tai 90 % (B-arvot) materiaalista (eli koekappaleista) yltää 95 % todennäköisyydellä (kuva 9.20). Muovikomposiiteille soveltuva B-arvojen määritysproseduuri on esitetty mm. lähteessä [7].

Kuva 9.20 Koesarjassa mitattujen lujuusarvojen jakautuma ja jakautumasta määritetty A-arvo, B-arvo ja keskiarvo.

Luvun 8 mukaisesti laminaatin käyttäytymistä ja lujuutta voidaan laskennallisesti arvioida, kun kerrosten käyttäytyminen peruskuormitustapauksissa on selvitetty. Kerrosten jäykkyydet ja lujuudet vedossa, puristuksessa ja leikkauksessa ovatkin tärkeimpiä suunnitteluarvoja. Näiden ohella on usein määritettävä pienimmät matriisisäröjä aiheuttavat kerrosjännitykset. Arvot määritetään sekä normaaliolosuhteissa että materiaaliominaisuuksien kannalta äärimmäisissä käyttöolosuhteissa.

Analyyseissä yleisesti käytettävä klassinen laminaattiteoria pohjautuu moniin oletuksiin, minkä lisäksi murtokriteereihin perustuvat laminaattien lujuudet ovat vain suuntaa-antavia. Suunnitteluarvot onkin tarvittaessa määritettävä kokeellisesti myös rakenteeseen valituille laminaateille. Jäykkyyksien ja lujuuksien ohella oleellinen laminaattitason suunnitteluarvo on kerrostenvälinen leikkauslujuus, mikäli kerrostenväliset leikkausjännitykset ovat sovelluskohteessa merkittäviä.

Suunnitteluarvojen osalta on lisäksi huomattava, että laminaattirakenteiden pitkäaikaiskestävyyden ja vaurioituneiden rakenteiden kestävyyden arviointiin ei ole käytettävissä luotettavia laskentamenetelmiä. Kerros- ja laminaattitason suunnitteluarvoja joudutaankin usein hakemaan kokeellisesti myös pitkäaikaiskuormitusta ja erilaisia vauriotapauksia vastaten. Kuormitukset, vauriot ja koeolosuhteet valitaan sovelluskohteelle asetettuja vaatimuksia vastaaviksi.

9.6.3   Varmuuskertoimet

Minimivarmuus murtoon nähden määritellään tavallisesti varmuuskertoimella (Factor of Safety, FoS), joka ottaa huomioon rakenteen suunnitteluun ja käyttöön liittyvät epävarmuustekijät (mitoituskuormien oikeellisuus, analyysimenetelmien tarkkuus, käytössä mahdollisesti tapahtuvat ylikuormitukset jne.).

Varmuuskerroin voidaan kohdistaa joko kuormiin tai lujuusarvoihin. Yleisempää on kohdistaa varmuuskerroin kuormiin. Tällöin määritellään ensin suurimmat normaalikäyttöä vastaavat kuormat. Näistä kuormista ja varmuuskertoimesta määrittyvät edelleen kuormat, jotka rakenteeseen voi satunnaisesti kohdistua kaikki epävarmuustekijät huomioon ottaen. Suurimpia normaalikäyttöä vastaavia kuormia kutsutaan nimelliskuormiksi (nominal loads), joissakin yhteyksissä myös rajakuormiksi (limit loads). Varmuuskertoimella kerrottuja nimelliskuormia kutsutaan tehollisiksi kuormiksi (effective loads), toisinaan myös murtokuormiksi (ultimate loads). Viimeksi mainittu suomenkielinen nimike on hieman harhaanjohtava, koska suunnittelussa on varmistettava, että rakenne pystyy kantamaan määritellyllä tavalla myös murtokuormat.

Määrittelyn mukaan tehollinen kuorma saadaan kertomalla nimelliskuorma {F} varmuuskertoimella:

                                                                                                (9.1)

Näin meneteltäessä varmuusmarginaali murtoon nähden (Margin of Safety, MoS) määrittyy rakenteen pettämiskuorman ja tehollisen kuorman suhteesta. Toisin sanoen varmuusmarginaalin määrittelee lauseke

                                                                                (9.2)

Määrittelyn mukaan varmuusmarginaali on nolla, kun tehollinen kuorma on yhtä suuri kuin rakenteen pettämisen aiheuttava kuorma.

9.6.4   Mitoitusprosessi

Laminaattirakenteen mitoitusprosessi on pääpiirteissään kolmivaiheinen sisältäen (1) laminaattien alustavan määrittelyn, (2) rakenteen globaalit analyysit ja (3) rakenneyksityiskohtien mitoituksen. Mitoitusprosessi on esitetty kaaviomaisesti kuvassa 9.21.

Rakenteessa käytettävät laminaatit määritellään alustavasti rakenteen eri kohtiin kohdistuvien suurimpien kuormien perusteella. Kuormat arvioidaan tässä vaiheessa yksinkertaisin analyyttisin menetelmin. Yksinkertaisimmillaan laminaattimäärittelyt tehdään luomalla sopivilta tuntuvia laminaatteja sekä tutkimalla näiden kuormankantokykyä klassista laminaattiteoriaa ja murtokriteerejä käyttäen. Laminaattivaihtoehtoja luotaessa sovelletaan kappaleessa 9.5 esitettyjä laminaattien suunnitteluperiaatteita.

Kuva 9.21 Laminaattirakenteen mitoitusprosessi.

Kun sopivat laminaatit on löydetty, tehdään globaalit rakenneanalyysit eli lasketaan analyyttisin tai numeerisin menetelmin rakenteen eri osiin kohdistuvat kuormat ja rakenteen muodonmuutokset. Samalla varmistetaan tarkennetuilla kuormitustiedoilla valittujen laminaattirakenteiden kestävyys. Tarvittaessa lasketaan myös ominaistaajuudet ja varmistetaan rakenteen globaali stabiliteetti. Mikäli rakenteelle asetetut vaatimukset eivät täyty, laminaattirakenteita modifioidaan ja globaalit analyysit uusitaan. Analyysit tehdään eri käyttöympäristöjä vastaten, sillä lämpötilan ja kosteuden muutokset muuttavat laminaattien jäykkyyttä ja voivat myös synnyttää merkittäviä lisäkuormia.

Kun päärakenne on analysoitu, mitoitetaan rakenneyksityiskohdat. Mitoitus tehdään analyyttisin ja/tai numeerisin menetelmin ottaen huomioon ympäristöolosuhteiden vaikutukset materiaaliominaisuuksiin. Analyyseihin sisältyy usein rakenneosille tehtäviä muodonmuutos- stabiliteetti- ja värähtelytarkasteluja sekä kriittisten epäjatkuvuuskohtien kuten aukkojen ympäristöjen ja liitosten analyysejä. Kuormat paikallisiin analyyseihin saadaan globaalien analyysien tuloksista.

Mitoitusprosessin lopuksi arvioidaan, ovatko rakennemuutokset tarpeen. Jos muutoksia joudutaan tekemään, edellä kuvattu mitoitus uusitaan tarpeellisin osin. Mikäli rakenne täyttää vaatimukset, tehdyt analyysit täydennetään tai uusitaan niin, että ne kaikilta osin kuvaavat lopullisen rakenteen käyttäytymistä.

9.6.5   Mitoitustyökalut

Laminaattianalyysit

Luvussa 8 esitetty klassinen laminaattiteoria on periaatteiltaan melko yksinkertainen, mutta työläs käyttää erityisesti kun tarkasteltavien laminaattien kerrosmäärä on suuri. Useimmiten analyysit joudutaan myös suorittamaan täysin teorian mukaisesti, sillä yksinkertaisten nyrkkisääntöjen kehittäminen on vaikeaa laminaattien monimutkaisen käyttäytymisen vuoksi.

Laskelmien työläyden takia laminaattien suunnitteluun ja analyysiin on kehitetty eritasoisia ohjelmistoja. Yksinkertaisimpiin sisältyvät vain laminaattien perusanalyysit, monipuolisemmilla on mahdollista tehdä mm. herkkyysanalyysejä ja analysoida myös laminaateista valmistettuja rakenne-elementtejä. Eräs monipuolisimmista on kotimainen ESAComp-ohjelmisto, jolla on mahdollista analysoida laminaattien ohella mm. reiällisiä laminaatteja, laminaattirakenteisia palkkeja ja laattoja sekä laminaattien liitoksia [8]. Ohjelmistoa on myös mahdollista käyttää yleisimpien elementtimenetelmäohjelmistojen esi- ja jälkikäsittelijänä.

Globaalit analyysit

Rakenteiden globaalit analyysit tehdään pääsääntöisesti numeerisesti elementtimenetelmä- eli FE-ohjelmistoilla. Laminaattirakenteiden analyysejä on mahdollista tehdä käytännössä kaikilla tunnetuilla ohjelmistoilla. Ohjelmistojen tarjoamat laminaattien esi- ja jälkikäsittelymahdollisuudet vaihtelevat ollen puutteelliset lähes kaikissa ohjelmistoissa. Tällä hetkellä paras ratkaisu analyyseihin onkin elementtimenetelmäohjelmiston ja laminaattianalyysiohjelmiston yhteiskäyttö erityisesti kun ohjelmistot on linkitetty eli kun tiedonsiirto ohjelmistojen välillä on mahdollista.

Rakenneyksityiskohtien analyysit

Osa laminaattianalyysiohjelmistoista sisältää työkaluja myös rakenneyksityiskohtien analysointiin. Työkalut perustuvat joko analyyttisiin ratkaisuihin tai ohjelmiston sisäisiin numeerisiin ratkaisijoihin. Mikäli käytössä olevat ohjelmistot eivät tarjoa valmista ratkaisijaa tarkasteltavalle rakenneyksityiskohdalle, se analysoidaan tavallisesti numeerisesti FE-ohjelmistolla.

Rakenteet suunnitellaan mahdollisimman tehokkaiksi ottaen kuitenkin huomioon materiaalien ja valmistustekniikan asettamat rajoitukset. Seuraavassa tarkastellaan lyhyesti suunnittelun tärkeitä osa-alueita: osajaottelua ja osien muotoilua, laminaattirakenteiden valintaa sekä kokoonpanoa eli osien liittämistä toisiinsa.

9.5.1   Osajaottelu ja osien muotoilu

Komposiittirakenteiden suurimpia etuja on mahdollisuus valmistaa suuria kappaleita yhtenä kokonaisuutena. Tämä etu tulisi hyödyntää täysipainoisesti eli rakenteen tulisi pääsääntöisesti sisältää niin vähän osia kuin mahdollista. Liitosten minimoinnilla saadaan kokoonpanokustannusten ohella rakenteen massa alhaiseksi, sillä liitos on aina integraalirakennetta painavampi.

Toisaalta integrointia ei saa viedä liian pitkälle. Osajaottelua suunniteltaessa on erityisesti arvioitava, miten rakenne voi käytössä vaurioitua ja miten vauriot on korjattavissa. Jos joku rakenteen kohta todetaan helposti vaurioituvaksi ja integroituna vaikeasti korjattavaksi, on syytä harkita sen valmistamista erillisosana niin, että rakenne on tarvittaessa korjattavissa osa vaihtamalla.

Muita tavoitteita osajaottelun suunnittelussa ovat liitosten tehokkuus ja mahdollisimman helppo kokoonpano. Liitossuunnittelua tarkastellaan lähemmin kappaleessa 9.5.3.

Toinen komposiittien oleellinen etu on mahdollisuus valmistaa hyvinkin vaikeamuotoisia osia. Suunnittelijan tulisi hyödyntää myös tämä etu täysipainoisesti muotoilemalla osat käytön kannalta mahdollisimman tarkoituksenmukaisesti.

Osat ja kokoonpano on toisaalta aina suunniteltava valittujen valmistusmenetelmien asettamien rajoitusten puitteissa. Valmistuksen kannalta perusedellytys on, että osiin suunnitellaan riittävät päästöt, jotta niiden irrottaminen muotista olisi helppoa. Nurkka-alueiden valmistus on käytännössä sitä helpompaa mitä suurempia ovat pyöristyssäteet. Metallirakenteissa yleisiä teräviä nurkkia tulee lujitteiden rajallisen taipuisuuden ja osien irrotettavuuden takia viimeiseen asti välttää. Toleranssit on valittava tarkoituksenmukaisesti raaka-aineet, valmistusmenetelmä ja osan geometria huomioon ottaen. Muita varmistettavia tekijöitä ovat mm. lujitteiden muotoutuvuus ja injektiomenetelmissä hartsin injektoitavuus, joita voidaan arvioida myös kaupallisilla simulointiohjelmistoilla. Eri valmistusmenetelmien tarjoamia mahdollisuuksia ja niiden asettamia rajoituksia on tarkasteltu lähemmin luvussa 5. 

9.5.2   Laminaattirakenteet

Laminaattirakenteiden perusmäärittelyt tehdään ennen rakenteen varsinaista mitoitusta. Määrittelyjä helpottavat yleisluontoiset ohjeet ja suositukset, jotka ovat syntyneet osittain käytännön kokemusten, osittain teoreettisten tarkastelujen tuloksena. Suositukset ja ohjeet, joita seuraavassa tarkastellaan, takaavat yleensä toimivan ja käyttötarkoitukseen sopivan rakenteen.

Kerrossuuntaukset

Luvun 6 mukaisesti 0°/90°/±45°-tyyppiset laminaatit kantavat tehokkaasti sekä normaali- että leikkauskuormia (kuva 9.8). Laminaattien kerrossuunnat rajataankin usein näihin neljään valmistuksen ja laadunvarmistuksen yksinkertaistamiseksi. Rajaus ei aina ole tarpeellinen, kun kappale valmistetaan automatisoidulla valmistusmenetelmällä. Esimerkiksi kuitukelauksessa useamman kuitusuunnan käyttö ei oleellisesti lisää kustannuksia.  

Kuva 9.8 Suositellut kerrossuuntaukset.

Kerrossuuntien suhteet valitaan rakenteeseen kohdistuvien kuormituskomponenttien keskinäisen suuruuden perusteella. Aksiaalisesti kuormitettuun laminaattiin tulisi kuitenkin aina sisällyttää jonkin verran poikittaista lujitetta, sillä vain yhteen suuntaan lujitettu rakenne on erittäin hauras. Poikittaisella lujituksella pystytään myös tehokkaasti alentamaan poikittaissuuntaisia muodonmuutoksia ja poikittaissuuntaista lämpölaajenemiskerrointa (vrt. luku 6).

Ohutta, puristus- tai leikkauskuormitettua laminaattia suunniteltaessa on aina varmistettava, ettei rakenne epästabiloidu eli lommahda käyttökuormilla (kuva 9.9). Lommahdusta ei käytännössä voida sallia missään käyttötilanteessa, sillä lommahduksen aiheuttamat suuret muodonmuutokset aiheuttavat hauraaseen hartsiin mikrohalkeamia. Voimakkaasti suunnattu laminaatti on lommahduksen suhteen arka. Laminaatit, joissa on leikkausjäykkyyttä antavia ±45°-kerroksia, ovat stabiliteetin kannalta selvästi parempia kuin yhdensuuntais- ja ristikkäislaminaatit.

Kuva 9.9 Laminaatin lommahtaminen.

Kerrosjärjestys

Kerrosjärjestyksen osalta tärkein suositus on keskitasonsa suhteen symmetristen laminaattien ja rakenteiden käyttö (kuva 9.10). Epäsymmetristen laminaattien käyttöä vältetään, koska lämpötila- ja kosteusmuutokset pyrkivät aiheuttamaan niihin muodon vääristymiä. Epäsymmetristen laminaattien käyttäytyminen kuormituksessa on usein myös arvaamatonta (vrt. luku 8). Epäsymmetria on toisinaan perusteltua ja edullista mm. paineastioissa, putkissa ja säiliöissä, joiden muoto estää tehokkaasti vääristymät.

Kerrosjärjestyksellä voidaan myös säädellä laminaatin taivutusjäykkyyttä. Taivutusjäykkyys tietyssä suunnassa voidaan maksimoida sijoittamalla tämän suuntaiset kerrokset laminaatin pintoihin. Monien samansuuntaisten kerrosten pinoamista päällekkäin tulee kuitenkin välttää, sillä tällaiset laminaatit on todettu hauraiksi ja helposti delaminoituviksi (kuva 9.10).

Kuva 9.10   Kerrosjärjestystä koskevia suosituksia.

Paikalliset vahvistukset

Pistekuormien sekä aukkojen ja muiden epäjatkuvuuksien aiheuttamien jännityskeskittymien takia laminaattirakenteita joudutaan vahvistamaan paikallisesti. Vahvistukset on suunniteltava huolellisesti, sillä laminaattirakenteet eivät myödä, jolloin jännitykset pääsevät tasoittumaan vain rakenteen rikkoutumisen kautta.

Aukkojen vahvisteet suunnitellaan tavallisesti siten, että aukon ympäristössä lujitteita on tasapuolisesti kaikissa neljässä pääsuunnassa (0°, 90° ja ±45°). Vahvistusten suunnittelussa on huomattava, että kuitusuuntaukset vaikuttavat oleellisesti epäjatkuvuuksien aiheuttamiin jännityshuippuihin (vrt. kappale 6.7.1).

Laminaattitasossa paikallisesti kuormitetun alueen vahvistusta suunniteltaessa on varmistettava, että rakenne pystyy vastaanottamaan kuorman ja levittämään sen rakenteeseen mahdollisimman tehokkaasti (kuva 9.11). Vahvisteen laminaattirakenteen tulisikin sisältää kuormituksen suuntaisia lujitteita ja kuormia tehokkaasti levittäviä, kuormaan nähden ±45°:een suunnattuja lujitteita.

Paikallisten vahvistekerrosten reunat porrastetaan jännityshuippujen minimoimiseksi. Porrastus on tavallisesti kuvan 9.12 mukainen eli vahvistekerrosten kokoa pienennetään pintaan päin kunnes viimeisellä pintakerroksella peitetään koko vahvistealue. Näin suojataan vahvistekerrosten reunat ja samalla tuetaan ne kuoriutumisen ehkäisemiseksi.

Kuva 9.11 Paikallinen vahviste reunakuormitetussa laminaatissa.

Kuva 9.12 Vahvistekerrosten porrastus.

Kerroslevyt

Laminaattirakenteita koskevat ohjeet ja suositukset soveltuvat myös laminaattipintaisten kerroslevyjen suunnitteluun. Suunnittelussa on lisäksi huomattava, että kerroslevyn ydinaine sekä ytimen ja pintalevyjen väliset liimasaumat ovat arkoja mekaanisille vaurioille ja usein myös ympäristön kemikaaleille ja kosteudelle. Tästä syystä kerroslevypaneelin reunat ja paneeliin tehtyjen aukkojen reunat suojataan joko viistämällä ydinaine ja tuomalla pintalaminaatit reunoilta yhteen tai käyttämällä erillisiä, pintalevyjen väliin tai levyn ulkopuolelle liimattavia reunaprofiileja (kuva 9.13). Tarvittaessa reunoja voidaan vahvistaa ylimääräisillä lujitekerroksilla.

Yleisimmin käytettyjä kerroslevyjen reunaprofiileja on esitetty kuvassa 9.14. Rakenteellisesti edullisimpia ovat kerroslevyyn päin aukeavat profiilit, sillä ne eivät aiheuta rakenteeseen äkkinäisiä jäykkyyden muutoksia. Profiilien käyttö on kuitenkin valmistusteknisesti hankalaa erityisesti pintalevyjen väliin asennettuna. Pintalevyjen välissä reunaprofiilina käytetäänkin useimmiten ulospäin avautuvaa tai kotelomaista profiilia.

Kuva 9.13 Kerroslevyn rakenneyksityiskohtia.

Kuva 9.14  Kerroslevyn reunaprofiileja.

Huono paikallisten kuormien kantokyky on kerroslevyille ominainen piirre. Kuormitetut kohdat joudutaankin tavallisesti vahvistamaan. Jos ydinaineena on kenno, levyä voidaan vahvistaa täyttämällä kennot täyteaineisella hartsi/kovete-seoksella. Tarvittaessa pintalaminaatteihin lisätään myös ylimääräisiä lujitekerroksia. Solumuoviydinaineinen levy voidaan vahvistaa korvaamalla solumuovi paikallisesti vahvemmalla ydinaineella, esimerkiksi tiheämmällä solumuovilla tai puulla (kuva 9.15). Kun ydinaine kootaan useista paloista, palat on liimattava toisiinsa, sillä ilman liimausta rakenne ei jatkoskohdaltaan toimi kerroslevynä. Erityisesti kennolevypalojen yhteen liimaamiseen soveltuu liima, joka kovettuessaan paisuu ja samalla täyttää muodoltaan epämääräisen sauman.

Kuva 9.15 Kerroslevyn paikallisia vahvistuksia.

9.5.3   Liitokset

Laminaatteja liitetään muiden rakenteiden tapaan mekaanisesti ja liimaamalla. Liitoksissa pyritään pääsääntöisesti leikkausliitoksiin, koska laminaattien ja liimasaumojen poikittainen vetolujuus on alhainen. Liitostapa on usein itsestään selvä rakenteen kokoonpanolle ja purkamiselle asetettujen vaatimusten perusteella. Missä valintamahdollisuus jää, on punnittava liitostapojen edut ja haitat, jotka on kootusti esitetty taulukossa 9.1. Taulukon mukaisesti liimasauman suurimpia etuja ovat tiiveys ja keveys. Laminaatit ovat myös helpompia liimata kuin esimerkiksi metallit. Mekaanisten liitosten puolesta puhuu toimintavarmuus ja tarkastettavuus.

Liitosten ominaisuuksia on kuvattu luvussa 6. Tätä kuvausta täydentävät seuraavassa esitettävät liitosten tärkeimmät suunnittelunäkökohdat.

Taulukko 9.1 Mekaanisen liitoksen ja liimaliitoksen vertailu.

Laminaattien mekaaniset liitokset

Kuormankantokyvyltään parhaita mekaanisia liitoksia ovat pulttiliitokset. Pulttien sijasta voidaan käyttää niittejä, mikäli liitosta ei normaalikäytössä tarvitse purkaa. Ruuviliitosten käyttö laminaattirakenteissa on melko harvinaista, sillä laminaattiin tehdyt kierteet eivät kanna suuria kuormia. Jos ruuviliitosta syystä tai toisesta käytetään, laminaattiin tavallisesti upotetaan tai liimataan metallinen, kierteitetty insertti.

Liitoksen geometrian valinta on taloudellisten, toiminnallisten ja tehokkuusvaatimusten määrittelemä kompromissi. Tehokkuudeltaan kaksipuoliset liitokset ovat yksipuolisia parempia, sillä yksipuolisia liitoksia rasittaa merkittävä taivutusmomentti, joka kuormittaa liitettäviä levyjä ja aiheuttaa liitinreikään epätasaisen pintapaineen jakautuman (ks. kuva 6.60). Pitkän liitoksen tehokkuutta pystytään merkittävästi parantamaan viistämällä tai porrastamalla liitettävät laminaatit ja käyttämällä liitoksen pituussuunnassa erikokoisia liittimiä. Liitostapa on kuitenkin useimpiin sovelluksiin liian kallis.

Liitoksen tehokkuuden kannalta varmuusmarginaalien eri pettämismekanismien suhteen tulisi olla samaa suuruusluokkaa.  Liitoksen mittasuhteet kannattaa kuitenkin valita niin, että ylikuormituksessa liitoksen primäärinä pettämismekanismina on reunapuristusmurtuma, joka ei aiheuta liitoksen välitöntä kantokyvyn menetetystä kuten muut pettämistavat. Tähän päästään valitsemalla liitoksen reunaetäisyydet e/d ja w/d sekä monipulttiliitoksen liitinväli p/d riittävän suuriksi. Tarvittavat reunaetäisyydet riippuvat materiaaleista ja laminaattirakenteesta ollen tyypillisesti välillä 4…5 (vrt. luku 6).

Liitosalueen laminaattirakenne tulisi käytännössä valita siten, että laminaatilla on kohtuullinen lujuus liitoksen pitkittäis- ja poikittaissuunnassa sekä myös leikkauksessa. Mattolujitetussa laminaatissa ehto toteutuu automaattisesti. Jatkuvilla kuiduilla lujitetussa laminaatissa, jossa kuituja on neljässä pääsuunnassa, suositellaan kuvan 9.16 rasteroidun alueen mukaisia kuitusuuntaussuhteita. Yksinkertaisena nyrkkisääntönä esitetään, että kuhunkin pääsuuntaan tulisi suunnata 1/8…3/8 koko lujitemäärästä.

Kuva 9.16 Jatkuvilla kuiduilla lujitettujen laminaattien suositellut kuitusuuntaussuhteet liitosalueella. [2]

Liittimien kestävyys varmistetaan valitsemalla niiden halkaisijat riittävän suuriksi. Koska laminaattien paksuussuuntainen lujuus on alhainen, liittimien kantojen tulee olla leveitä, minkä lisäksi pulttiliitoksessa on aina käytettävä aluslaattoja. Laminaattien niittauksessa on oltava erityisen varovainen, sillä niittauksen aiheuttama puristus rikkoo helposti laminaatin. Laminaattien niittaukseen onkin kehitetty omia, leveäkantaisia niittityyppejä.

Liitinmateriaalit valitaan yhteensopiviksi liitettävien laminaattien kanssa. Lasi- ja aramidikuitulujitettujen laminaattien liittämiseen soveltuvat kaikki tavanomaiset liitinmateriaalit. Hiili on kuitenkin eräs jaloimpia materiaaleja ja syövyttää kosteissa oloissa sen kanssa kosketuksissa olevaa epäjalompaa materiaalia (ks. kuva 6.45). Hiilikuitulaminaattien liitoksissa onkin käytettävä jaloista materiaaleista kuten titaanista tai ruostumattomasta teräksestä valmistettuja liittimiä. Toisena mahdollisuutena on eristää liittimet ja laminaatti niin, ettei liitin ole suorassa kosketuksessa hiilikuitujen kanssa.

Liittimen ja liittimen reiän väliset toleranssit valitaan suhteellisen tiukoiksi, jotta pintapaineen jakauma liitinreikien reunoilla olisi mahdollisimman tasainen. Toleranssien merkitys korostuu monen liittimen liitoksessa, sillä hauraassa laminaatissa väljien toleranssien aiheuttama kuormien epätasainen jakautuminen voi tasoittua vain laminaatin rikkoutumisen kautta. Toleransseja ei kuitenkaan saa valita niin tiukoiksi, että liitin joudutaan pakottamaan reikään, sillä tällöin helposti vaurioitetaan laminaattia. Samasta syystä paisuvia niittejä ei tule käyttää liittämiseen.

Liittimien kiristysvoimat määritellään niin, että liitos on kiristetty, mutta laminaattia ei ole vaurioitettu. Koetulosten mukaisesti jo käsin tapahtuva kiristys parantaa liitoksen kuormankantokykyä merkittävästi kiristämättömään tappiliitokseen verrattuna (ks. kuva 6.53). Kiristysvoiman kasvaessa kuormankantokyky kasvaa edelleen jonkin verran kunnes voima kasvaa niin suureksi, että kiristys alkaa vaurioittaa laminaattia.

Kerroslevyjen mekaaniset liitokset

Kerroslevyjen reunat ovat lähes aina umpilaminaattia tai profiileilla vahvistetut. Levyjen liittäminen reunoistaan ei yleensä olekaan sen ongelmallisempaa kuin laminaattien tai profiilien liittäminen. Kerroslevypaneelin keskelle pystytään kuitenkin kiinnittämään ilman erikoistoimenpiteitä vain pienehköjä osia. Materiaaleista ja kerroslevyn mittasuhteista riippuen kiinnitykset tehdään ruuveilla tai pulteilla.

Raskaampia osia kiinnitettäessä kerroslevypaneeli joudutaan vahvistamaan kiinnityskohdastaan. Vahvistus voidaan tehdä korvaamalla ydinaine paikallisesti vahvemmalla materiaalilla (ks. kuva 9.15). Kerroslevykiinnityksiin on myös kehitetty erilaisia inserttejä, jotka voivat olla kierteellisiä tai kierteettömiä. Mekaanisesti parhaita ovat koko kerroslevyn läpäisevät, kumpaankin pintalevyyn tukeutuvat insertit. Näitä valittaessa on aina varmistettava, että kerroslevy kestää inserttien asennuskuormat. Kuvassa 9.17 on esitetty toiselta puolelta asennettava, liimaamalla kiinnitettävä insertti, joka soveltuu vain suhteellisen kevyesti kuormitettuihin liitoksiin. Insertin kuormankantokyky on tarvittaessa määritettävä kokeellisesti.

Kuva 9.17 Kerroslevyyn upotettu insertti.

Liimaliitokset

Luvun 6 mukaisesti leikkausjännitysjakautuma liimasaumassa on aina epätasainen, minkä lisäksi epäsymmetrisen liimaliitoksen päihin kohdistuu merkittäviä repiviä kuormia. Repivien kuormien minimoimiseksi liimasaumat kannattaakin suunnitella symmetrisiksi, mikäli tämä on rakenteen valmistuksen ja käytön kannalta mahdollista.

Liimasaumojen leikkausjännitysjakaumaa voidaan tasoittaa viistämällä liitettävien levyjen tai palstalevyjen päät. Viisteet alentavat myös sauman päihin kohdistuvia repiviä kuormia. Sisäänpäin kallistuvan viisteen ja liimapurseen on niin ikään todettu parantavan merkittävästi sauman lujuutta (kuva 9.18). Erityyppisten liimasaumojen kuormankantokykyä liitettävien levyjen paksuuden funktiona havainnollistaa kuva 9.19. Kuvan mukaisesti paksujen levyjen liittämiseen on käytettävä hyvin hankalasti valmistettavia saumoja, mikäli halutaan, että sauma kestää likimain yhtä paljon kuin liitettävät levytkin.

Kuva 9.18 Liitoksen muotoilun vaikutus hiilikuitulujitetun laminaatin ja teräksen välisen liimaliitoksen lujuuteen. [3]

Kuva 9.19 Erityyppisten liimaliitosten tehokkuus suhteessa liitettävien levyjen lujuuteen. [4]

Liitoksen pituus on tärkein liitoksen kuormankantokykyyn vaikuttava geometrinen suure. Jos liitettävien levyjen viistäminen ei ole mahdollista, sauman pituudella pystytään kasvattamaan lujuutta vain tiettyyn rajaan asti epätasaisesta leikkausjännitysjakautumasta johtuen. Kohteissa, joissa lyhytkin liimasauma pystyisi kantamaan liitokseen kohdistuvat kuormat, näennäisesti tehottomampi pitkä sauma on usein perusteltu, sillä sauman vähän kuormitettu keskialue toimii varmuusmarginaalina ja ehkäisee tehokkaasti sauman virumista pitkäaikaiskuormituksessa.

Toinen liitoksen lujuuteen vaikuttava geometrinen suure on liimasauman paksuus. Pääsääntöisesti sauman tulisi olla ohut. Voimakkaasti epäsymmetrisissä liitoksissa sauman paksuntamisella voi olla lujuutta parantava vaikutus, sillä paksu sauma kestää paremmin repiviä kuormia. Saumaa voidaan joutua paksuntamaan myös osavalmistuksen epätarkkuuksien takia erityisesti, kun liitettävät osat ovat suuria.

Myös liima-aineen valinta on usein kompromissi. Puhtaasti leikkausrasitetuissa saumoissa käytetään suhteellisen jäykkiä liimoja, joilla tyypillisesti on hyvä leikkauslujuus ja lämmönkestävyys. Toisaalta joustavat liimat kestävät hyvin repiviä kuormia, mistä syystä niitä käytetään epäsymmetrisissä ja paksuissa liimasaumoissa.

Liitos mitoitetaan siten, että leikkausjännitys sauman päissä ei koskaan ylitä käyttökuormilla liima-aineen myötörajaa. Mikäli sauma on pitkäaikaisesti kuormitettu, sallitulle jännitykselle voidaan joutua käyttämään hyvinkin alhaisia arvoja erityisesti, kun liima-aine on joustava.

Sauman lujuutta määritettäessä on myös otettava huomioon kerrostenvälisen murtuman mahdollisuus (vrt. kuva 6.57). Pettämistapa on todennäköinen paksuilla matoilla ja kudoksilla lujitettujen polyesterilaminaattien liitoksissa laminaattien alhaisen kerrostenvälisen leikkauslujuuden takia. Laminaateilla, joiden kerrostenvälinen leikkauslujuus on korkea, leikkautuminen ei yleensä ole ongelma edellyttäen, että pintakerros sisältää kohtuullisesti lujitetta sauman pituussuunnassa.

Liitoksen kestävyyden kannalta oleellinen tekijä on myös liiman ja liimattavan pinnan välinen tarttuvuus. Pääsääntöisesti tarttuvuuden tulisi olla niin hyvä, ettei adheesiomurtumaa lainkaan esiinny. Liimojen tarttuvuus kertamuovipohjaisiin komposiitteihin onkin yleisesti ottaen riittävän hyvä. Erityisiä pintakäsittelyjä ei tarvita, kunhan varmistetaan, että liimattavat pinnat ovat puhtaat ja sopivan karheat. Puhdistus asetonilla ja mekaaninen karhennus antavat hyvän lopputuloksen. Mikäli karhennukseen käytetään vesihiontaa, liimattavat pinnat on kuivattava huolellisesti.

Tartunnan kannalta riittävän hyvä pinta saadaan toisinaan aikaan laminoimalla liimattaville pinnoille osan valmistusvaiheessa ns. karhennuskangas eli ohut tekokuitukudos. Karhennuskangas suojaa liimattavaa pintaa likaantumiselta ja kun kangas revitään irti, se jättää laminaatin pinnan karheaksi. Karhennuskankaan toimivuus on varmistettava, sillä muoviaineesta, kovetusprosessista ja käytetystä kankaasta riippuen laminaatin pintaan saattaa jäädä liimautumista heikentäviä epäpuhtauksia. Yleissääntönä voidaan todeta, ettei karhennuskankaalla koskaan saavuteta yhtä hyvää tarttuvuutta kuin mekaanisella karhennuksella ja puhdistuksella.

Mikäli laminaattia joudutaan liimaamaan metalliin, metalli on lähes aina pintakäsiteltävä kemiallisesti lujan ja kestävän tartunnan aikaansaamiseksi. Metallien pintakäsittelyyn soveltuvia menetelmiä on esitetty mm. lähteissä [5] ja [6].

Kokonaisuutena liimaus on monimutkainen ja virheille altis prosessi. Tästä syystä liimaliitoksen käyttöä on syytä tarkoin harkita. Mikäli liimausta käytetään, sauma on suunniteltava huolellisesti. Lisäksi on huolehdittava, että valmistustilat, -laitteet ja -prosessit sekä laadunvarmistusproseduurit ovat asianmukaiset. Jos sauma on rakenteen kantokyvyn kannalta kriittinen, voidaan harkita liimaliitoksen varmistamista mekaanisella liitoksella. Mikäli varmistusta ei käytetä, tulisi liitos ainakin suunnitella siten, että se on tarvittaessa mekaanisesti korjattavissa. Näin siksi, että liitoksen korjaus liimaamalla voi olla kenttäolosuhteissa äärimmäisen hankalaa.

Merkittäviä kuormia kantavien liimasaumojen lopullinen toimivuus ja kestävyys on pääsääntöisesti varmistettava kokeellisesti, sillä laskentamallit eivät ota huomioon kaikkia kestävyyteen vaikuttavia tekijöitä. Tärkeimpiä näistä ovat repivien kuormien vaikutukset sekä mahdollinen tartunnan heikentyminen erityisesti vaativassa ympäristössä.

Materiaalivalinnassa keskeiset tehtävät ovat lujitteen, matriisimuovin ja niiden käyttömuodon valinta. Tapauskohtaisesti voidaan joutua valitsemaan myös muovin täyteaine ja kerroslevyn ydinaine. Valinnan pohjana ovat materiaalien käyttöominaisuudet ja materiaaleilla saavutettavat ominaisuudet, joita on tarkasteltu erikseen luvuissa 3, 4 ja 6. Materiaalivalinnasta esitetäänkin seuraavassa vain lyhyt yhteenveto.

9.4.1   Lujite

Valintaperusteet

Lujitteen tärkeimmät mekaaniset ominaisuudet ovat kimmomoduli ja vetolujuus. Lujitteen valintaprosessin tueksi nämä ominaisuudet esitetään usein tiheyteen suhteutettuina. Suureita kutsutaan ominaisarvoiksi tai eritellen ominaisjäykkyydeksi (specific stiffness, E/ρ) ja ominaislujuudeksi (specific strength, σ/ρ).

Kuvan 9.4 mukaisesti lujitteiden ominaisarvot, erityisesti ominaislujuudet ovat selvästi metallien vastaavia arvoja korkeampia. Kuva vääristää kuitenkin todellisuutta, koska lujitetta on lopputuotteessa parhaimmillaankin vain noin 60 t%. Lisäksi lujitteet joudutaan useimmiten suuntaamaan niin, että rakenne kantaa kohtuullisesti sekä normaali- että leikkausvoimia. Kuvassa 9.5 on realistisempi vertailu, jossa vertailtavina ovat 50 t% lujitetta sisältävien laminaattien tyypilliset ominaisjäykkyydet ja –lujuudet. Arvot on laskettu kvasi-isotrooppisille laminaateille, joiden taso-ominaisuudet ovat likimain samankaltaiset eri suunnissa.

Kuvasta 9.5 voidaan todeta, että lasikuitulujitetun laminaatin ominaisjäykkyys on selvästi vertailumateriaalien ja -laminaattien arvoja alhaisempi. Ominaislujuus on kuitenkin samaa luokkaa metallien tyypillisten ominaislujuuksien kanssa. Hiilikuiduilla taas on mahdollista saavuttaa huomattavasti metalleja korkeampia ominaisjäykkyyksiä ja –lujuuksia, vaikka ominaisuuksien suuntaamismahdollisuutta ei hyödynnetäkään. Aramidikuitulujitetut laminaatit ovat ominaisarvoiltaan hiili- ja lasikuitulujitettujen laminaattien välillä, kun verrataan kuvan 9.5 mukaisesti laminaattien ominaisvetolujuutta. Puristuskuormituksessa aramidikuiduilla lujitetut laminaatit ovat selvästi huonompia (vrt. luku 6).

Kuva 9.4 Lujitekuitujen ja metallien tyypilliset ominaisjäykkyydet ja lujuudet vetokuormituksessa.

Kuva 9.5 Kvasi-isotrooppisten laminaattien ja eräiden metallien tyypilliset ominaisjäykkyydet ja lujuudet vetokuormituksessa, laminaattien lujitepitoisuus 50 t%.

Esitetystä vertailusta on lisäksi huomattava seuraavat seikat:

• Laminaattien ominaisarvot ovat esitettyjä alhaisempia, mikäli valitulla valmistusmenetelmällä ei päästä vertailun pohjana olevaan 50 t%:n lujitepitoisuuteen
• Ominaisarvot paranevat, kun laminaattien jäykkyys- ja lujuusominaisuudet ovat suunnatut ja tarkastellaan laminaatin vetojäykkyyden ja –lujuuden kannalta parasta suuntaa. Tällaisten laminaattien käyttö on mahdollista, kun tuotteeseen kohdistuvat kuormat ovat selvästi suunnatut.
• Vertaillut ominaisarvot antavat kuvan materiaalien ja laminaattien hyvyydestä vain, kun mitoitusperusteena on vetojäykkyys ja/tai -lujuus. Monilla rakenne-elementeillä mitoitusperuste on toinen, jolloin myös vertailuarvot ovat erilaiset. Jos esimerkiksi puristettu sauva pettää nurjahtamalla, oikea suure materiaalien ja laminaattien hyvyysvertailuun on E/ρ:n sijasta √E/ρ, E:n ollessa tässä tapauksessa materiaalin tai laminaatin kimmomoduli sauvan pituussuunnassa.

Materiaalien ja laminaattien vertailuarvoja ei tässä yhteydessä käsitellä tarkemmin. Vertailuarvoja on esitetty eri rakenne-elementti/mitoitusperuste-yhdistelmille mm. lähteessä [1]. Yleisesti laminaatit ovat alhaisen tiheytensä takia näillä vertailuluvuilla mitattuna parempia kuin kuvan 9.5 esimerkissä.

Valinta

Käytännössä lujitteen valinta on usein yksinkertaista. Mikäli tuotteelta ei vaadita erityistä keveyttä tai jäykkyyttä, lujitteeksi valitaan hinnaltaan edullinen E-lasikuitu. S-lasikuidulla on mahdollista päästä hieman kevyempään lopputulokseen ilman kohtuutonta raaka-ainekustannusten kasvua. Kemiallisesti vaativissa kohteissa yleensä E-lasikuidulla lujitettu primäärirakenne voidaan pinnoittaa kerroksella, jossa lujitteena on C-lasikuitu. Pinnoitteena käytetään myös kestomuovikerroksia.

Mikäli lasikuidulla ei ole mahdollista päästä vaadittuun rakennepainoon tai jäykkyyteen, jäävät varteenotettaviksi vaihtoehdoksi useimmiten vain hiilikuidut. Niiden hinta on kuitenkin kertaluokkaa korkeampi kuin lasikuitujen. Hiilikuiduista edullisimpia ovat SM-kuidut, johon hiilikuidun valinnassa yleensä päädytään, jos vaaditut ominaisuudet pystytään niillä saavuttamaan. Korkeampimoduliset IM-kuidut ovat varteenotettavia vaihtoehtoja vaativiin sovelluksiin, esim. lentokonerakenteisiin. Korkeimman modulin omaavat hiilikuitutyypit (HM-kuidut) soveltuvat korkean hintansa ja haurautensa takia lähinnä vain erikoissovelluksiin, esim. avaruusrakenteisiin.

Aramidikuituja käytetään rakenteellisten tuotteiden lujitteena nykyisin melko vähän. Sovelluskohteet ovat lähinnä kevyesti rasitettuja tuotteita, joissa aramidien sitkeys ja keveys ovat erityisesti hyödyllisiä (ks. luku 3). Myös muita lujitteita käytetään lähinnä vain erityistuotteissa tai tuotteelle asetettujen erityisvaatimusten takia.

9.4.2   Lujitteen käyttömuoto

Lujitteen käyttömuodon valinta pohjautuu taloudellisten vaatimusten ja tehokkuusvaatimusten keskinäiseen painotukseen. Valmistusmenetelmä asettaa luonnollisesti myös omat rajoituksensa lujitteen käyttömuotoa valittaessa.

Parhaat mekaaniset ominaisuudet saavutetaan pääsääntöisesti yhdensuuntaislujitteilla. Yhdensuuntaislujite muotoutuu kuitenkin huonosti kaksoiskaareviin pintoihin (kuva 9.6). Yhdensuuntaiskerroksista valmistettu laminaatti on myös hauras ja vaurioituu helposti työstössä (kuva 9.7).

Kuva 9.6 Yhdensuuntaislujitteen ja kudoksen muotoutuvuus kaksoiskaa­reviin pintoihin.

Kuva 9.7 Esimerkki yhdensuuntaislaminaatin murtumisesta työstössä.

Kudoslujitteillakin saavutetaan hyvät mekaaniset ominaisuudet, joskin kuitujen mutkaisuus alentaa jonkin verran lujuutta ja jäykkyyttä, kun vertailukohtana ovat yhdensuuntaiskerroksista valmistetut laminaatit. Toisaalta kudos muotoutuu paremmin kaksoiskaareviin pintoihin (kuva 9.6). Kudoslaminaatti kestää myös paremmin iskukuormia ja työstöä. Toisinaan tätä hyödynnetään käyttämällä laminaatin sisäkerroksissa yhdensuuntaislujitetta ja pintakerroksissa kudoslujitetta.

Lujitematto on hinnaltaan edullinen ja muotoutuvuudeltaan kudostakin parempi. Toisaalta mattolaminaatin lujuusominaisuudet ovat vaatimattomat eikä laminaatin lujuusominaisuuksia voi suunnata. Mattolujitteiden tyypillisiä käyttökohteita ovatkin kevyesti kuormitetut tuotteet, joissa keveydelle ei aseteta erityisiä vaatimuksia. Rakenteellisesti vaativammissa kohteissa mattoja käytetään yhdessä paksujen roving-kudosten tai yhdensuuntaistuotteiden kanssa. Matto suunnattujen kerrosten välissä parantaa kerrostenvälistä leikkauslujuutta, minkä lisäksi mattokerroksilla saadaan taloudellisesti kasvatettua rakennepaksuutta ja samalla laminaatin taivutusjäykkyyttä.

Valmistuskustannusten kannalta laminaatti on edullisinta valmistaa paksuimmista mahdollisista, halutut ominaisuudet antavista matoista, kudoksista ja yhdensuuntaistuotteista. Pintakerroksen lujitteeksi on kuitenkin syytä valita ohut kudos tai matto paremman pinnanlaadun saavuttamiseksi.

Pintakerros voi myös materiaaleiltaan erota varsinaisesta laminaatista. Esimerkiksi prosessiteollisuuden putkissa ja säiliöissä kantava rakenne suojataan usein kestomuovipinnoitteella tai kemiallisesti kestävästä matriisimuovista ja C-lasikuitumatosta muodostetulla pintakerroksella. Hiilikuitulujitettujen laminaattien pintakerroksessa lujitteena voi olla aramidi- tai lasikuitukudos, jolla parannetaan laminaatin iskunkestävyyttä. Mikäli laminaatin on oltava sähköä johtava, pintakerrokseen lisätään muodossa tai toisessa metallia. Saatavilla on metallilankoja sisältäviä lujitekudoksia sekä kudoksia, jotka on valmistettu metallipinnoitetuista lujitekuiduista. Sähköä johtavana uloimpana kerroksena voidaan myös käyttää ohutta metalliverkkoa, jota on saatavilla liimakalvoon upotettuna.

9.4.3   Matriisimuovi

Valintaperusteet

Matriisimuovin tärkeimpiä valintaperusteita ovat hinnan ohella käyttöominaisuudet, matriisilla saavutettavat lopputuotteen mekaaniset ominaisuudet, lämmönkestävyys, palo-ominaisuudet ja kemiallinen kestävyys. Ominaisuuksien painotus on sovelluskohtainen.

Kertamuovien käyttöominaisuuksista tärkeimpiä ovat viskositeetti, geeliaika, eksotermin huippulämpötila, käyttöturvallisuus ja ympäristöystävällisyys. Alhainen viskositeetti on erityisen tärkeää, kun tuote valmistetaan injektoimalla. Geeliajan tulee olla riittävän pitkä tuotteen valmistukseen. Alhainen eksotermin huippulämpötila on erityisen tärkeä ominaisuus paksuja laminaatteja valmistettaessa.

Lopputuotteen mekaanisiin ominaisuuksiin vaikuttaa matriisimuovin mekaanisten ominaisuuksien ohella oleellisesti muovin tarttuvuus lujitteisiin. Kovettumiskutistuma vaikuttaa saavutettavissa olevaan mittatarkkuuteen ja jossain määrin mekaanisiin ominaisuuksiin.

Matriisimuovin lämmönkestävyyden tulee luonnollisesti olla riittävä, jotta tuotteelle asetetut lämmönkestovaatimukset saavutetaan. Turhan korkeita lämpötiloja kestävää muovia ei toisaalta kannata valita, koska muovit ovat pääsääntöisesti sitä hauraampia mitä korkeampia lämpötiloja ne kestävät.

Rakenteelle asetetut palovaatimukset pystytään usein täyttämään sopivalla matriisimuovin valinnalla. Mikäli tämä ei onnistu, on selvitettävä, voidaanko muuten potentiaalisten matriisimuovien palo-ominaisuudet saada vaatimuksia vastaaviksi lisä- ja/tai täyteaineilla.

Matriisimuovien kemiallinen kestävyys on useimmiten riittävä normaaleihin sovelluksiin. Monissa prosessiteollisuuden tuotteissa kemiallinen kestävyys on luonnollisesti yksi tärkeimpiä matriisimuovin valintaperusteita.

Valinta

Mikäli valmistettavalle tuotteelle ei aseteta erityisvaatimuksia, päädytään kertamuovityyppisen matriisin valinnassa yleensä polyesteriin. Näistä orto- ja isoftaalipolyesterit ovat hinnaltaan edullisia ja niiden käyttöominaisuuksia voidaan säädellä laajoissa rajoissa. Mikäli niiden kemiallinen kestävyys ja/tai lämmönkestävyys on riittämätön, ovat seuraavia vaihtoehtoja Bisfenol-A polyesterit ja vinyyliesterit. Erikoissovellutuksissa käytetään lisäksi hethappopohjaisia polyestereitä.

Parhaat mekaaniset ominaisuudet saavutetaan epokseilla. Mikäli rakenne ei joudu korkeisiin lämpötiloihin, suositaan seosaineilla sitkistettyjä epokseja. Tarvittaessa käytetään modifioimattomia, hauraampia epokseja, jotka yltävät aina 200 °C:n käyttölämpötiloihin asti. Mikäli epoksien lämmönkestävyys ei riitä, kertamuovityyppisiksi matriisivaihtoehdoiksi jäävät bismaleimidit (BMI) ja muut kertamuovityyppiset polyimidit.

Fenolihartsit ovat edullisia, mutta vaikeita käyttää. Lujitettujen fenolilaminaattien mekaaniset ominaisuudet ovat myös melko alhaiset. Fenoleja käytetäänkin matriisiaineena rakenteellisissa sovelluksissa lähinnä, kun muut matriisivaihtoehdot eivät täytä sovellukselle asetettuja palovaatimuksia.

9.4.4   Täyteaineet

Täyteaineilla pyritään useimmiten alentamaan raaka-ainekustannuksia ja/tai keventämään lopputuotetta. Toisinaan täyteaineilla säädetään myös hartsin viskositeetti valmistusprosessiin sopivaksi. Muita mahdollisia syitä täyteaineen käytölle ovat tuotteelle asetettujen palovaatimusten täyttäminen sekä tuotteen sähkön- ja/tai lämmönjohtavuuden parantaminen. Rakenteellisesti vaativissa kohteissa täyteaineiden käyttöä pyritään välttämään, koska ne yleensä heikentävät kuitulujitetun laminaatin mekaanisia ominaisuuksia.

9.4.5   Kerroslevyn ydinaine

Ydinaineen valinnassa merkittäviä valintakriteerejä ovat hinnan ohella ominaisjäykkyydet ja –lujuudet, työstettävyys, lämmönkesto ja muotoutuvuus. Kerroslevyn toimintaperiaatteen mukaisesti oleellisia ydinaineen mekaanisia ominaisuuksia ovat puristusjäykkyys ja –lujuus levytasoa vastaan kohtisuorassa suunnassa sekä leikkausjäykkyydet ja –lujuudet levytasoa vastaan kohtisuorissa tasoissa.

Mekaanisilta ominaisuuksiltaan parhaita ydinaineita ovat alumiiniset ja kuitulujitetut kennot. Niiden muotoutuvuus on myös hyvä, kun kennomuoto valitaan oikein (ks. luku 3).  Kennot ovat kuitenkin suhteellisen kalliita, minkä lisäksi ne ovat vaikeita työstää. Kerroslevyn valmistus vaatii huolellisuutta, koska liimasauma muodostetaan pintalaminaatin ja siihen nähden pystysuorassa olevan kennon seinämän välille. Mikäli kerroslevyä ei saada tiiviiksi, kennoihin voi myös kertyä vettä kun rakennetta käytetään kosteissa olosuhteissa.

Solumuovit ovat kennoihin verrattuna halvempia sekä helpompia työstää ja liimata. Useimpia solumuoveja voidaan myös muovata lämmön avulla. Käyttöä rajoittavia tekijöitä ovat suhteellisen alhainen lämmönkesto, palavuus ja palossa syntyvät savukaasut. Solumuovin ja rakenteen valmistuksessa käytettävien kemikaalien yhteensopivuus on myös aina varmistettava.

Muita mahdollisia ydinainevaihtoehtoja ovat lujitteen ja solumuovin yhdistelmät, jotka ovat käyttökelpoisia erityisesti, kun rakenne valmistetaan injektoimalla. Ohueen kerroslevyyn taas voi soveltua parhaiten syntaktinen ydinaine, jota käytettäessä kerroslevy voidaan valmistaa yhdellä kovetuksella ilman erillistä liima-ainetta.

Tuotteen valmistustekniikan valinta on yleensä esisuunnittelun ensimmäinen tehtävä.  

Valintaan vaikuttavat valmistettavan kappaleen koko ja muoto, valmistussarjan suuruus ja rakenteen tehokkuusvaatimukset. Kaikki menetelmät asettavat jossain määrin suunnittelurajoituksia, joten menetelmän valinta on aina kompromissi.

Luvussa 5 esitetyt valmistusmenetelmien kuvaukset ja menetelmien teknistaloudellinen vertailu antavat hyvän pohjan valmistusmenetelmän valinnalle. Yhteenvetona on kuvassa 9.2 esitetty suuntaa-antavasti erikokoisille ja -muotoisille kappaleille sopivat valmistusmenetelmät eri sarjakokoja vastaten. Kuvassa 9.3 on esitetty niin ikään suuntaa-antavasti valmistusmenetelmien taloudellisin sarjakoko ja menetelmillä saavutettavat lujuus- ja jäykkyysominaisuudet.

Kuva 9.2 Erikokoisille ja –muotoisille kappaleille sopivat valmistusmenetelmät eri sarjakokoja vastaten.

Kuva 9.3 Valmistusmenetelmien taloudellisin sarjakoko ja menetelmillä saavutettavat jäykkyys- ja lujuusominaisuudet.

Rakenteellinen suunnittelu on käytännössä mahdotonta, ellei tuotteeseen kohdistuvia kuormia ole määritelty. Mikäli kuormia ei tunneta, ne on määritettävä laskennallisesti tai mittaamalla. Lopulliset suunnittelukuormat valitaan niin, että niiden ylittyminen rakennetta käytettäessä on erittäin epätodennäköistä.

Monet rakenteet, esimerkiksi säiliöt, ovat pääsääntöisesti staattisesti kuormitettuja. Tällaisten rakenteiden kuormat on yleensä melko helppo määrittää. Kuormien ohella on tunnettava niiden vaikutusaika eli rakenteen suunniteltu elinikä, sillä materiaalit saattavat kuormitettuna virua. Jos kuormitus välillä poistetaan, on myös tunnettava kuormituskertojen lukumäärä eliniän aikana, jotta materiaalin väsyminen voitaisiin ottaa huomioon.

Koneiden ja kuljetusvälineiden osiin sekä muihin vastaaviin tuotteisiin kohdistuvat kuormat ovat toistuvia. Rakenteiden mitoittamiseksi on tunnettava merkittävien kuormien suuruus ja erisuuruisten kuormien esiintymiskerrat. Mikäli kuormitusvaihtelut ovat nopeita, on myös kuormitustaajuus tunnettava, sillä huonona lämmönjohteena muovikomposiitti lämpiää merkittävästi jo melko matalataajuisenkin toistuvan kuorman vaikutuksesta.

Normaalien käyttökuormien ohella on määriteltävä merkittävät, rakenteeseen satunnaisesti vaikuttavat kuormitukset. Tällaisia kuormia ovat mm. iskukuormat, jotka vaurioittavat rakennetta sitä helpommin, mitä hauraampaa rakennemateriaali on. Esimerkkejä iskukuormista ovat kiven iskeytymät, huollossa tapahtuvat työkalujen putoamiset yms.

Rakennemitoituksen pohjaksi on lisäksi pystyttävä määrittelemään ympäristötekijät, jotka vaikuttavat rakenteen kuormittumiseen tai rakennemateriaalien ominaisuuksiin. Näistä tärkeimpiä ovat lämpötila, kosteus ja rakenteeseen mahdollisesti vaikuttavat kemikaalit. Rakennetta saattaa heikentää myös mekaaninen hankaus.

Ääriolosuhteiden ohella on arvioitava ympäristömuutosten suuruus ja lukumäärä, sillä ympäristön vaihtelu voi olla merkittävä osa rakenteen väsymisrasituksesta. Rakenteen kanssa kosketuksissa olevat kemikaalit vaikuttavat erityisesti matriisiaineen ja mahdollisen suojaavan pinnoituksen valintaan. Kemikaalit ja niiden pitoisuudet tulisi pystyä määrittelemään mahdollisimman tarkoin, sillä materiaalien kemiallinen kestävyys on hyvin yksilöllinen. On myös huomattava, että joidenkin kemikaalien vaikutus saattaa tulla esiin vasta kun kemikaali vaikuttaa rakenteeseen samanaikaisesti mekaanisen kuorman kanssa.

Rakenteiden käyttöturvallisuuden takaamiseksi myös viranomaiset asettavat monille tuotteille vaatimuksia. Niissä voidaan hyvinkin yksityiskohtaisesti määritellä tuotteen mitoituskuormat, rakennemateriaalit, rakenneperiaatteet sekä mitoitus- valmistus- ja laadunvarmistusmenetelmät. Vaatimukset on julkaistu sovellutusalueesta riippuen määräyskokoelmina, normeina tai standardeina.

Teollisuudessa käytettävien lujitemuoviputkien, paineastioiden ja nestesäiliöiden osalta viranomaisvaatimukset ovat varsin yksityiskohtaisia. Vaatimuksia on esitetty kansallisissa ja kansainvälisissä standardeissa ja normeissa. Rakenteiden suunnittelusta on julkaistu myös suunnitteluohjeita. Paineastiat sekä vaarallisia aineita sisältävät säiliöt ja putkistot ovat lakien ja asetusten alaisia. Rakenteita sekä niiden valmistusta ja tarkastusta valvovat viranomaiset. Suomessa valvova viranomainen on Turvatekniikan keskus, josta saa tarkempaa tietoa noudatettavista standardeista ja normeista, suunnitteluohjeista sekä rakenteiden hyväksyntään liittyvistä viranomaismenettelyistä (www.tukes.fi).

Lujitemuoviveneitä koskevat vaatimukset on määritelty Euroopan Unionin huvivenedirektiivissä. Direktiivin tukena on joukko EU-standardeja. Direktiivin mukaan valmistetut ja sen mukaisella CE-merkinnällä varustetut veneet ovat myyntikelpoisia kaikissa EU-maissa ilman erillistä paikallista hyväksyntää. Huvivenedirektiivin markkinavalvonta kuuluu Suomessa Merenkulkulaitokselle (www.fma.fi). 

Lujitemuovisia lentokonerakenteita koskevat vaatimukset sisältyvät ilmailumääräyksiin. Tärkeimpiä määräyskokoelmia ovat Euroopan ilmailuviranomaisen EASA:n (European Aviation Safety Agency) ja USA:n kansallisen ilmailuviranomaisen FAA:n (Federal Aviation Administration) julkaisemat määräykset. Määräysten ohella viranomaiset julkaisevat ohjeluonteisia tiedotteita. USA:n siviili- ja sotilasviranomaisten sekä ilmailuteollisuuden yhteistyössä laatima suunnittelukäsikirja MIL-HDBK-17B antaa myös ohjeita erityisesti lujitemuovimateriaalien ja materiaaliyhdistelmien suunnitteluarvojen määritysmenetelmistä. Lentokonerakenteiden suunnittelu ja valmistus on luvanvaraista toimintaa. Suomessa valvonnan hoitaa Liikenne- ja viestintävirasto Traficom.

---

Rakenteen suunnitteluprosessi voidaan kuvan 9.1 mukaisesti jakaa (1) vaatimusten määrittelyyn, (2) esisuunnitteluun, (3) yksityiskohtaiseen suunnitteluun ja (4) kelpuutukseen. Materiaalien erikoispiirteillä on oma vaikutuksensa tähän prosessiin. Muovikomposiiteilla tällaisia erikoispiirteitä ovat mm. materiaalivaihtoehtojen monilukuisuus, lujuusominaisuuksien suuntausmahdollisuus sekä ominaisuuksien voimakas riippuvuus valmistustekniikasta ja käyttöympäristöstä.

Suunnittelun lähtökohdan muodostavat vaatimukset voidaan karkeasti ryhmitellä yleisiin vaatimuksiin, käyttöympäristölle asetettuihin vaatimuksiin ja rakenteellisiin vaatimuksiin. Yleiset vaatimukset koskevat mm. tuotteen kokoa, muotoa, käyttöominaisuuksia sekä tuotantomääriä ja -nopeuksia. Käytännössä tuotteen hinnalle asetetaan aina myös rajoituksia. Käyttöympäristövaatimuksista tärkeimpiä ovat käyttölämpötila-alueet, ympäristön kosteus ja kemikaalit sekä rakennetta mahdollisesti kuluttava eroosio. Rakenteellisia vaatimuksia ovat kuormien kantokyky, muodonmuutoksille asetetut rajoitukset sekä erikoisvaatimukset, jotka voivat koskea mm. rakenteen värähtelyominaisuuksia, iskunkestävyyttä, vaurion sietoa ja korjattavuutta.

Esisuunnittelu sisältää valmistustekniikan ja rakennemateriaalien valinnat, rakenteen muotoilun, materiaaliominaisuuksien arvioinnin, rakennekokonaisuuden kuormittumistarkastelut sekä päärakenteiden suunnittelun ja mitoituksen. Esisuunnittelun tuloksena rakenne on käytännössä lukkoon lyöty niin, että sen tuotannollinen määrittely voidaan aloittaa.

Yksityiskohtaisessa suunnittelussa rakenne suunnitellaan loppuun pienimpiä yksityiskohtia myöten. Suunnittelun tuloksena ovat rakenteen tuotannolliseen valmistukseen soveltuvat työpiirustukset tarpeellisine työ- ja tarkastusohjeineen. Rakennemäärittelyjen ohella määritellään raaka-aineet ja valmistusprosessit. Muottien ja muiden työkalujen suunnittelu on niin ikään oleellinen osa yksityiskohtaista suunnittelua.

Kuva 9.1 Muovikomposiittirakenteen suunnitteluprosessi.

Rakenne kelpuutetaan osoittamalla, että se täyttää asetetut vaatimukset. Kelpuutusohjelma voi olla hyvinkin laaja, mikäli rakenteen rikkoutuminen aiheuttaa vakavia seurauksia. Vaativan rakenteen kelpuutusohjelmaan sisältyvät tyypillisesti materiaalien lujuusarvojen kokeellinen varmistaminen, rakenteen lujuusanalyysit sekä rakenteen kriittisille yksityiskohdille, osille ja rakennekokonaisuudelle tehtävät lujuus- ja toimintakokeet. Lujuuskokeisiin voi sisältyä staattisten kuormituskokeiden ohella mm. väsytys-, isku- ja värähtelykokeita. Koerakenteita voidaan käyttää myös osien valmistettavuuden, työpiirustusten ja ohjeiden toimivuuden varmistamiseen. Kelpuutuksen päättävät rakennekokonaisuuden käyttökokeet, joilla osoitetaan rakenteen toimivuus suunnitelluissa käyttöolosuhteissa.

Komposiittirakenteiden suunnittelu eroaa monin tavoin perinteisen metallirakenteen suunnittelusta. Tässä luvussa pääpaino on näiden erityispiirteiden kuvaamisessa. Rakennesuunnittelun yleiset periaatteet oletetaan tunnetuiksi.

Seuraava luku: 9.1    Suunnitteluprosessi