Производители любят хвастаться укладкой углеродного волокна, поэтому компания Cyclist решила выяснить, что это значит и как это влияет на производительность
Велосипед, само собой разумеется, лучший подарок на Рождество, но, за исключением, пожалуй, щенка, его еще и труднее всего завернуть. Так что жаль бедного дизайнера рамы, который должен оборачивать и драпировать сложные изгибы рамы так, чтобы после запекания и отделки рама обеспечивала желаемое ощущение езды. Конструкция рамы из углеродного волокна представляет собой сложную 3D-головоломку, которая затмевает кубик Рубика.
Прелесть карбона в том, что, в отличие от металла, несколько частей могут быть наслоены с разной степенью пересечения и перекрытия, чтобы обеспечить очень жесткий контроль над рабочими характеристиками и прочностью, необходимой в любой точке рамы велосипеда. Недостатком является то, что углерод анизотропен - он прочнее в одном направлении, чем в другом, как и древесина, а это означает, что прочность зависит от направления волокон. Чтобы углерод мог нести значительные нагрузки, силы должны быть направлены вдоль его волокон, что делает направление волокон абсолютно решающим. Составляющие части велосипедной рамы испытывают силы в нескольких направлениях, а это означает, что углеродные волокна также должны двигаться в нескольких направлениях. Вот почему в разных слоях волокна располагаются под разными углами, обычно 0° (в линию), +45°, -45°, +90° и -90°, а также под любым углом, выбранным дизайнерами, если он создаст желаемые характеристики..
В глубине
Так обстоит дело со всеми карбоновыми рамами. Под блестящей внешностью находится множество слоев углеродного волокна, жесткость, прочность, форма, размеры, положения и ориентация которых были тщательно спланированы, как правило, с помощью пакетов компьютерного программного обеспечения и опыта инженеров. Это известно как график простоя или просто простоя. Когда карбоновая головоломка будет завершена, велосипед должен быть легким, отзывчивым, экономичным и способным выдерживать самые экстремальные нагрузки при езде на велосипеде.
Профессор Дэн Адамс, директор лаборатории механики композитов в Университете штата Юта в Солт-Лейк-Сити, сам увлеченный велосипедист и принимавший участие в разработке первых карбоновых рам Trek, говорит, что создание чего-либо из карбона - это все. о правильном графике простоя. «Он определяет ориентацию отдельных слоев или слоев углеродно-эпоксидного препрега, уложенных друг на друга для получения конечной толщины детали», - говорит он. «Некоторые части рамы легче укладывать, чем другие. Трубы относительно просты, но соединения между ними представляют собой одни из самых сложных укладок слоев, которые вы увидите в производственных деталях в любой отрасли, в которой используется углерод в конструкции, включая аэрокосмическую и автомобильную»..
Анизотропная природа углерода также делает выбор правильного углерода крайне важным. Проще говоря, есть два способа доставки углерода. В однонаправленном (UD) все углеродные волокна идут в одном направлении, параллельно друг другу. Альтернативой UD является тканая ткань или «ткань». У него есть волокна, которые идут в двух направлениях, идя друг под другом и друг над другом под прямым углом, что придает классический вид углеродному волокну. В самой простой ткани, известной как полотняное переплетение, волокна переплетаются снизу и сверху при каждом пересечении (называемом «1/1»), образуя сетчатый узор. Есть много других возможных моделей плетения. Саржа (2/2) немного свободнее, поэтому ее легче драпировать, и ее легко узнать по диагональному рисунку, который выглядит как шевроны.
Модуль (мера эластичности) волокна также имеет основополагающее значение для данной укладки. Модуль определяет, насколько жестким является волокно. Волокно со стандартным модулем, рассчитанное на 265 гигапаскалей (ГПа), менее жесткое, чем волокно со средним модулем, рассчитанное на 320 ГПа. Для изготовления компонентов той же жесткости требуется меньше углерода с более высоким модулем, что приводит к более легкому продукту. Таким образом, волокна с более высоким модулем упругости могут показаться предпочтительным выбором, но есть одна загвоздка. Можно провести аналогию с резинкой и куском спагетти. Резиновая лента очень эластична (имеет низкий модуль упругости), ее можно согнуть с очень небольшим усилием, но она не порвется, а после изгиба вернется к своей первоначальной форме. Спагетти, с другой стороны, очень жесткие (высокий модуль), поэтому они будут сопротивляться деформации до определенной степени, а затем просто сломаются. Отделы маркетинга часто хвастаются включением определенного модуля модуля волокна в последнюю конструкцию рамы, но в большинстве случаев велосипедная рама представляет собой тщательный баланс нескольких типов модуля в укладке, чтобы обеспечить желаемое сочетание жесткости, долговечности и гибкости..
Есть еще одна переменная, которую следует учитывать. Одна нить углеродного волокна очень тонкая - намного тоньше человеческого волоса, поэтому они связаны вместе, образуя то, что называется «жгутом». Для велосипедов жгут может содержать от 1 000 до 12 000 прядей, хотя чаще всего используется 3 000 (обозначается как 3K).
Волокно это, волокно то
Это основы, но создание раскладки усложняется. «С точки зрения чистой прочности и жесткости идеальный композит должен иметь максимально возможную пропорцию волокна к смоле и наименьший изгиб волокна», - говорит доктор Питер Гиддингс, инженер-исследователь из Национального центра композитов в Бристоле. много лет работал с велосипедами и участвовал в гонках на них. «Однонаправленные волокна, по крайней мере теоретически, являются лучшим выбором для этого. Материалы UD имеют повышенное отношение жесткости к весу в направлении волокна. К сожалению, UD-композиты более подвержены повреждениям, и, будучи поврежденными, имеют больше шансов выйти из строя, чем тканые ткани».
Изготовление рамы исключительно из углеродных слоев UD привело бы к созданию опасно хрупкого велосипеда, не говоря уже о непомерно дорогом из-за затрат на материалы и человеко-часы. Следовательно, тканый углерод доминирует и является очевидным выбором для любых областей, где есть крутые изгибы и сложные формы соединений. Более того, людям нравится его внешний вид. «С эстетической точки зрения считается, что тканые материалы выглядят лучше, чем однонаправленные материалы, а общественное восприятие композита - это тканая ткань», - говорит Гиддингс. «На самом деле, многие производители красят [таким образом, скрывая] области, где конструкция рамы не позволяет создать гладкий, тканый вид».
Простота изготовления также должна учитываться в графике укладки с учетом трудозатрат. Для сложных соединений и форм потребуется гораздо больше времени, чтобы создать идеальную укладку с волокнами UD. Это еще одна причина, по которой тканые ткани являются предпочтительным выбором большинства производителей карбоновых велосипедов. «С тканью легче работать, чем с UD, и требуется меньше навыков, чтобы придать ей требуемую форму», - говорит Гиддингс. «UD имеет тенденцию расщепляться или перегибаться вокруг сложных форм. Ткани со свободным плетением легче прилегают друг к другу, а общая прочность конструкции меньше подвержена влиянию незначительных производственных дефектов.’
Производители, скорее всего, выберут накладку из тканого углерода в самых сложных местах, таких как каретка и соединения рулевой трубы, но это все еще не так просто, как кажется, потому что есть еще один фактор, который следует учитывать. «Вы хотите сохранить непрерывность ориентации волокон не только вокруг соединений, но и за их пределами», - говорит Пол Реми, велосипедный инженер Scott Sports. «В местах соединения, таких как нижняя скоба, могут быть сложные изгибы, поэтому вам нужно подумать о том, как сохранить ориентацию волокон, чтобы передать нагрузку на них».
Именно здесь разработчики рам, такие как Реми, благодарны компьютерным наукам за помощь. В прошлом единственным способом узнать, как различные изменения графика укладки могут повлиять на конечный результат, было создание и тестирование нескольких прототипов, но теперь график укладки может быть протестирован с очень высокой степенью точности с помощью компьютеров до того, как одна прядь волокна коснулась рамной формы.
«Раньше было очень трудно понять, как изменение всего лишь одной части компоновки повлияет на производительность рамы», - говорит Реми.
Боб Парли, основатель компании Parlee Cycles из Массачусетса, с любовью вспоминает те старые времена, когда компьютеры еще не занимались расчетами: «Если вы понимаете нагрузки на ферменную конструкцию, например, на раму, укладка не представляет сложности., так что первоначально я мог проработать их сам в своей голове.» С тех пор Парли признал, что компьютерный анализ конечных элементов (FEA) имеет свое место. «Первоначально я не стал делать отверстия в трубах рамы [для точек ввода кабеля или крепления флягодержателя], потому что они были потенциальными слабыми местами, но теперь FEA говорит нам, что нужно сделать, чтобы усилить это отверстие», - говорит он.
Увеличение вычислительной мощности вместе с все более совершенным программным обеспечением позволяет инженерам анализировать множество виртуальных моделей за короткое время и расширять границы дизайна и материалов. По словам инженера-конструктора Specialized Криса Миртенса, «Итерация - это название игры. Инструменты FEA создают репрезентативную модель рамы, и цель состоит в том, чтобы учесть каждое волокно. Программное обеспечение позволяет мне проектировать каждый слой на основе модели оптимизации для 17 загружений, которые у нас есть для каркаса модели».
Это означает, что программное обеспечение указывает Миртенсу, сколько углерода должно быть в каждой области рамы, а также оптимальную ориентацию волокон. Однако мастерство заключается в том, чтобы знать, что возможно, а что невозможно при отложении углерода. Иногда компьютер выдает идеалы, далекие от идеала. «Большую часть времени я смотрю на это и говорю: «Мы никак не можем этого сделать», - говорит Миртенс. «Потом я занимаюсь программным обеспечением для драпировки ламината, чтобы нарезать виртуальные слои и драпировать их на виртуальной оправке, основываясь на производственных возможностях и оптимизации ламината».
Даже с помощью компьютерного программного обеспечения расшифровка может занять несколько дней, и до окончательного определения раскладки еще далеко. Одним из аспектов, в котором человеческий фактор имеет важное значение, является обеспечение того, чтобы правильный сорт волокна использовался в нужном месте. Миртенс говорит: «Волокно 0° очень жесткое, но не обладает хорошей ударной вязкостью, поэтому, чтобы сохранить стойкость композита к повреждениям, мы должны избегать размещения слишком большого количества материала в таких местах, как дно нижней трубы. К этому моменту я буду знать, какие формы слоев мне нужны, но теперь я хочу знать, сколько слоев каждого слоя. Итак, я запускаю другую программу оптимизации, которая говорит мне, какой толщины я должен их сделать - по сути, количество слоев. Он будет анализировать от 30 до 50 комбинаций слоев. Мы пройдем цикл виртуальной драпировки и оптимизации четыре или пять раз, каждый раз немного подстраивая слои. Но в какой-то момент нам нужно нажать «Go» и отправить его».
Полное руководство
График укладки подобен трехмерной карте, подробно описывающей каждый кусок формованного углерода в каждом слое. «Рама разделена на девять зон: два перья сиденья, два нижних перья, нижний кронштейн, сиденье, верхняя часть, головная и нижняя трубы», - говорит Миртенс.«Мы указываем датум, который является осью, для каждой зоны. Затем ориентация каждого куска углерода в зоне соотносится с этой исходной точкой. Нижняя труба может иметь слои под углами 45°, 30° и 0° относительно местной исходной точки. Как правило, более прочный материал используется вне оси, под углом. Материал с более высоким модулем упругости, который мы используем в осевом направлении, под углом 0°.’
Результирующий файл может иметь размер до 100 МБ и в конечном итоге передается на завод. Каждый рабочий на фабрике получает только ту часть кадра, за создание которой он отвечает. Это еще не последний производственный цикл. На данном этапе построенная рама является прототипом, и ее необходимо протестировать, чтобы убедиться, что в результате цифровой компоновки получается рама, которая работает на практике. Ультразвук, рентгенологическое исследование и физическая диссекция позволяют определить толщину ламината. В других местах полимерная матрица будет сожжена, чтобы выявить качество ламинирования и возможность миграции материала или волокон. Испытания на изгиб должны показать те же результаты, что и анализ МКЭ. В конце концов, это человек, который выходит на дорогу.
«Езда на велосипеде - это единственный способ, которым мы можем по-настоящему измерить его», - говорит Боб Парли. «Мы можем провести тесты на изгиб и нагрузку, но нам нужно выйти и прокатиться на нем, чтобы увидеть, работает ли он так, как мы хотим». Когда модель проходит проверку, производство, наконец, получает зеленый свет.
Большая часть производства велосипедов происходит на Дальнем Востоке, и это придает еще большее значение графику простоя. Детализированный план, если следовать ему буквально, должен гарантировать, что продукты, выходящие из этих крупных заводов, будут идентичными близнецами тех, которые были протестированы и переданы на стадию финального прототипа. Конечно, большинство брендов постоянно тестируют и повторно тестируют производственные рамы, чтобы обеспечить согласованность, чтобы велосипеды, поступающие в магазины, соответствовали ожиданиям клиентов. В большинстве случаев производители также могут проследить весь путь рамы, вплоть до происхождения самых первых нитей волокна. Об этом стоит подумать в следующий раз, когда вы будете стоять и восхищаться своей гордостью и радостью.
