Studie oor die gelaagde uitbreidingsgedrag van gevorderde koolstofveselversterkte saamgestelde laminaatvelle

MEGANIKA EN INGENIEURSWESE - Numeriese Berekening en Data-analise
Meganika en Ingenieurswese — Numeriese Berekeninge en Data-analise 2019 Akademiese Konferensie, 19-21 April 2019, Beijing
19-21 April 2019, Beijing, China

Studie oor die gelaagde uitbreidingsgedrag van gevorderde koolstofveselversterkte saamgestelde laminaatvelle

Gong Yu^1*, Wang Yana², Peng Lei³, Zhao Libin⁴, Zhang Jianyu¹

¹Universiteit van Chongqing, Chongqing, 400044, China
²China Lugvaartnavorsingsinstituut Beijing Lugvaartmateriaalnavorsingsinstituut, Beijing, 100095, China
³China Kommersiële Vliegtuie Beijing Siviele Vliegtuig Tegnologie Navorsingsentrum, Beijing, 102211, China
⁴Beijing Universiteit van Lugvaartkunde en Ruimtevaartkunde, Beijing, 100191, China

AbstrakLaminaatstruktuur is een van die mees gebruikte saamgestelde konfigurasies vir komposiete, maar delaminasie word die hooffalingsmodus as gevolg van swak interlaminêre eienskappe. Navorsing oor die meerlaag-laminaatstratifikasie en uitbreidingsgedrag wat algemeen in ingenieurspraktyk gebruik word, was nog altyd 'n warm onderwerp vir geleerdes. In hierdie artikel word die navorsingsresultate van koolstofveselversterkte saamgestelde delaminasie in die Chongqing Universiteit en die Beijing Universiteit van Lugvaartkunde en Ruimtevaartkunde Moegheidsbreuklaboratorium vanuit twee aspekte van eksperimentele navorsing en numeriese simulasie bekendgestel. Laastens word die ontwikkelingsrigting van die veld geprospekteer.

Sleutelwoorde:koolstofveselversterkte komposiet, laminaat, delaminasie, moegheidsstratifikasie

inleiding

Saamgestelde materiale het uitstekende eienskappe soos hoë spesifieke sterkte en hoë spesifieke styfheid, en word wyd gebruik in lugvaart, energietegnologie, en siviele vervoer en konstruksie. Tydens die verwerking en gebruik van saamgestelde materiale sal die vesels en matriks verskillende grade van skade onder las ondergaan. Algemene mislukkingsmodusse vir saamgestelde laminate sluit in tussenlaagskade en skade binne lae. As gevolg van die gebrek aan versterking in die dikterigting, is die laterale meganiese eienskappe van die laminaat swak, en delaminasieskade is hoogs waarskynlik onder eksterne impakbelastings. Die voorkoms en uitbreiding van gestratifiseerde skade sal lei tot 'n afname in strukturele styfheid en sterkte, en selfs katastrofiese ongelukke veroorsaak.^[1-3]Daarom word die delaminasieprobleem al hoe meer gemoeid deur die strukturele ontwerp en sterkte-analise van saamgestelde materiale, en dit is nodig om die gelaagde uitbreidingsgedrag van saamgestelde materiale te bestudeer.^[4].

Navorsing oor gelaagde uitbreidingsgedrag van laminaat
1. Eksperimentele studie

Interlaminêre breuktaaiheid is 'n kenmerkende parameter van die meganiese eienskappe tussen saamgestelde lae. Ooreenstemmende toetsstandaarde is vasgestel vir die bepaling van interlaminêre breuktaaiheid van Tipe I, Tipe II en I/II hibriede unidireksionele laminate. Die ooreenstemmende toetsapparaat word in Figuur 1 getoon. Die multidireksionele laminate van saamgestelde materiale word egter dikwels in die werklike ingenieursstruktuur gebruik. Daarom het die eksperimentele studie oor die stratifikasie- en uitbreidingsgedrag van multidireksionele laminate belangriker teoretiese betekenis en ingenieurswaarde. Multilaag-laminaatlaaginisiasie en -uitsetting vind plaas tussen koppelvlakke met arbitrêre laaghoeke, en die gelaagde uitbreidingsgedrag verskil aansienlik van dié van unidireksionele laminate, en die uitbreidingsmeganisme is meer ingewikkeld. Navorsers het relatief min eksperimentele studies oor multidireksionele laminate, en die bepaling van interlaminêre breuktaaiheid het nog nie 'n internasionale standaard vasgestel nie. Die navorsingspan het T700 en T800 koolstofvesel gebruik om 'n verskeidenheid saamgestelde laminate met verskillende koppelvlak-opleghoeke te ontwerp, en het die invloed van koppelvlak-opleghoek en veselbrugging op statiese en moegheidsdelamineringsgedrag bestudeer. Daar is gevind dat veselbrugging wat deur die agterste rand van die laag gevorm word, 'n groot invloed op die interlaminêre breuktaaiheid het. Soos die stratifikasie uitbrei, sal die interlaminêre breuktaaiheid geleidelik toeneem vanaf 'n laer aanvanklike waarde, en wanneer die stratifikasie 'n sekere lengte bereik, bereik dit 'n stabiele waarde, dit wil sê die R-weerstandskurwe-verskynsel. Die aanvanklike breuktaaiheid van die tussenlaag is amper gelyk en ongeveer gelyk aan die breuktaaiheid van die hars, wat afhang van die breuktaaiheid van die matriks self.^{[5, 6]}Die interlaminêre breuktaaiheid-uitbreidingswaardes van verskillende koppelvlakke verskil egter baie. 'n Beduidende koppelvlaklaaghoekafhanklikheid word aangebied. In reaksie op hierdie afhanklikheid het Zhao et al.^[5]Gebaseer op die fisiese meganisme van die gestratifiseerde weerstandsbron, word daar beskou dat die interlaminêre breuktaaiheidsstabiliteitswaarde uit twee dele bestaan, een deel is die breukwerk van die onverwante laag-koppelvlak, en die ander deel is die intralaag-skade en vesel. Die werk van breuk veroorsaak deur oorbrugging. Deur die eindige elementanalise van die spanningsfrontveld van die gelaagde front, word gevind dat die tweede deel van die breukwerk afhang van die diepte van die delaminasiefront-skadesone (soos getoon in Figuur 3), en die diepte van die skadesone is eweredig aan die koppelvlak-opleghoek. 'n Teoretiese model van die I-tipe breuktaaiheidsstabiliteitswaarde uitgedruk deur die sinusvormige funksie van die koppelvlaklaaghoek word aangebied.
Gong et al.^[7]het die I/II hibriede stratifikasietoets onder verskillende mengverhoudings uitgevoer en gevind dat die I/II hibriede stratifikasie in die laminaat ook beduidende R-weerstandskurwe-eienskappe het. Deur die analise van die breuktaaiheid tussen verskillende toetsstukke, is gevind dat die aanvanklike waarde en die stabiele waarde van die interlaminêre breuktaaiheid van die toetsstuk aansienlik toeneem met die toename van die mengverhouding. Daarbenewens kan die aanvanklike en stabiele breuktaaiheid van die tussenlaag onder verskillende mengverhoudings beskryf word deur die BK-kriterium.
In terme van moegheidsstratifikasie, is beduidende veselbrugging ook tydens die toets waargeneem. Deur die analise van die toetsdata is gevind dat die moegheidsdelaminasie-uitsetting van die saamgestelde materiaal beïnvloed word deur die "weerstandskurwe", sodat die tradisionele moegheidsstratifikasie-uitsettingstempomodel en die drempelwaarde nie meer van toepassing is nie. Op grond van teoretiese analise het Zhang en Peng^[4,8,9]het die moegheidsdelaminasie-uitbreidingsweerstand bekendgestel om die energie wat benodig word vir die moegheidsdelaminasie-uitbreiding van saamgestelde materiale uit te druk, en verder die genormaliseerde spanningsenergie voorgestel. Die vrystellingstempo is die moegheidsgestratifiseerde uitbreidingstempomodel en drempelwaarde van die beheerparameters. Die toepaslikheid van die model en die genormaliseerde drempelparameter word deur eksperimente geverifieer. Verder het Zhao et al.^[3]het die effekte van veselbrugging, spanningsverhouding en ladingmengverhouding op moegheidsstratifikasie en uitbreidingsgedrag omvattend oorweeg, en 'n genormaliseerde moegheidsgestratifiseerde uitbreidingstempomodel opgestel wat die invloed van die spanningsverhouding in ag neem. Die akkuraatheid van die model is geverifieer deur moegheidsstratifikasietoetse met verskillende spanningsverhoudings en mengverhoudings. Vir die fisiese hoeveelheid moegheidsgestratifiseerde uitbreidingsweerstand in die genormaliseerde moegheidsgestratifiseerde uitbreidingstempomodel, het Gong et al.^[1]oorkom die swakheid van die berekeningsmetode wat slegs beperkte diskrete datapunte deur eksperimente kan verkry, en vasstel moegheid vanuit die energie-oogpunt. 'n Analitiese model vir die berekening van gestratifiseerde uitgebreide weerstand. Die model kan die kwantitatiewe bepaling van moegheidsstratifikasie en uitbreidingsweerstand realiseer, en bied teoretiese ondersteuning vir die toepassing van die voorgestelde genormaliseerde moegheidsstratifiseerde uitbreidingstempomodel.

Figuur 1 gestratifiseerde toetstoesteldiagram

Figuur 2 R-weerstandskurwe vir tussenlaagbreuktaaiheid^[5]


Figuur 3 Gelaagde voorrandskadesone en gestratifiseerde uitgebreide morfologie^[5]

2. Numeriese simulasiestudie

Die numeriese simulasie van gelaagde uitbreiding is 'n belangrike navorsingsinhoud op die gebied van saamgestelde struktuurontwerp. Wanneer die delaminasieversaking van saamgestelde unidireksionele laminate voorspel word, gebruik die bestaande stratifikasie-uitbreidingskriteria gewoonlik konstante interlaminêre breuktaaiheid as die basiese prestasieparameter.^[10], deur die kraakpunt-energievrystellingstempo en interlaminêre breuktaaiheid te vergelyk. Grootte om te bepaal of die lae uitbrei. Die mislukkingsmeganisme van multirigtinglaminate is kompleks.^[11,12], wat gekenmerk word deur beduidende R-weerstandskurwes^[5,13]Die bestaande gelaagde uitbreidingskriteria neem nie hierdie kenmerk in ag nie en is nie van toepassing op die simulasie van die delamineringsgedrag van veselbevattende brugvormige multidireksionele laminate nie. Gong et al.^{[10, 13]}het die bestaande gestratifiseerde uitbreidingskriteria verbeter en voorgestel om die R-weerstandskurwe in die kriteria in te sluit, en gebaseer hierop, 'n gestratifiseerde uitbreidingskriterium vasgestel wat die effekte van veselbrugging in ag neem. Die definisie en gebruiksparameters van die bilineêre konstitutiewe kohesiewe eenheid is sistematies bestudeer deur numeriese metodes, insluitend die aanvanklike koppelvlakstyfheid, koppelvlaksterkte, viskositeitskoëffisiënt en die minimum aantal elemente in die kohesiewe kragsone. Die ooreenstemmende kohesiewe eenheidsparametermodel is vasgestel. Laastens word die effektiwiteit en toepaslikheid van die verbeterde gelaagde uitbreidingskriterium en kohesiewe eenheidsparametermodel geverifieer deur statiese stratifikasietoets. Die verbeterde kriteria kan egter slegs gebruik word vir eendimensionele gelaagde simulasies as gevolg van posisionele afhanklikhede en nie vir twee- of driedimensionele hiërargiese uitbreidings nie. Om hierdie probleem op te los, het die outeur verder 'n nuwe trilineêre kohesiewe kragkonstitutief voorgestel wat veselbrugging in ag neem.^[14]Die konstitutiewe verhouding pas by die komplekse proses van gelaagde uitbreiding vanuit 'n mikroskopiese perspektief, en het die voordele van eenvoudige parameters en duidelike fisiese betekenis.
Daarbenewens, om die gestratifiseerde migrasieverskynsel wat algemeen voorkom in die stratifikasieproses van multirigtinglaminate akkuraat te simuleer^[11,12], Zhao et al.^[11,12]het 'n kraakpad-leidingsmodel voorgestel gebaseer op uitgebreide eindige elemente, wat 'n spesiale ontwerp simuleer. Hiërargiese migrasie in 'n saamgestelde stratifikasietoets. Terselfdertyd word 'n gelaagde uitbreidingsmodel voorgestel vir die sigsag-gelaagde uitbreidingsgedrag langs die 90°/90° gelaagde koppelvlak, wat die gelaagde uitbreidingsgedrag van die 90°/90° koppelvlak akkuraat simuleer.

Figuur 4 Numeriese simulasie van gelaagde migrasie en eksperimentele resultate^[15]

Gevolgtrekking

Hierdie artikel fokus op die navorsingsresultate van hierdie groep op die gebied van saamgestelde laminaatdelaminering. Die eksperimentele aspekte sluit hoofsaaklik die invloed van die koppelvlakopleghoek en veselbrugging op die statiese en moegheidsdelamineringsuitbreidingsgedrag in. Deur 'n groot aantal eksperimentele studies is gevind dat die multirigting-laminaatfalingsmeganisme van saamgestelde materiale ingewikkeld is. Veselbrugging is 'n algemene verhardingsmeganisme van multirigtinglaminate, wat die hoofrede is vir die R-weerstandskurwe van interlaminêre breuktaaiheid. Tans is die R-weerstandskurwe-studie onder die II-stratifikasie relatief gebrekkig en benodig verdere navorsing. Vanuit die falingsmeganisme word die moegheidsstratifikasiemodel, insluitend verskeie beïnvloedende faktore, voorgestel, wat 'n rigting van moegheidsstratifikasienavorsing is. In terme van numeriese simulasie het die navorsingsgroep 'n verbeterde hiërargiese uitbreidingskriterium en 'n samehangende konstitutiewe model voorgestel om die invloed van veselbrugging op die gestratifiseerde uitbreidingsgedrag te oorweeg. Daarbenewens word die uitgebreide eindige element gebruik om die hiërargiese migrasieverskynsel beter te simuleer. Hierdie metode elimineer die behoefte aan fyn seldeling, wat die probleme wat met maasherverdeling verband hou, uitskakel. Dit het unieke voordele in die simulasie van die stratifikasie van arbitrêre vorms, en meer ingenieurstoepassingsnavorsing van hierdie metode is in die toekoms nodig.^[16].

Verwysings

[1] Y Gong, L Zhao, J Zhang, N Hu. 'n Nuwe model vir die bepaling van die weerstand teen moegheidsdelaminering in saamgestelde laminate vanuit 'n energie-oogpunt. Compos Sci Technol 2018; 167: 489-96.
[2] L Zhao, Y Wang, J Zhang, Y Gong, N Hu, N Li. XFEM-gebaseerde model vir die simulasie van sigsag-delamineringsgroei in gelamineerde komposiete onder modus I-belasting. Compos Struct 2017; 160: 1155-62.
[3] L Zhao, Y Gong, J Zhang, Y Wang, Z Lu, L Peng, N Hu. 'n Nuwe interpretasie van moegheidsdelaminasiegroeigedrag in CFRP multidireksionele laminate. Compos Sci Technol 2016; 133: 79-88.
[4] L Peng, J Zhang, L Zhao, R Bao, H Yang, B Fei. Modus I delaminasiegroei van multidireksionele saamgestelde laminate onder moegheidsbelasting. J Compos Mater 2011; 45: 1077-90.
[5] L Zhao, Y Wang, J Zhang, Y Gong, Z Lu, N Hu, J Xu. 'n Koppelvlak-afhanklike model van plato-breuktaaiheid in multidireksionele CFRP-laminate onder modus I-belasting. Komposiete Deel B: Ingenieurswese 2017; 131: 196-208.
[6] L Zhao, Y Gong, J Zhang, Y Chen, B Fei. Simulasie van delaminasiegroei in multidireksionele laminate onder modus I en gemengde modus I/II ladings met behulp van kohesiewe elemente. Compos Struct 2014; 116: 509-22.
[7] Y Gong, B Zhang, L Zhao, J Zhang, N Hu, C Zhang. R-krommegedrag van die gemengde-modus I/II-delaminering in koolstof/epoksilaminate met unidireksionele en multidireksionele koppelvlakke. Compos Struct 2019. (Onder hersiening).
[8] L Peng, J Xu, J Zhang, L Zhao. Gemengde modus delaminasiegroei van multidireksionele saamgestelde laminate onder moegheidsbelasting. Eng Fract Mech 2012; 96: 676-86.
[9] J Zhang, L Peng, L Zhao, B Fei. Groeikoerse en drempels vir moegheidsdelaminering van saamgestelde laminate onder gemengde modusbelasting. Int J Fatigue 2012; 40: 7-15.
[10] Y Gong, L Zhao, J Zhang, Y Wang, N Hu. Delaminasie-voortplantingskriterium, insluitend die effek van veselbrugging vir gemengde-modus I/II-delaminasie in CFRP multidireksionele laminate. Compos Sci Technol 2017; 151: 302-9.
[11] Y Gong, B Zhang, SR Hallett. Delaminasiemigrasie in multidireksionele saamgestelde laminate onder modus I kwasi-staties en moegheidsbelasting. Compos Struct 2018; 189: 160-76.
[12] Y Gong, B Zhang, S Mukhopadhyay, SR Hallett. Eksperimentele studie oor delaminasiemigrasie in multidireksionele laminate onder modus II statiese en moegheidsbelasting, met vergelyking met modus I. Compos Struct 2018; 201: 683-98.
[13] Y Gong, L Zhao, J Zhang, N Hu. 'n Verbeterde magswetkriterium vir die delaminasievoortplanting met die effek van grootskaalse veselbrugging in saamgestelde multidireksionele laminate. Compos Struct 2018; 184: 961-8.
[14] Y Gong, Y Hou, L Zhao, W Li, G Yang, J Zhang, N Hu. 'n Nuwe drie-lineêre kohesiewe sonemodel vir die delaminasiegroei in DCB-laminate met die effek van veselbrugging. Compos Struct 2019. (Moet ingedien word)
[15] L Zhao, J Zhi, J Zhang, Z Liu, N Hu. XFEM-simulasie van delaminasie in saamgestelde laminate. Komposiete Deel A: Toegepaste Wetenskap en Vervaardiging 2016; 80: 61-71.
[16] Zhao Libin, Gong Yu, Zhang Jianyu. Navorsingsvordering oor gestratifiseerde uitbreidingsgedrag van veselversterkte saamgestelde laminate. Tydskrif vir Lugvaartwetenskappe 2019: 1-28.

Bron:Gong Yu, Wang Yana, Peng Lei, Zhao Libin, Zhang Jianyu. Studie oor gestratifiseerde uitbreidingsgedrag van gevorderde koolstofveselversterkte saamgestelde laminate [C]. Meganika en Ingenieurswese - Numeriese Berekening en Data-analise 2019 Akademiese Konferensie. Chinese Vereniging van Meganika, Beijing Meganika Vereniging, 2019. deur ixueshu