MEXANİKA VƏ MÜHENDİSLİK - Ədədi Hesablamalar və Məlumatların Təhlili
Mexanika və Mühəndislik — Rəqəmsal Hesablamalar və Məlumatların Təhlili 2019 Akademik Konfransı, 19-21 aprel 2019-cu il, Pekin
19-21 aprel 2019-cu il, Pekin, Çin
Təkmil Karbon Fiberlə Gücləndirilmiş Kompozit Laminatlar Vərəqinin Laylı Genişlənmə Davranışı üzrə Tədqiqat
Qonq Yu1*, Wang Yana2, Peng Lei3, Zhao Libin4, Zhang Jianyu1
1Chongqing Universiteti, Chongqing, 400044, Çin
2Çin Aviasiya Tədqiqat İnstitutu Pekin Aeronavtika Materialları Tədqiqat İnstitutu, Pekin, 100095, Çin
3Çin Ticarət Təyyarələri Pekin Mülki Təyyarə Texnologiyası Araşdırma Mərkəzi, Pekin, 102211, Çin
4Pekin Aeronavtika və Astronavtika Universiteti, Pekin, 100191, Çin
mücərrədLaminatın strukturu kompozitlər üçün ən çox istifadə edilən kompozit konfiqurasiyalardan biridir, lakin zəif interlaminar xüsusiyyətlərə görə delaminasiya onun əsas uğursuzluq rejiminə çevrilir. Mühəndislik təcrübəsində geniş istifadə olunan çoxqatlı laminat təbəqələşməsi və genişlənmə davranışı ilə bağlı araşdırmalar həmişə alimlər üçün aktual mövzu olmuşdur. Bu yazıda Chongqing Universitetində və Pekin Universitetinin Aeronavtika və Astronavtika Yorğunluğun Qırılması Laboratoriyasında karbon lifi ilə gücləndirilmiş kompozit delaminasiyanın tədqiqat nəticələri eksperimental tədqiqat və ədədi simulyasiyanın iki aspektindən təqdim olunur. Nəhayət, yatağın işlənmə istiqaməti proqnozlaşdırılır.
Açar sözlər:karbon lifi ilə gücləndirilmiş kompozit, laminat, delaminasiya, yorğunluq təbəqələşməsi
giriş
Kompozit materiallar yüksək xüsusi möhkəmlik və yüksək xüsusi sərtlik kimi əla xüsusiyyətlərə malikdir və aerokosmik, enerji texnologiyası, mülki nəqliyyat və tikinti sahələrində geniş istifadə olunur. Kompozit materialların emalı və istifadəsi zamanı liflər və matris yük altında müxtəlif dərəcəli zədələrə məruz qalacaq. Kompozit laminatlar üçün ümumi uğursuzluq rejimlərinə təbəqələrarası zədələnmələr və təbəqələr daxilində zərər daxildir. Qalınlıq istiqamətində armaturun olmaması səbəbindən laminatın yanal mexaniki xüsusiyyətləri zəifdir və xarici təsir yükləri altında delaminasiya zədələnməsinin baş vermə ehtimalı yüksəkdir. Stratifikasiya edilmiş zədələnmələrin baş verməsi və genişlənməsi strukturun möhkəmliyinin və möhkəmliyinin azalmasına gətirib çıxaracaq və hətta fəlakətli qəzalara səbəb olacaqdır.[1-3]. Buna görə də, delaminasiya problemi kompozit materialların struktur dizaynı və möhkəmlik təhlili ilə getdikcə daha çox maraqlanır və kompozit materialların laylı genişlənmə davranışını öyrənmək lazımdır.[4].
Laminatın laylı genişlənmə davranışının tədqiqi
1. Eksperimental tədqiqat
İnterlaminar qırılma möhkəmliyi kompozit təbəqələr arasında mexaniki xassələrin xarakterik parametridir. Tip I, II və I/II hibrid biristiqamətli laminatların interlaminar qırılma möhkəmliyinin təyini üçün müvafiq sınaq standartları müəyyən edilmişdir. Müvafiq sınaq aparatı Şəkil 1-də göstərilmişdir. Bununla belə, kompozit materialların çox istiqamətli laminatları faktiki mühəndislik strukturunda tez-tez istifadə olunur. Buna görə də, çox istiqamətli laminatların təbəqələşmə və genişlənmə davranışı üzrə eksperimental tədqiqat daha mühüm nəzəri əhəmiyyətə və mühəndislik dəyərinə malikdir. Çox qatlı laminat təbəqəsinin başlanğıcı və genişlənməsi ixtiyari təbəqələşmə açıları olan interfeyslər arasında baş verir və laylı genişlənmə davranışı bir istiqamətli laminatlardan əhəmiyyətli dərəcədə fərqlidir və genişləndirmə mexanizmi daha mürəkkəbdir. Tədqiqatçıların çoxistiqamətli laminatlar üzrə nisbətən az eksperimental tədqiqatları var və interlaminar qırılma sərtliyinin təyini hələ beynəlxalq standart yaratmayıb. Tədqiqat qrupu, müxtəlif interfeys layout bucaqları ilə müxtəlif kompozit laminatların dizaynı üçün T700 və T800 karbon lifindən istifadə etdi və interfeys layout bucağının və lif körpüsünün statik və yorğun delaminasiya davranışına təsirini öyrəndi. Müəyyən edilmişdir ki, təbəqənin arxa kənarından əmələ gələn lif körpüsü təbəqələrarası qırılma möhkəmliyinə böyük təsir göstərir. Stratifikasiya genişləndikcə təbəqələrarası qırılma sərtliyi daha aşağı ilkin qiymətdən tədricən artacaq və təbəqələşmə müəyyən uzunluğa çatdıqda sabit qiymətə, yəni R müqavimət əyrisi fenomeninə çatır. Ara təbəqənin ilkin qırılma möhkəmliyi demək olar ki, bərabərdir və matrisin özünün qırılma möhkəmliyindən asılı olan qatranın qırılma möhkəmliyinə təxminən bərabərdir.[5, 6]. Bununla birlikdə, müxtəlif interfeyslərin interlaminar qırılma möhkəmliyinin uzadılması dəyərləri çox dəyişir. Əhəmiyyətli interfeys lay bucağı asılılığı təqdim olunur. Bu asılılığa cavab olaraq, Zhao et al.[5]təbəqəli müqavimət mənbəyinin fiziki mexanizminə əsaslanaraq, laminar qırılma möhkəmliyinin dayanıqlığının qiymətinin iki hissədən ibarət olduğu, bir hissəsinin əlaqəsiz təbəqə interfeysinin qırılma işi, digər hissəsinin isə qatdaxili zədələnmə və lif olduğu hesab edilir. Körpüləmə nəticəsində yaranan qırılma işi. Laylı cəbhənin gərginlik ön sahəsinin sonlu elementlərin təhlili nəticəsində məlum olur ki, qırılma işinin ikinci hissəsi delaminasiya cəbhəsinin zədələnmə zonasının dərinliyindən asılıdır (Şəkil 3-də göstərildiyi kimi), zədələnmə zonasının dərinliyi isə interfeysin düzülmə bucağına mütənasibdir. İnterfeys təbəqəsinin bucağının sinusoidal funksiyası ilə ifadə olunan I tipli qırılma möhkəmliyinin sabitlik dəyərinin nəzəri modeli təqdim olunur.
Gong və başqaları.[7]müxtəlif qarışdırma nisbətləri altında I/II hibrid təbəqələşmə testini həyata keçirdi və aşkar etdi ki, laminatdakı I/II hibrid təbəqələşmə də əhəmiyyətli R müqavimət əyri xüsusiyyətlərinə malikdir. Müxtəlif sınaq parçaları arasında qırılma möhkəmliyinin təhlili nəticəsində müəyyən edilmişdir ki, qarışıq əmsalının artması ilə sınaq parçasının təbəqələrarası qırılma möhkəmliyinin ilkin qiyməti və sabit qiyməti əhəmiyyətli dərəcədə artır. Bundan əlavə, müxtəlif qarışdırma nisbətləri altında interlayerin ilkin və sabit qırılma möhkəmliyi BK meyarı ilə təsvir edilə bilər.
Yorğunluq təbəqələşməsi baxımından, sınaq zamanı əhəmiyyətli lif körpüsü də müşahidə edildi. Test məlumatlarının təhlili nəticəsində müəyyən edilmişdir ki, kompozit materialın yorğunluq delaminasiyasının genişlənməsi "müqavimət əyrisi" tərəfindən təsirlənir, belə ki, ənənəvi yorğunluq təbəqələşməsinin genişlənmə sürəti modeli və hədd dəyəri artıq tətbiq olunmur. Nəzəri təhlil əsasında Zhang və Penq[4,8,9]kompozit materialların yorğunluq delaminasiyası genişlənməsi üçün tələb olunan enerjini ifadə etmək üçün yorğunluq delaminasiyasının genişlənməsi müqavimətini təqdim etdi və daha sonra normallaşdırılmış gərginlik enerjisini təklif etdi. Buraxılma dərəcəsi yorğunluq təbəqəli genişlənmə sürəti modeli və nəzarət parametrlərinin həddi dəyəridir. Modelin və normallaşdırılmış hədd parametrinin tətbiqi təcrübələrlə yoxlanılır. Bundan əlavə, Zhao et al.[3]lif körpüsü, gərginlik nisbəti və yük-qarışdırma nisbətinin yorğunluq təbəqələşməsi və genişlənmə davranışına təsirlərini hərtərəfli nəzərdən keçirdi və stress nisbətinin təsirini nəzərə alaraq normallaşdırılmış yorğunluq təbəqəli genişlənmə dərəcəsi modelini qurdu. Modelin düzgünlüyü müxtəlif gərginlik nisbətləri və qarışdırma nisbətləri ilə yorğunluq təbəqələşmə testləri ilə təsdiq edilmişdir. Normallaşdırılmış yorğunluq təbəqəli genişlənmə sürəti modelində yorğunluğun təbəqələşdirilmiş genişlənmə müqavimətinin fiziki miqdarı üçün Gong et al.[1]təcrübələr vasitəsilə yalnız məhdud diskret məlumat nöqtələrini əldə edə bilən hesablama metodunun zəifliyini aradan qaldırmaq və enerji baxımından yorğunluq yaratmaq. Qatlı uzadılmış müqavimətin hesablanması üçün analitik model. Model yorğunluğun təbəqələşməsinin və genişlənmə müqavimətinin kəmiyyətcə müəyyən edilməsini həyata keçirə bilər və təklif olunan normallaşdırılmış yorğunluq təbəqəli genişlənmə sürəti modelinin tətbiqi üçün nəzəri dəstək verə bilər.
Şəkil 1 təbəqəli test cihazının diaqramı
Şəkil 2 Qatlararası qırılma möhkəmliyi R müqavimət əyrisi[5]
Şəkil 3 Laylı qabaqcıl kənar zədə zonası və təbəqələşmiş genişlənmiş morfologiya[5]
2. Ədədi simulyasiya tədqiqatı
Laylı genişlənmənin ədədi simulyasiyası kompozit strukturların dizaynı sahəsində mühüm tədqiqat məzmunudur. Kompozit bir istiqamətli laminatların delaminasiya uğursuzluğunu proqnozlaşdırarkən, mövcud təbəqələşmə genişlənmə meyarları adətən əsas performans parametri kimi sabit interlaminar qırılma sərtliyindən istifadə edir.[10], çatlaq ucun enerjinin buraxılma sürəti və interlaminar qırılma möhkəmliyini müqayisə etməklə. Qatlamanın genişləndiyini müəyyən etmək üçün ölçü. Çox istiqamətli laminatların uğursuzluq mexanizmi mürəkkəbdir[11,12], əhəmiyyətli R müqavimət əyriləri ilə xarakterizə olunur[5,13]. Mövcud laylı genişlənmə meyarları bu xüsusiyyəti nəzərə almır və lif tərkibli körpülü çoxistiqamətli laminatların delaminasiya davranışının simulyasiyasına aid edilmir. Gong və başqaları.[10, 13]mövcud təbəqələşdirilmiş genişlənmə meyarlarını təkmilləşdirdi və meyarlara R müqavimət əyrisinin daxil edilməsini təklif etdi və bunun əsasında lif körpüsünün təsirlərini nəzərə alaraq təbəqələşdirilmiş genişlənmə meyarını təyin etdi. İkixətli konstitusiya birləşdirici vahidin təyini və istifadə parametrləri sistematik olaraq ədədi üsullarla, o cümlədən ilkin interfeys sərtliyi, interfeys möhkəmliyi, özlülük əmsalı və birləşmə qüvvəsi zonasında elementlərin minimum sayı öyrənilmişdir. Uyğun vahid parametr modeli yaradılmışdır. Nəhayət, təkmilləşdirilmiş laylı genişləndirmə meyarının və vahid parametr modelinin effektivliyi və tətbiqi statik təbəqələşmə testi ilə yoxlanılır. Bununla belə, təkmilləşdirilmiş meyarlar iki və ya üç ölçülü iyerarxik genişlənmələr üçün deyil, mövqe asılılıqlarına görə yalnız bir ölçülü laylı simulyasiyalar üçün istifadə edilə bilər. Bu problemi həll etmək üçün müəllif daha sonra lif körpüsünü nəzərə alaraq yeni üçxətli birləşdirici qüvvə təklif etdi.[14]. Qurucu əlaqə mikroskopik baxımdan mürəkkəb laylı genişlənmə prosesinə uyğundur və sadə parametrlər və aydın fiziki məna üstünlüklərinə malikdir.
Bundan əlavə, çox istiqamətli laminatların təbəqələşmə prosesində ümumi olan təbəqəli miqrasiya fenomenini dəqiq simulyasiya etmək üçün[11,12], Zhao et al.[11,12]xüsusi dizaynı təqlid edən, uzadılmış sonlu elementə əsaslanan çatlama yolunun bələdçi modeli təklif etmişdir. Kompozit təbəqələşmə testində iyerarxik miqrasiya. Eyni zamanda, 90°/90° laylı interfeys boyunca ziqzaq laylı genişlənmə davranışı üçün laylı genişləndirmə modeli təklif olunur ki, bu da 90°/90° interfeysinin laylı genişlənmə davranışını dəqiq simulyasiya edir.
Şəkil 4 Laylı miqrasiyanın ədədi simulyasiyası və eksperimental nəticələr[15]
Nəticə
Bu yazıda bu qrupun kompozit laminatın delaminasiyası sahəsində tədqiqat nəticələrinə diqqət yetirilir. Eksperimental aspektlər əsasən statik və yorğun delaminasiyanın genişlənməsi davranışına interfeys layout bucağının və lif körpüsünün təsirini əhatə edir. Çoxlu sayda eksperimental tədqiqatlar nəticəsində məlum oldu ki, kompozit materialların çox istiqamətli laminat uğursuzluq mexanizmi mürəkkəbdir. Fiber körpü çox istiqamətli laminatların ümumi sərtləşdirmə mexanizmidir və bu, interlaminar qırılma sərtliyinin R-müqavimət əyrisinin əsas səbəbidir. Hazırda II təbəqələşmə altında R müqavimət əyrisinin tədqiqi nisbətən azdır və əlavə tədqiqatlara ehtiyac duyur. Uğursuzluq mexanizmindən başlayaraq, yorğunluğun stratifikasiyası tədqiqatının istiqaməti olan müxtəlif təsiredici amilləri əhatə edən yorğunluğun təbəqələşməsi modeli təklif olunur. Rəqəmsal simulyasiya baxımından tədqiqat qrupu lif körpüsünün təbəqəli genişlənmə davranışına təsirini nəzərə almaq üçün təkmilləşdirilmiş iyerarxik genişlənmə meyarı və vahid konstitusiya modeli təklif etmişdir. Bundan əlavə, genişləndirilmiş sonlu element iyerarxik miqrasiya fenomenini daha yaxşı simulyasiya etmək üçün istifadə olunur. Bu üsul incə hüceyrə bölünməsinə ehtiyacı aradan qaldırır, torun yenidən bölünməsi ilə bağlı problemləri aradan qaldırır. O, ixtiyari formaların təbəqələşməsinin simulyasiyasında unikal üstünlüklərə malikdir və gələcəkdə bu metodun daha çox mühəndislik tətbiqi tədqiqatlarına ehtiyac var.[16].
İstinadlar
[1] Y Gong, L Zhao, J Zhang, N Hu. Kompozit laminatlarda enerji baxımından yorğunluq delaminasiyası müqavimətini təyin etmək üçün yeni bir model. Compos Sci Technol 2018; 167: 489-96.
[2] L Zhao, Y Wang, J Zhang, Y Gong, N Hu, N Li. I yükləmə rejimində laminatlanmış kompozitlərdə ziqzaq delaminasiya artımını simulyasiya etmək üçün XFEM əsaslı model. Compos Struct 2017; 160: 1155-62.
[3] L Zhao, Y Gong, J Zhang, Y Wang, Z Lu, L Peng, N Hu. CFRP çox istiqamətli laminatlarda yorğunluq delaminasiyasının böyüməsi davranışının yeni bir şərhi. Compos Sci Technol 2016; 133: 79-88.
[4] L Peng, J Zhang, L Zhao, R Bao, H Yang, B Fei. Yorulma yükü altında çoxistiqamətli kompozit laminatların I delaminasiya artımı rejimi. J Compos Mater 2011; 45: 1077-90.
[5] L Zhao, Y Vanq, J Zhang, Y Gong, Z Lu, N Hu, J Xu. I rejimdə yükləmə altında çoxistiqamətli CFRP laminatlarında plato qırılma möhkəmliyinin interfeysdən asılı modeli. Kompozitlər B Hissəsi: Mühəndislik 2017; 131: 196-208.
[6] L Zhao, Y Gong, J Zhang, Y Chen, B Fei. I rejimdə və qarışıq rejimdə I/II yüklənmələrdə birləşdirici elementlərdən istifadə etməklə çoxistiqamətli laminatlarda delaminasiya artımının simulyasiyası. Compos Struct 2014; 116: 509-22.
[7] Y Gong, B Zhang, L Zhao, J Zhang, N Hu, C Zhang. Biristiqamətli və çoxistiqamətli interfeysli karbon/epoksi laminatlarda qarışıq rejimli I/II təbəqələşmənin R-əyri davranışı. Compos Struct 2019. (Nəzərdən keçirilir).
[8] L Peng, J Xu, J Zhang, L Zhao. Yorulma yükü altında çoxistiqamətli kompozit laminatların qarışıq rejimli delaminasiya artımı. Eng Fract Mech 2012; 96: 676-86.
[9] J Zhang, L Peng, L Zhao, B Fei. Qarışıq rejimdə yüklənmə altında kompozit laminatların yorğunluq delaminasiyasının artım templəri və hədləri. Int J Fatigue 2012; 40: 7-15.
[10] Y Gong, L Zhao, J Zhang, Y Wang, N Hu. CFRP çoxistiqamətli laminatlarda qarışıq rejimli I/II delaminasiya üçün lif körpüsünün təsiri də daxil olmaqla delaminasiyanın yayılması meyarı. Compos Sci Technol 2017; 151: 302-9.
[11] Y Gong, B Zhang, SR Hallett. I rejimdə kvazistatik və yorulma yükü altında çoxistiqamətli kompozit laminatlarda delaminasiya miqrasiyası. Compos Struct 2018; 189: 160-76.
[12] Y Gong, B Zhang, S Mukhopadhyay, SR Hallett. Rejim II statik və yorğunluq yükü altında çoxistiqamətli laminatlarda delaminasiya miqrasiyası üzrə eksperimental tədqiqat, I rejimlə müqayisədə. Compos Struct 2018; 201: 683-98.
[13] Y Gong, L Zhao, J Zhang, N Hu. Kompozit çoxistiqamətli laminatlarda geniş miqyaslı lif körpüsünün təsiri ilə delaminasiyanın yayılması üçün təkmilləşdirilmiş güc qanunu meyarı. Compos Struct 2018; 184: 961-8.
[14] Y Gong, Y Hou, L Zhao, W Li, G Yang, J Zhang, N Hu. Fiber körpüsünün təsiri ilə DCB laminatlarında delaminasiya artımı üçün yeni üç xətti birləşdirici zona modeli. Compos Struct 2019. (Təqdim ediləcək)
[15] L Zhao, J Zhi, J Zhang, Z Liu, N Hu. Kompozit laminatlarda delaminasiyanın XFEM simulyasiyası. Kompozitlər Hissə A: Tətbiqi Elm və İstehsalat 2016; 80: 61-71.
[16] Zhao Libin, Gong Yu, Zhang Jianyu. Liflə gücləndirilmiş kompozit laminatların təbəqəli genişlənmə davranışı üzrə tədqiqat tərəqqisi. Aeronavtika Elmləri Jurnalı 2019: 1-28.
Mənbə:Gong Yu, Wang Yana, Peng Lei, Zhao Libin, Zhang Jianyu. Qabaqcıl karbon lifi ilə gücləndirilmiş kompozit laminatların təbəqəli genişlənmə davranışı üzrə araşdırma [C]. Mexanika və Mühəndislik - Rəqəmsal Hesablama və Məlumatların Təhlili 2019 Akademik Konfransı. Çin Mexanika Cəmiyyəti, Pekin Mexanika Cəmiyyəti, 2019. vasitəsilə ixeshu
Göndərmə vaxtı: 15 noyabr 2019-cu il