Даследаванне паводзін слаістага пашырэння ўдасканаленага кампазітнага ламінату, узмоцненага вугляродным валакном

МЕХАНІКА І ІНЖЫНЕРЫЯ - Лікавыя вылічэнні і аналіз дадзеных
Механіка і інжынерыя — Лікавыя разлікі і аналіз дадзеных 2019. Акадэмічная канферэнцыя, 19–21 красавіка 2019 г., Пекін
19-21 красавіка 2019 г., Пекін, Кітай

Даследаванне паводзін слаістага пашырэння ўдасканаленага кампазітнага ламінату, узмоцненага вугляродным валакном

Гун Ю^1*Ван Яна², Пэн Лэй³, Чжао Лібінь⁴, Чжан Цзяньюй¹

¹Чунцынскі ўніверсітэт, Чунцын, 400044, Кітай
²Кітайскі інстытут авіяцыйных даследаванняў Пекінскі інстытут авіяцыйных матэрыялаў, Пекін, 100095, Кітай
³Кітайскія камерцыйныя самалёты Пекінскі даследчы цэнтр тэхналогій грамадзянскіх самалётаў, Пекін, 102211, Кітай
⁴Пекінскі ўніверсітэт аэранаўтыкі і касманаўтыкі, Пекін, 100191, Кітай

РэзюмэШырокапалосная структура з'яўляецца адной з найбольш распаўсюджаных кампазітных канфігурацый, але расшараванне становіцца яе асноўным спосабам разбурэння з-за слабых міжслаёвых уласцівасцей. Даследаванні шматслаёвага шыравання і паводзін расшырэння, якія звычайна выкарыстоўваюцца ў інжынернай практыцы, заўсёды былі актуальнай тэмай для навукоўцаў. У гэтай працы прадстаўлены вынікі даследаванняў расшаравання кампазітаў, узмоцненых вугляродным валакном, праведзеных у Чунцынскім універсітэце і Лабараторыі стомленага разбурэння Пекінскага ўніверсітэта аэранаўтыкі і касманаўтыкі з двух бакоў: эксперыментальнага даследавання і лікавага мадэлявання. Нарэшце, прагназуецца кірунак развіцця гэтай галіны.

Ключавыя словы:вугляродна-армаваны кампазіт, ламінат, расслаенне, стратыфікацыя стомленасці

уступ

Кампазітныя матэрыялы валодаюць выдатнымі ўласцівасцямі, такімі як высокая ўдзельная трываласць і высокая ўдзельная калянасць, і шырока выкарыстоўваюцца ў аэракасмічнай прамысловасці, энергетычных тэхналогіях, а таксама ў грамадзянскім транспарце і будаўніцтве. Падчас апрацоўкі і выкарыстання кампазітных матэрыялаў валокны і матрыца падвяргаюцца рознай ступені пашкоджання пад нагрузкай. Распаўсюджаныя тыпы разбурэння кампазітных ламінатаў ўключаюць пашкоджанне паміж пластамі і пашкоджанне ўнутры слаёў. З-за адсутнасці армавання ў напрамку таўшчыні папярочныя механічныя ўласцівасці ламінату дрэнныя, і пры знешніх ударных нагрузках вельмі верагодна ўзнікненне пашкоджанняў ад расслаення. Узнікненне і пашырэнне слаістых пашкоджанняў прывядзе да зніжэння калянасці і трываласці канструкцыі і нават да катастрафічных аварый.^[1-3]Такім чынам, праблема расслаення ўсё больш і больш хвалюе структурнае праектаванне і аналіз трываласці кампазітных матэрыялаў, і неабходна вывучаць паводзіны кампазітных матэрыялаў пры слаістым пашырэнні.^[4].

Даследаванне паводзін ламінату пры шматслаёвым пашырэнні
1. Эксперыментальнае даследаванне

Міжслаёвая глейкасць разрушэння з'яўляецца характэрным параметрам механічных уласцівасцей паміж кампазітнымі пластамі. Адпаведныя стандарты выпрабаванняў былі ўстаноўлены для вызначэння міжслаёвай глейкасці разрушэння гібрыдных аднанакіраваных слаёў тыпу I, тыпу II і I/II. Адпаведная выпрабавальная апаратура паказана на малюнку 1. Аднак шматнакіраваныя слаісты матэрыялы з кампазітных матэрыялаў часта выкарыстоўваюцца ў рэальных інжынерных канструкцыях. Такім чынам, эксперыментальнае даследаванне паводзін шматнакіраваных слаёў пры стратыфікацыі і пашырэнні мае больш важнае тэарэтычнае значэнне і інжынерную каштоўнасць. Ініцыяванне і пашырэнне шматслаёвых слаёў адбываецца паміж інтэрфейсамі з адвольнымі вугламі напластавання, і паводзіны шматслаёвага пашырэння значна адрозніваюцца ад паводзін аднанакіраваных слаёў, а механізм пашырэння больш складаны. Даследчыкі маюць адносна мала эксперыментальных даследаванняў шматнакіраваных слаёў, і вызначэнне міжслаёвай глейкасці разрушэння яшчэ не ўстанавіла міжнароднага стандарту. Даследчая група выкарыстала вугляроднае валакно T700 і T800 для распрацоўкі розных кампазітных слаёў з рознымі вугламі напластавання і вывучала ўплыў вугла напластавання і перамычак валокнаў на статычныя паводзіны і паводзіны пры расслаенні пры стомленасці. Было ўстаноўлена, што масткі з валокнаў, утвораныя заднім краем пласта, аказваюць вялікі ўплыў на міжслаёвую глейкасць разрушэння. Па меры пашырэння пласта міжслаёвая глейкасць разрушэння паступова павялічваецца з ніжэйшага пачатковага значэння, і калі пласт дасягае пэўнай даўжыні, яна дасягае стабільнага значэння, гэта значыць з'явы крывой супраціву R. Пачатковая глейкасць разрушэння прамежкавага пласта амаль роўная і прыблізна роўная глейкасці разрушэння смалы, якая залежыць ад глейкасці разрушэння самой матрыцы.^{[5, 6]}Аднак значэнні пашырэння міжслаёвай глейкасці разрушэння розных міжфазных слаёў моцна адрозніваюцца. Прадстаўлена значная залежнасць ад вугла нахілу міжфазных слаёў. У адказ на гэтую залежнасць Чжао і інш.^[5]Зыходзячы з фізічнага механізму крыніцы стратыфікаванага супраціву, лічыцца, што значэнне ўстойлівасці міжслаёвай глейкасці разрушэння складаецца з дзвюх частак, адна частка - гэта праца разрушэння на мяжы незвязанага пласта, а другая частка - гэта ўнутрыслаёвае пашкоджанне і валакно. Праца разрушэння, выкліканая перамычкамі. Праз аналіз поля напружанняў шматслаёвага фронту метадам канчатковых элементаў выяўлена, што другая частка працы разрушэння залежыць ад глыбіні зоны пашкоджання фронту расслаення (як паказана на малюнку 3), а глыбіня зоны пашкоджання прапарцыйная вуглу нахілу мяжы. Прадстаўлена тэарэтычная мадэль значэння ўстойлівасці да глейкасці разрушэння I-тыпу, выражаная сінусаідальнай функцыяй вугла мяжы мяжы.
Гонг і інш.^[7]правялі выпрабаванне на гібрыдную стратыфікацыю I/II пры розных суадносінах змешвання і выявілі, што гібрыдная стратыфікацыя I/II у ламінаце таксама мае значныя характарыстыкі крывой супраціву R. Дзякуючы аналізу глейкасці разрушэння паміж рознымі выпрабавальнымі ўзорамі, было выяўлена, што пачатковае значэнне і стабільнае значэнне міжслаёвай глейкасці разрушэння выпрабавальнага ўзору значна павялічваюцца са павелічэннем суадносін змешвання. Акрамя таго, пачатковая і стабільная глейкасць разрушэння прамежкавага пласта пры розных суадносінах змешвання можа быць апісана крытэрыем BK.
Што тычыцца стратыфікацыі пры стомленасці, падчас выпрабаванняў таксама назіралася значнае перамыканне валокнаў. Аналіз дадзеных выпрабаванняў паказаў, што на пашырэнне кампазітнага матэрыялу пры стомленасці ўплывае «крывая супраціву», таму традыцыйная мадэль хуткасці пашырэння пры стомленасці і парогавае значэнне больш не прымяняюцца. На падставе тэарэтычнага аналізу Чжан і Пэн^[4,8,9]увялі супраціўленне пашырэнню пры стомленасці, каб выразіць энергію, неабходную для пашырэння кампазітных матэрыялаў пры стомленасці, і далей прапанавалі нармалізаваную энергію дэфармацыі. Хуткасць вызвалення - гэта мадэль хуткасці стратыфікаванага пашырэння пры стомленасці і парогавае значэнне параметраў кіравання. Прыдатнасць мадэлі і нармалізаванага параметра парога праверана эксперыментальна. Акрамя таго, Чжао і інш.^[3]усебакова разгледзелі ўплыў перамычак валокнаў, суадносін напружанняў і суадносін нагрузкі і змешвання на стратыфікацыю пры стомленасці і паводзіны пры пашырэнні, а таксама стварылі нармалізаваную мадэль хуткасці пашырэння пры стомленасці з улікам уплыву суадносін напружанняў. Дакладнасць мадэлі была праверана шляхам выпрабаванняў на стратыфікацыю пры стомленасці з рознымі суадносінамі напружанняў і суадносінамі змешвання. Для фізічнай велічыні супраціву стратыфікаванаму пашырэнню пры стомленасці ў нармалізаванай мадэлі хуткасці пашырэння пры стомленасці, Гунг і інш.^[1]Пераадолець недахопы метаду разліку, які дазваляе атрымаць толькі абмежаваную колькасць дыскрэтных кропак дадзеных праз эксперыменты, і вызначыць стомленасць з пункту гледжання энергіі. Аналітычная мадэль для разліку стратыфікаванага пашыранага супраціву. Мадэль можа рэалізаваць колькаснае вызначэнне стратыфікацыі стомленасці і супраціўлення пашырэнню, а таксама забяспечыць тэарэтычную падтрымку для прымянення прапанаванай нармалізаванай мадэлі хуткасці стратыфікаванага пашырэння пры стомленасці.

Малюнак 1. Дыяграма стратыфікаванай выпрабавальнай прылады

Малюнак 2. Крывая супраціву міжслаёвай глейкасці разрушэння R^[5]


Малюнак 3. Зона пашкоджання пярэдняй абзы з слаістай структурай і пашыраная марфалогія^[5]

2. Лікавае мадэляванне

Лікавае мадэляванне пластовага пашырэння з'яўляецца важным напрамкам даследавання ў галіне праектавання кампазітных канструкцый. Пры прагназаванні разбурэння пры расслаенні аднанакіраваных кампазітных слаістых матэрыялаў існуючыя крытэрыі пластовага пашырэння звычайна выкарыстоўваюць пастаянную міжслаёвую глейкасць разрушэння ў якасці асноўнага параметра прадукцыйнасці.^[10], шляхам параўнання хуткасці вызвалення энергіі вяршыні расколіны і міжслаёвай глейкасці разбурэння. Памер для вызначэння таго, ці пашыраецца пласт. Механізм разбурэння шматнакіраваных ламінатаў з'яўляецца складаным.^[11,12], які характарызуецца значнымі крывымі супраціву R^[5,13]Існуючыя крытэрыі шматслаёвага пашырэння не ўлічваюць гэтую асаблівасць і не прымяняюцца да мадэлявання паводзін расшаравання шматнакіраваных ламінатаў, якія змяшчаюць валакно. Гонг і інш.^{[10, 13]}палепшылі існуючыя крытэрыі стратыфікаванага пашырэння і прапанавалі ўвесці ў крывую супраціву R у крытэрыі, і на аснове гэтага ўсталявалі крытэрый стратыфікаванага пашырэння з улікам уплыву перамычак валокнаў. Вызначэнне і параметры выкарыстання білінейнай канстытутыўнай кагезійнай адзінкі былі сістэматычна вывучаны лікавымі метадамі, уключаючы пачатковую калянасць інтэрфейсу, трываласць інтэрфейсу, каэфіцыент глейкасці і мінімальную колькасць элементаў у зоне сілы кагезіі. Была створана адпаведная мадэль параметраў кагезійнай адзінкі. Нарэшце, эфектыўнасць і прыдатнасць палепшанага крытэрыя пластовага пашырэння і мадэлі параметраў кагезійнай адзінкі правераны статычным тэстам стратыфікацыі. Аднак палепшаныя крытэрыі могуць быць выкарыстаны толькі для аднамерных пластовых мадэляванняў з-за пазіцыйных залежнасцей, а не для двух- або трохмерных іерархічных пашырэнняў. Каб вырашыць гэтую праблему, аўтар дадаткова прапанаваў новую трылінейную канстытутыўную кагезійную сілу з улікам перамычак валокнаў.^[14]Канстытутыўная залежнасць адпавядае складанаму працэсу пластовага пашырэння з мікраскапічнага пункту гледжання і мае перавагі простых параметраў і зразумелага фізічнага сэнсу.
Акрамя таго, каб дакладна імітаваць з'яву стратыфікаванай міграцыі, распаўсюджаную ў працэсе стратыфікацыі шматнакіраваных ламінатаў^[11,12], Чжао і інш.^[11,12]прапанавана мадэль накіравання траекторыі расколіны на аснове пашыранага метаду канчатковых элементаў, якая мадэлюе спецыяльную канструкцыю. Іерархічная міграцыя ў тэсте на кампазітную стратыфікацыю. Адначасова прапанавана мадэль шматслаёвага пашырэння для зігзагападобнай паводзіны шматслаёвага пашырэння ўздоўж шматслаёвай мяжы падзелу 90°/90°, якая дакладна мадэлюе паводзіны шматслаёвага пашырэння мяжы падзелу 90°/90°.

Малюнак 4. Лікавае мадэляванне слаістай міграцыі і эксперыментальныя вынікі^[15]

Выснова

У гэтай працы разглядаюцца вынікі даследаванняў гэтай групы ў галіне распластоўвання кампазітных ламінатаў. Эксперыментальныя аспекты ў асноўным ўключаюць уплыў вугла кладкі мяжы і перамычкаў валокнаў на статычнае пашырэнне і пашырэнне пры распластоўванні ад стомленасці. Дзякуючы вялікай колькасці эксперыментальных даследаванняў было выяўлена, што механізм шматнакіраванага разбурэння ламінатаў у кампазітных матэрыялах з'яўляецца складаным. Перамычкі валокнаў з'яўляюцца распаўсюджаным механізмам умацавання шматнакіраваных ламінатаў, што з'яўляецца асноўнай прычынай крывой супраціву R міжслаёвай глейкасці разрушэння. У цяперашні час даследаванні крывой супраціву R пры стратыфікацыі II адносна недастаткова выкананы і патрабуюць далейшых даследаванняў. Пачынаючы з механізму разбурэння, прапануецца мадэль стратыфікацыі стомленасці, якая ўключае розныя фактары ўплыву, што з'яўляецца адным з кірункаў даследаванняў стратыфікацыі стомленасці. З пункту гледжання лікавага мадэлявання даследчая група прапанавала палепшаны крытэрый іерархічнага пашырэння і кагезіўную канстытутыўную мадэль для ўліку ўплыву перамычак валокнаў на паводзіны стратыфікаванага пашырэння. Акрамя таго, для лепшага мадэлявання іерархічнай міграцыі выкарыстоўваецца пашыраны метад канчатковых элементаў. Гэты метад ліквідуе неабходнасць у дробным дзяленні клетак, ліквідуючы праблемы, звязаныя з пераразмеркаваннем сеткі. Ён мае унікальныя перавагі ў мадэляванні стратыфікацыі адвольных формаў, і ў будучыні неабходныя дадатковыя інжынерныя даследаванні гэтага метаду.^[16].

Спасылкі

[1] Y Gong, L Zhao, J Zhang, N Hu. Новая мадэль для вызначэння супраціўлення стомленасці і расслаенню ў кампазітных ламінатах з пункту гледжання энергіі. Compos Sci Technol 2018; 167: 489-96.
[2] Л. Чжао, І. Ван, Дж. Чжан, І. Гун, Н. Ху, Н. Лі. Мадэль на аснове XFEM для мадэлявання зігзагападобнага росту расслаення ў слаістых кампазітах пры нагрузцы ў рэжыме I. Compos Struct 2017; 160: 1155-62.
[3] Л. Чжао, І. Гун, Дж. Чжан, І. Ван, З. Лу, Л. Пэн, Н. Ху. Новая інтэрпрэтацыя паводзін росту расслаення ў выніку стомленасці ў шматнакіраваных ламінатах з вугляроднага матэрыялу. Compos Sci Technol 2016; 133: 79-88.
[4] Л. Пэн, Дж. Чжан, Л. Чжао, Р. Бао, Х. Ян, Б. Фэй. Рост і расслаенне шматнакіраваных кампазітных ламінатаў у рэжыме I пры нагрузцы на стомленасць. J Compos Mater 2011; 45: 1077-90.
[5] Л. Чжао, І. Ван, Дж. Чжан, І. Гун, З. Лу, Н. Ху, Дж. Сюй. Мадэль глейкасці разрушэння плато ў шматнакіраваных ламінатах з вугляроднага валакна пры нагрузцы ў рэжыме I. Кампазіты, частка B: Інжынерыя 2017; 131: 196-208.
[6] Л. Чжао, І. Гун, Дж. Чжан, І. Чэн, Б. Фэй. Мадэляванне росту расслаення ў шматнакіраваных ламінатах пры нагрузках I і змешанага рэжыму I/II з выкарыстаннем кагезійных элементаў. Compos Struct 2014; 116: 509-22.
[7] Y Gong, B Zhang, L Zhao, J Zhang, N Hu, C Zhang. Паводзіны R-крывой змешанага рэжыму расслаення I/II у вугляродных/эпаксідных ламінатах з аднанакіраванымі і шматнакіраванымі інтэрфейсамі. Compos Struct 2019. (У працэсе рэцэнзавання).
[8] Л. Пэн, Дж. Сюй, Дж. Чжан, Л. Чжао. Змешаны рэжым расслаення шматнакіраваных кампазітных ламінатаў пры нагрузцы на стомленасць. Eng Fract Mech 2012; 96: 676-86.
[9] Дж. Чжан, Л. Пэн, Л. Чжао, Б. Фэй. Хуткасці росту і парогі стомленай дэфармацыі кампазітных ламінатаў пры змешаным рэжыме нагрузкі. Int J Fatigue 2012; 40: 7-15.
[10] Y Gong, L Zhao, J Zhang, Y Wang, N Hu. Крытэрый распаўсюджвання расслаення, уключаючы ўплыў перамычкі валокнаў для змешанага рэжыму I/II расслаення ў шматнакіраваных ламінатах з вугляроднага матэрыялу. Compos Sci Technol 2017; 151: 302-9.
[11] Y Gong, B Zhang, SR Hallett. Міграцыя расслаення ў шматнакіраваных кампазітных ламінатах пры квазістатычным і стомленым нагружэнні рэжыму I. Compos Struct 2018; 189: 160-76.
[12] Y Gong, B Zhang, S Mukhopadhyay, SR Hallett. Эксперыментальнае даследаванне міграцыі расслаення ў шматнакіраваных ламінатах пры статычнай і стомленай нагрузцы ў рэжыме II у параўнанні з рэжымам I. Compos Struct 2018; 201: 683-98.
[13] І. Гун, Л. Чжао, Дж. Чжан, Н. Ху. Палепшаны крытэрый ступеннага закона для распаўсюджвання расслаення з улікам эфекту буйнамаштабных валокнаў-масткоў у кампазітных шматнакіраваных ламінатах. Compos Struct 2018; 184: 961-8.
[14] Y Gong, Y Hou, L Zhao, W Li, G Yang, J Zhang, N Hu. Новая трохлінейная мадэль кагезійнай зоны для росту расслаення ў ламінаце DCB з эфектам перамычкі валокнаў. Compos Struct 2019. (Пакуль не прадстаўлена)
[15] Л. Чжао, Дж. Чжы, Дж. Чжан, З. Лю, Н. Ху. XFEM-мадэляванне расслаення ў кампазітных ламінатах. Кампазіты, частка А: прыкладная навука і вытворчасць, 2016; 80: 61-71.
[16] Чжао Лібінь, Гун Юй, Чжан Цзяньюй. Даследаванні паводзін пры стратыфікаваным пашырэнні валакніста-армаваных кампазітных ламінатаў. Часопіс аэранаўтычных навук 2019: 1-28.

Крыніца:Гун Юй, Ван Яна, Пэн Лэй, Чжао Лібінь, Чжан Цзяньюй. Даследаванне паводзін стратыфікаванага пашырэння ўдасканаленых кампазітных ламінатаў, узмоцненых вугляродным валакном [C]. Механіка і інжынерыя - лікавыя разлікі і аналіз дадзеных, навуковая канферэнцыя 2019 г. Кітайскае таварыства механікаў, Пекінскае таварыства механікаў, 2019 г. праз Іксуэшу