Проучване на поведението при слоесто разширение на усъвършенстван композитен ламинатен лист, подсилен с въглеродни влакна

МЕХАНИКА И ИНЖЕНЕРСТВО - Числени изчисления и анализ на данни
Механика и инженерство — Числени изчисления и анализ на данни 2019 Академична конференция, 19-21 април 2019 г., Пекин
19-21 април 2019 г., Пекин, Китай

Проучване на поведението при слоесто разширение на усъвършенстван композитен ламинатен лист, подсилен с въглеродни влакна

Гон Ю^1*, Уанг Яна², Пън Лей³, Джао Либин⁴, Джан Джианю¹

¹Университет Чунцин, Чунцин, 400044, Китай
²Китайски институт за авиационни изследвания, Пекински институт за изследване на аеронавтични материали, Пекин, 100095, Китай
³Китайски търговски самолети, Изследователски център за технологии за граждански самолети в Пекин, Пекин, 102211, Китай
⁴Пекински университет по аеронавтика и астронавтика, Пекин, 100191, Китай

РезюмеЛаминатната структура е една от най-често използваните композитни конфигурации за композити, но деламинацията се превръща в основния ѝ начин на разрушаване поради слабите междуслойни свойства. Изследванията върху поведението на многослойна стратификация и разширение на ламинат, често използвани в инженерната практика, винаги са били гореща тема за учените. В тази статия са представени резултатите от изследванията върху деламинацията на композити, подсилени с въглеродни влакна, в Университета Чунцин и Лабораторията за разрушаване чрез умора на Пекинския университет по аеронавтика и астронавтика, от два аспекта на експериментални изследвания и числено симулиране. Накрая е проучена посоката на развитие на областта.

Ключови думи:композит, подсилен с въглеродни влакна, ламинат, разслояване, стратификация на умората

въведение

Композитните материали имат отлични свойства като висока специфична якост и висока специфична твърдост и са широко използвани в аерокосмическата индустрия, енергийните технологии, гражданския транспорт и строителството. По време на обработката и употребата на композитни материали, влакната и матрицата ще претърпят различна степен на повреди под натоварване. Често срещани режими на повреди при композитните ламинати включват междуслойни повреди и повреди в рамките на слоевете. Поради липсата на армировка в посока на дебелината, страничните механични свойства на ламината са лоши и е много вероятно да възникнат повреди от деламинация при външни ударни натоварвания. Появата и разширяването на стратифицирани повреди ще доведе до намаляване на структурната твърдост и здравина и дори ще причини катастрофални аварии.^[1-3]Следователно, проблемът с деламинацията е все по-засегнат от структурния дизайн и анализа на якостта на композитните материали и е необходимо да се изучи поведението на слоесто разширение на композитните материали.^[4].

Изследване на поведението на ламинат при слоесто разширение
1. Експериментално проучване

Междуслойната якост на разрушаване е характерен параметър на механичните свойства между композитните слоеве. Съответните стандарти за изпитване са установени за определяне на междуслойната якост на разрушаване на хибридни еднопосочни ламинати тип I, тип II и I/II. Съответният тестов апарат е показан на Фигура 1. Многопосочните ламинати от композитни материали обаче често се използват в реалните инженерни конструкции. Следователно, експерименталното изследване на поведението на стратификация и разширение на многопосочните ламинати има по-важно теоретично значение и инженерна стойност. Инициирането и разширяването на слоевете на многослойния ламинат се случват между интерфейси с произволни ъгли на наслагване, а поведението на слоесто разширение е значително различно от това на еднопосочните ламинати, а механизмът на разширение е по-сложен. Изследователите имат сравнително малко експериментални изследвания върху многопосочни ламинати, а определянето на междуслойната якост на разрушаване все още не е установило международен стандарт. Изследователският екип използва въглеродни влакна T700 и T800, за да проектира различни композитни ламинати с различни ъгли на наслагване на интерфейса и изследва влиянието на ъгъла на наслагване на интерфейса и премостването на влакната върху статичното поведение и поведението на умора на деламинация. Установено е, че влакнестите мостове, образувани от задния ръб на слоя, имат голямо влияние върху междуслойната якост на разрушаване. С разширяването на стратификацията, междуслойната якост на разрушаване постепенно ще се увеличава от по-ниска начална стойност и когато стратификацията достигне определена дължина, тя достига стабилна стойност, т.е. феноменът на кривата на съпротивление R. Началната якост на разрушаване на междинния слой е почти равна и приблизително равна на якостта на разрушаване на смолата, която зависи от якостта на разрушаване на самата матрица.^{[5, 6]}Стойностите на удължение при междуслойна якост на разрушаване на различните интерфейси обаче варират значително. Представена е значителна зависимост от ъгъла на интерфейсния слой. В отговор на тази зависимост, Zhao et al.^[5]Въз основа на физическия механизъм на източника на стратифицирано съпротивление се счита, че стойността на стабилността на междуслойната жилавост на разрушаване се състои от две части, едната част е работата на разрушаване на несвързания интерфейс на слоевете, а другата част е вътрешнослойното увреждане и влакната. Работата на разрушаване, причинена от премостване. Чрез анализ на крайните елементи на полето на фронта на напрежение на слоестия фронт се установява, че втората част от работата на разрушаване зависи от дълбочината на зоната на увреждане на фронта на деламинация (както е показано на Фигура 3), а дълбочината на зоната на увреждане е пропорционална на ъгъла на наслагване на интерфейса. Представен е теоретичен модел на стойността на стабилността на жилавостта на разрушаване от I-тип, изразен чрез синусоидалната функция на ъгъла на интерфейсния слой.
Гонг и др.^[7]Проведен е тест за I/II хибридна стратификация при различни съотношения на смесване и е установено, че I/II хибридната стратификация в ламината също има значителни характеристики на кривата на съпротивление R. Чрез анализ на жилавостта на разрушаване между различните тестови образци е установено, че началната стойност и стабилната стойност на междуслойната жилавост на разрушаване на тестовия образец се увеличават значително с увеличаване на съотношението на смесване. Освен това, началната и стабилната жилавост на разрушаване на междинния слой при различни съотношения на смесване могат да бъдат описани чрез критерия BK.
По отношение на стратификацията на умората, по време на теста се наблюдава и значително мостово образувание на влакна. Чрез анализа на данните от теста се установява, че разширението на композитния материал при умора на разслояване е повлияно от „кривата на съпротивление“, така че традиционният модел за скорост на разширение при умора на стратификацията и праговата стойност вече не са приложими. Въз основа на теоретичен анализ, Джанг и Пенг^[4,8,9]въведоха съпротивлението на разширение от умора на деламинация, за да изразят енергията, необходима за разширението от умора на композитните материали, и допълнително предложиха нормализирана енергия на деформация. Скоростта на освобождаване е моделът на скоростта на стратифицирано разширение от умора и праговата стойност на контролните параметри. Приложимостта на модела и нормализирания прагов параметър е потвърдена чрез експерименти. Освен това, Zhao et al.^[3]подробно разгледаха ефектите от мостовете между влакната, съотношението на напреженията и съотношението натоварване-смесване върху поведението на стратификация и разширение при умора и създадоха нормализиран модел на скорост на стратифицирано разширение при умора, отчитащ влиянието на съотношението на напреженията. Точността на модела беше проверена чрез тестове за стратификация на умора с различни съотношения на напреженията и съотношения на смесване. За физическата величина на съпротивлението на стратифицирано разширение при умора в нормализирания модел на скорост на стратифицирано разширение при умора, Гонг и др.^[1]Преодоляване на слабостта на метода на изчисление, който може да получи само ограничен брой дискретни данни чрез експерименти, и установяване на умората от енергийна гледна точка. Аналитичен модел за изчисляване на стратифицирано разширено съпротивление. Моделът може да реализира количествено определяне на стратификацията на умората и съпротивлението на разширение и да предостави теоретична подкрепа за приложението на предложения нормализиран модел на скоростта на стратифицирано разширение при умора.

Фигура 1 диаграма на стратифицирано тестово устройство

Фигура 2 Крива на съпротивлението на междуслойна якост на разрушаване R^[5]


Фигура 3 Зона на увреждане на слоестия преден ръб и стратифицирана разширена морфология^[5]

2. Числено симулационно изследване

Численото симулиране на слоесто разширение е важно изследователско съдържание в областта на проектирането на композитни структури. При прогнозиране на разрушаването от деламинация на еднопосочни композитни ламинати, съществуващите критерии за слоесто разширение обикновено използват постоянна междуслойна якост на разрушаване като основен параметър на производителност.^[10], чрез сравняване на скоростта на освобождаване на енергия от върха на пукнатината и жилавостта на междуслойното разрушаване. Размер, за да се определи дали наслояването се разширява. Механизмът на разрушаване на многопосочните ламинати е сложен^[11,12], който се характеризира със значителни криви на съпротивление R^[5,13]Съществуващите критерии за слоесто разширение не вземат предвид тази характеристика и не се прилагат за симулиране на поведението на деламинация на мостови многопосочни ламинати, съдържащи влакна. Gong et al.^{[10, 13]}подобри съществуващите критерии за стратифицирано разширение и предложи въвеждането на кривата на съпротивление R в критериите, и въз основа на това установи критерий за стратифицирано разширение, отчитащ ефектите от премостването между влакната. Дефиницията и параметрите за използване на билинейната конститутивна кохезионна единица бяха систематично изследвани чрез числени методи, включително началната твърдост на интерфейса, якостта на интерфейса, коефициента на вискозитет и минималния брой елементи в зоната на кохезионната сила. Беше установен съответният модел на параметрите на кохезионната единица. Накрая, ефективността и приложимостта на подобрения критерий за слоесто разширение и модела на параметрите на кохезионната единица бяха проверени чрез статичен тест за стратификация. Подобрените критерии обаче могат да се използват само за едномерни слоести симулации поради позиционните зависимости, а не за дву- или тримерни йерархични разширения. За да реши този проблем, авторът допълнително предложи нов трилинеен конститутивен модел на кохезионна сила, отчитащ премостването между влакната.^[14]Конститутивната връзка съответства на сложния процес на слоесто разширение от микроскопска гледна точка и има предимствата на прости параметри и ясно физическо значение.
Освен това, за да се симулира точно феноменът на стратифицирана миграция, често срещан в процеса на стратификация на многопосочни ламинати^[11,12], Джао и др.^[11,12]предложи модел за насочване на пътя на пукнатината, базиран на разширен метод на крайни елементи, симулиращ специален дизайн. Йерархична миграция в тест за композитна стратификация. В същото време е предложен модел на слоесто разширение за поведението на зигзагообразно слоесто разширение по слоестия интерфейс 90°/90°, който точно симулира поведението на слоесто разширение на интерфейса 90°/90°.

Фигура 4 Числено симулиране на слоеста миграция и експериментални резултати^[15]

Заключение

Тази статия се фокусира върху резултатите от изследванията на тази група в областта на деламинацията на композитни ламинат. Експерименталните аспекти включват главно влиянието на ъгъла на разположение на интерфейса и премостването на влакната върху поведението на статично разширение и разслояване при умора. Чрез голям брой експериментални изследвания е установено, че механизмът на многопосочно разрушаване на ламината при композитни материали е сложен. Премостването на влакната е често срещан механизъм за закаляване на многопосочните ламинати, което е основната причина за R-кривата на съпротивление на междуслойната якост на разрушаване. Понастоящем изследването на R-кривата на съпротивление при II стратификация е сравнително недостатъчно и се нуждае от допълнителни изследвания. Започвайки от механизма на разрушаване, е предложен модел на стратификация на умората, включващ различни влияещи фактори, което е посока на изследване на стратификацията на умората. По отношение на численото симулиране, изследователската група предложи подобрен критерий за йерархично разширение и кохезивен конститутивен модел, за да се вземе предвид влиянието на премостването на влакната върху поведението на стратифицираното разширение. Освен това, разширеният краен елемент се използва за по-добро симулиране на феномена на йерархична миграция. Този метод елиминира необходимостта от фино клетъчно делене, елиминирайки проблемите, свързани с повторното разделяне на мрежата. Той има уникални предимства при симулиране на стратификация на произволни форми и в бъдеще са необходими повече инженерни изследвания на приложението на този метод.^[16].

Референции

[1] Y Gong, L Zhao, J Zhang, N Hu. Нов модел за определяне на съпротивлението на умора на разслояване в композитни ламинати от гледна точка на енергията. Compos Sci Technol 2018; 167: 489-96.
[2] L Zhao, Y Wang, J Zhang, Y Gong, N Hu, N Li. Модел, базиран на XFEM, за симулиране на растеж на зигзагообразна деламинация в ламинирани композити при натоварване в режим I. Compos Struct 2017; 160: 1155-62.
[3] L Zhao, Y Gong, J Zhang, Y Wang, Z Lu, L Peng, N Hu. Нова интерпретация на поведението на растеж и деламинация от умора в многопосочни CFRP ламинати. Compos Sci Technol 2016; 133: 79-88.
[4] L Peng, J Zhang, L Zhao, R Bao, H Yang, B Fei. Растеж на деламинация в режим I на многопосочни композитни ламинати под натоварване от умора. J Compos Mater 2011; 45: 1077-90.
[5] L Zhao, Y Wang, J Zhang, Y Gong, Z Lu, N Hu, J Xu. Модел на якост на разрушаване тип плато, зависим от интерфейса, в многопосочни CFRP ламинати при натоварване по режим I. Composites Part B: Engineering 2017; 131: 196-208.
[6] L Zhao, Y Gong, J Zhang, Y Chen, B Fei. Симулация на растежа на деламинацията в многопосочни ламинати при натоварвания от режим I и смесен режим I/II с помощта на кохезионни елементи. Compos Struct 2014; 116: 509-22.
[7] Y Gong, B Zhang, L Zhao, J Zhang, N Hu, C Zhang. Поведение на R-кривата на смесено-модово I/II разслояване в въглерод/епоксидни ламинати с еднопосочни и многопосочни интерфейси. Compos Struct 2019. (В процес на преглед).
[8] L Peng, J Xu, J Zhang, L Zhao. Смесено-модов растеж на деламинация на многопосочни композитни ламинати при натоварване от умора. Eng Fract Mech 2012; 96: 676-86.
[9] J Zhang, L Peng, L Zhao, B Fei. Скорости на растеж и прагове на умора на композитни ламинати при смесено натоварване. Int J Fatigue 2012; 40: 7-15.
[10] Y Gong, L Zhao, J Zhang, Y Wang, N Hu. Критерий за разпространение на деламинация, включително ефекта на свързване на влакната за смесено I/II деламиниране в многопосочни CFRP ламинати. Compos Sci Technol 2017; 151: 302-9.
[11] Y Gong, B Zhang, SR Hallett. Миграция на деламинация в многопосочни композитни ламинати при квазистатично натоварване от режим I и натоварване от умора. Compos Struct 2018; 189: 160-76.
[12] Y Gong, B Zhang, S Mukhopadhyay, SR Hallett. Експериментално изследване на миграцията на деламинация в многопосочни ламинати при статично натоварване и натоварване от умора в режим II, в сравнение с режим I. Compos Struct 2018; 201: 683-98.
[13] Y Gong, L Zhao, J Zhang, N Hu. Подобрен критерий на степенния закон за разпространението на деламинация с ефекта на мащабно свързване на влакна в композитни многопосочни ламинати. Compos Struct 2018; 184: 961-8.
[14] Y Gong, Y Hou, L Zhao, W Li, G Yang, J Zhang, N Hu. Нов трилинеен модел на кохезионна зона за растежа на деламинацията в DCB ламинати с ефект на премостване на влакната. Compos Struct 2019. (Предстои подаване)
[15] L Zhao, J Zhi, J Zhang, Z Liu, N Hu. XFEM симулация на разслояване в композитни ламинати. Композити, част A: Приложна наука и производство 2016; 80: 61-71.
[16] Джао Либин, Гонг Ю, Джан Джианю. Напредък в изследванията върху поведението на стратифицирано разширение на влакнести композитни ламинати. Journal of Aeronautical Sciences 2019: 1-28.

Източник:Гонг Ю, Уанг Яна, Пенг Лей, Джао Либин, Джан Джианю. Изследване на поведението при стратифицирано разширение на усъвършенствани композитни ламинати, подсилени с въглеродни влакна [C]. Механика и инженерство - Числени изчисления и анализ на данни 2019 Академична конференция. Китайско дружество по механика, Пекинско дружество по механика, 2019. чрез Иксуешу