Studija o ponašanju slojevitog širenja naprednih kompozitnih laminata ojačanih karbonskim vlaknima

MEHANIKA I INŽENJERSTVO - Numeričko računanje i analiza podataka
Mehanika i inženjerstvo — Numerički proračuni i analiza podataka 2019 Akademska konferencija, 19-21. april 2019, Peking
19-21. april 2019, Peking, Kina

Studija o ponašanju slojevitog širenja naprednih kompozitnih laminata ojačanih karbonskim vlaknima

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

¹Univerzitet Chongqing, Chongqing, 400044, Kina
²Kineski institut za istraživanje avijacije, Pekinški institut za istraživanje aeronautičkih materijala, Peking, 100095, Kina
³Istraživački centar za tehnologiju civilnih aviona u Pekingu, Kina, Peking, 102211, Kina
⁴Pekinški univerzitet za aeronautiku i astronautiku, Peking, 100191, Kina

SažetakLaminatna struktura je jedna od najčešće korištenih kompozitnih konfiguracija za kompozite, ali delaminacija postaje njen glavni način loma zbog slabih interlaminarnih svojstava. Istraživanje višeslojne laminatne stratifikacije i ponašanja širenja, koje se obično koristi u inženjerskoj praksi, oduvijek je bila vruća tema za naučnike. U ovom radu, rezultati istraživanja delaminacije kompozita ojačanih ugljičnim vlaknima u Univerzitetu Chongqing i Laboratoriji za lom usljed zamora Univerziteta u Pekingu predstavljeni su iz dva aspekta eksperimentalnog istraživanja i numeričke simulacije. Konačno, predviđen je smjer razvoja ovog polja.

Ključne riječi:kompozit ojačan ugljičnim vlaknima, laminat, delaminacija, stratifikacija zamora

uvod

Kompozitni materijali imaju odlična svojstva kao što su visoka specifična čvrstoća i visoka specifična krutost, te se široko koriste u vazduhoplovstvu, energetskoj tehnologiji, civilnom transportu i građevinarstvu. Tokom obrade i upotrebe kompozitnih materijala, vlakna i matrica će pretrpjeti različite stepene oštećenja pod opterećenjem. Uobičajeni načini otkazivanja kompozitnih laminata uključuju međuslojna oštećenja i oštećenja unutar slojeva. Zbog nedostatka ojačanja u smjeru debljine, bočna mehanička svojstva laminata su loša, a oštećenja od delaminacije vrlo su vjerovatnoća da će se pojaviti pod vanjskim udarnim opterećenjima. Pojava i širenje slojevitih oštećenja dovest će do smanjenja strukturne krutosti i čvrstoće, pa čak i uzrokovati katastrofalne nesreće.^[1-3]Stoga se problem delaminacije sve više bavi strukturnim dizajnom i analizom čvrstoće kompozitnih materijala, te je potrebno proučavati ponašanje slojevitog širenja kompozitnih materijala.^[4].

Istraživanje ponašanja laminata pri slojevitom širenju
1. Eksperimentalna studija

Interlaminarna žilavost loma je karakterističan parametar mehaničkih svojstava između kompozitnih slojeva. Odgovarajući standardi ispitivanja uspostavljeni su za određivanje interlaminarne žilavosti loma hibridnih jednosmjernih laminata tipa I, tipa II i I/II. Odgovarajući ispitni aparat prikazan je na slici 1. Međutim, višesmjerni laminati kompozitnih materijala često se koriste u stvarnim inženjerskim strukturama. Stoga, eksperimentalna studija o ponašanju stratifikacije i širenja višesmjernih laminata ima važniji teorijski značaj i inženjersku vrijednost. Inicijacija i širenje slojeva višeslojnog laminata događa se između međupovršina s proizvoljnim uglovima nanošenja slojeva, a ponašanje slojevitog širenja značajno se razlikuje od ponašanja jednosmjernih laminata, a mehanizam širenja je složeniji. Istraživači imaju relativno malo eksperimentalnih studija o višesmjernim laminatima, a određivanje interlaminarne žilavosti loma još nije uspostavilo međunarodni standard. Istraživački tim koristio je karbonska vlakna T700 i T800 za dizajniranje različitih kompozitnih laminata s različitim uglovima nanošenja slojeva na međupovršinu i proučavao je utjecaj ugla nanošenja slojeva na međupovršinu i premošćivanja vlakana na statičko ponašanje i ponašanje delaminacije usljed zamora. Utvrđeno je da premošćivanje vlakana formirano stražnjom ivicom sloja ima veliki utjecaj na interlaminarnu žilavost loma. Kako se stratifikacija širi, interlaminarna žilavost loma će se postepeno povećavati od niže početne vrijednosti, a kada stratifikacija dostigne određenu dužinu, dostiže stabilnu vrijednost, odnosno fenomen R krive otpora. Početna žilavost loma međusloja je gotovo jednaka i približno jednaka žilavosti loma smole, koja zavisi od žilavosti loma same matrice.^{[5, 6]}Međutim, vrijednosti produženja interlaminarne žilavosti loma različitih međupovršina uveliko variraju. Prikazana je značajna zavisnost od ugla međupovršinskog sloja. Kao odgovor na ovu zavisnost, Zhao i saradnici...^[5]Na osnovu fizičkog mehanizma izvora stratificiranog otpora, smatra se da se vrijednost stabilnosti žilavosti loma među slojevima sastoji od dva dijela, jedan dio je rad loma nepovezanog sloja na granici, a drugi dio je oštećenje unutar sloja i vlakana. Rad loma uzrokovan premošćavanjem. Analizom konačnih elemenata polja naponskog fronta slojevitog fronta utvrđeno je da drugi dio rada loma zavisi od dubine zone oštećenja fronta delaminacije (kao što je prikazano na slici 3), a dubina zone oštećenja proporcionalna je uglu slaganja međusloja. Predstavljen je teorijski model vrijednosti stabilnosti žilavosti loma I-tipa izražen sinusoidnom funkcijom ugla međusloja.
Gong i ostali.^[7]proveli su test hibridne stratifikacije I/II pod različitim omjerima miješanja i utvrdili da hibridna stratifikacija I/II u laminatu također ima značajne karakteristike krivulje otpora R. Analizom žilavosti loma između različitih ispitnih uzoraka utvrđeno je da početna vrijednost i stabilna vrijednost međuslojne žilavosti loma ispitnog uzorka značajno rastu s povećanjem omjera miješanja. Osim toga, početna i stabilna žilavost loma međusloja pod različitim omjerima miješanja mogu se opisati BK kriterijem.
Što se tiče stratifikacije umora, tokom ispitivanja je uočeno i značajno premošćivanje vlakana. Analizom podataka ispitivanja utvrđeno je da na širenje kompozitnog materijala usljed zamora usljed delaminacije utiče "krivulja otpora", tako da tradicionalni model brzine širenja usljed zamora i granična vrijednost više nisu primjenjivi. Na osnovu teorijske analize, Zhang i Peng^[4,8,9]uveli su otpor širenju usljed zamora usljed delaminacije kako bi izrazili energiju potrebnu za širenje kompozitnih materijala usljed zamora usljed delaminacije, te su dalje predložili normaliziranu energiju deformacije. Brzina oslobađanja je model brzine stratificiranog širenja usljed zamora i granična vrijednost kontrolnih parametara. Primjenjivost modela i normaliziranog parametra praga potvrđena je eksperimentima. Nadalje, Zhao i suradnici...^[3]sveobuhvatno su razmotrili uticaje premošćivanja vlakana, odnosa napona i odnosa opterećenja i miješanja na ponašanje stratifikacije zamora i širenja, te uspostavili normalizovani model brzine stratifikovanog širenja zamora uzimajući u obzir uticaj odnosa napona. Tačnost modela je provjerena testovima stratifikacije zamora sa različitim omjerima napona i omjerima miješanja. Za fizičku veličinu otpora stratifikovanog širenja zamora u normalizovanom modelu brzine stratifikovanog širenja zamora, Gong i saradnici...^[1]prevazići slabosti metode proračuna koja može dobiti samo ograničene diskretne podatke putem eksperimenata i utvrditi zamor sa energetskog stanovišta. Analitički model za proračun stratificiranog produženog otpora. Model može ostvariti kvantitativno određivanje stratifikacije zamora i otpora širenju, te pružiti teorijsku podršku za primjenu predloženog normaliziranog modela brzine stratificiranog širenja zamora.

Slika 1 dijagram stratificiranog ispitnog uređaja

Slika 2 Kriva otpornosti na lom među slojevima R^[5]


Slika 3 Slojevita zona oštećenja na prednjoj ivici i stratificirana proširena morfologija^[5]

2. Studija numeričke simulacije

Numerička simulacija slojevitog širenja je važan istraživački sadržaj u oblasti projektovanja kompozitnih struktura. Prilikom predviđanja loma usljed delaminacije kompozitnih jednosmjernih laminata, postojeći kriteriji za slojevito širenje obično koriste konstantnu međuslojnu žilavost loma kao osnovni parametar performansi.^[10], poređenjem brzine oslobađanja energije vrha pukotine i žilavosti interlaminarnog loma. Veličina da se utvrdi da li se slojevi šire. Mehanizam loma višesmjernih laminata je složen^[11,12], koji karakteriziraju značajne krivulje otpora R^[5,13]Postojeći kriteriji slojevitog širenja ne uzimaju u obzir ovu karakteristiku i ne primjenjuju se na simulaciju ponašanja delaminacije premoštenih višesmjernih laminata koji sadrže vlakna. Gong i dr.^{[10, 13]}poboljšao je postojeće kriterije stratificiranog širenja i predložio uvođenje R krive otpora u kriterije, te na osnovu toga uspostavio kriterij stratificiranog širenja uzimajući u obzir efekte premošćivanja vlakana. Definicija i parametri korištenja bilinearne konstitutivne kohezivne jedinice sistematski su proučavani numeričkim metodama, uključujući početnu krutost međupovršine, čvrstoću međupovršine, koeficijent viskoznosti i minimalni broj elemenata u zoni kohezivne sile. Utvrđen je odgovarajući model parametara kohezivne jedinice. Konačno, efikasnost i primjenjivost poboljšanog kriterija slojevitog širenja i modela parametara kohezivne jedinice provjerene su statičkim testom stratifikacije. Međutim, poboljšani kriteriji mogu se koristiti samo za jednodimenzionalne slojevite simulacije zbog pozicijskih zavisnosti, a ne za dvo- ili trodimenzionalna hijerarhijska proširenja. Kako bi riješio ovaj problem, autor je dalje predložio novi trilinearni konstitutivni model kohezivne sile koji uzima u obzir premošćivanje vlakana.^[14]Konstitutivni odnos odgovara složenom procesu slojevitog širenja iz mikroskopske perspektive i ima prednosti jednostavnih parametara i jasnog fizičkog značenja.
Osim toga, kako bi se precizno simulirao fenomen stratificirane migracije uobičajen u procesu stratifikacije višesmjernih laminata^[11,12], Zhao i dr.^[11,12]Predložen je model vođenja puta pukotine zasnovan na proširenim konačnim elementima, simulirajući poseban dizajn. Hijerarhijska migracija u testu kompozitne stratifikacije. Istovremeno, predložen je model slojevitog širenja za ponašanje cik-cak slojevitog širenja duž slojevitog međupovršine od 90°/90°, koji precizno simulira ponašanje slojevitog širenja međupovršine od 90°/90°.

Slika 4 Numerička simulacija slojevite migracije i eksperimentalni rezultati^[15]

Zaključak

Ovaj rad se fokusira na rezultate istraživanja ove grupe u oblasti delaminacije kompozitnih laminata. Eksperimentalni aspekti uglavnom uključuju utjecaj ugla postavljanja međupovršine i premošćivanja vlakana na ponašanje statičkog širenja i širenja usljed zamora. Kroz veliki broj eksperimentalnih studija utvrđeno je da je mehanizam loma višesmjernih laminata kompozitnih materijala složen. Premošćivanje vlakana je uobičajeni mehanizam ojačavanja višesmjernih laminata, što je glavni razlog za R-krivulju otpora interlaminarne žilavosti loma. Trenutno je studija R-krive otpora pod II stratifikacijom relativno manjkava i zahtijeva daljnja istraživanja. Polazeći od mehanizma loma, predložen je model stratifikacije zamora koji uključuje različite faktore utjecaja, što je smjer istraživanja stratifikacije zamora. U smislu numeričke simulacije, istraživačka grupa je predložila poboljšani kriterij hijerarhijskog širenja i kohezivni konstitutivni model kako bi se uzeo u obzir utjecaj premošćivanja vlakana na ponašanje stratificiranog širenja. Osim toga, prošireni konačni element se koristi za bolju simulaciju fenomena hijerarhijske migracije. Ova metoda eliminira potrebu za finom diobom ćelija, eliminirajući probleme povezane s ponovnom podjelom mreže. Ima jedinstvene prednosti u simuliranju stratifikacije proizvoljnih oblika, te je u budućnosti potrebno više inženjerskih istraživanja primjene ove metode.^[16].

Reference

[1] Y Gong, L Zhao, J Zhang, N Hu. Novi model za određivanje otpornosti na zamor materijala na delaminaciju u kompozitnim laminatima sa stanovišta energije. Compos Sci Technol 2018; 167: 489-96.
[2] L Zhao, Y Wang, J Zhang, Y Gong, N Hu, N Li. Model zasnovan na XFEM-u za simuliranje rasta cik-cak delaminacije u laminiranim kompozitima pod opterećenjem u modu I. Compos Struct 2017; 160: 1155-62.
[3] L Zhao, Y Gong, J Zhang, Y Wang, Z Lu, L Peng, N Hu. Novo tumačenje ponašanja rasta delaminacije usljed zamora u CFRP višesmjernim laminatima. Compos Sci Technol 2016; 133: 79-88.
[4] L Peng, J Zhang, L Zhao, R Bao, H Yang, B Fei. Rast delaminacije u modu I višesmjernih kompozitnih laminata pod opterećenjem zamora. J Compos Mater 2011; 45: 1077-90.
[5] L Zhao, Y Wang, J Zhang, Y Gong, Z Lu, N Hu, J Xu. Model žilavosti loma na platou koji zavisi od međupovršine u višesmjernim CFRP laminatima pod opterećenjem u modu I. Kompoziti Dio B: Inženjering 2017; 131: 196-208.
[6] L Zhao, Y Gong, J Zhang, Y Chen, B Fei. Simulacija rasta delaminacije u višesmjernim laminatima pod opterećenjima moda I i miješanog moda I/II korištenjem kohezivnih elemenata. Compos Struct 2014; 116: 509-22.
[7] Y Gong, B Zhang, L Zhao, J Zhang, N Hu, C Zhang. Ponašanje R-krive miješanog moda I/II delaminacije u ugljik/epoksidnim laminatima s jednosmjernim i višesmjernim međupovršinama. Compos Struct 2019. (U recenziji).
[8] L Peng, J Xu, J Zhang, L Zhao. Rast delaminacije miješanog načina rada višesmjernih kompozitnih laminata pod opterećenjem zamora. Eng Fract Mech 2012; 96: 676-86.
[9] J Zhang, L Peng, L Zhao, B Fei. Brzine rasta delaminacije usljed zamora i pragovi kompozitnih laminata pod miješanim načinom opterećenja. Int J Fatigue 2012; 40: 7-15.
[10] Y Gong, L Zhao, J Zhang, Y Wang, N Hu. Kriterij širenja delaminacije uključujući učinak premošćivanja vlakana za miješanu I/II delaminaciju u CFRP višesmjernim laminatima. Compos Sci Technol 2017; 151: 302-9.
[11] Y Gong, B Zhang, SR Hallett. Migracija delaminacije u višesmjernim kompozitnim laminatima pod kvazistatičkim i zamornim opterećenjem u modu I. Compos Struct 2018; 189: 160-76.
[12] Y Gong, B Zhang, S Mukhopadhyay, SR Hallett. Eksperimentalna studija o migraciji delaminacije u višesmjernim laminatima pod statičkim i zamornim opterećenjem u modu II, u poređenju sa modom I. Compos Struct 2018; 201: 683-98.
[13] Y Gong, L Zhao, J Zhang, N Hu. Poboljšani kriterij stepenog zakona za širenje delaminacije s efektom premošćivanja vlakana velikih razmjera u kompozitnim višesmjernim laminatima. Compos Struct 2018; 184: 961-8.
[14] Y Gong, Y Hou, L Zhao, W Li, G Yang, J Zhang, N Hu. Novi model trolinearne kohezivne zone za rast delaminacije u DCB laminatima s efektom premošćivanja vlakana. Compos Struct 2019. (Za predaju)
[15] L Zhao, J Zhi, J Zhang, Z Liu, N Hu. XFEM simulacija delaminacije u kompozitnim laminatima. Kompoziti Dio A: Primijenjena nauka i proizvodnja 2016; 80: 61-71.
[16] Zhao Libin, Gong Yu, Zhang Jianyu. Napredak istraživanja ponašanja slojevitog širenja vlaknima ojačanih kompozitnih laminata. Časopis za aeronautičke nauke 2019: 1-28.

Izvor:Gong Yu, Wang Yana, Peng Lei, Zhao Libin, Zhang Jianyu. Studija o ponašanju stratificiranog širenja naprednih kompozitnih laminata ojačanih ugljičnim vlaknima [C]. Mehanika i inženjerstvo - Numeričko računanje i analiza podataka 2019. Akademska konferencija. Kinesko društvo za mehaniku, Pekinško društvo za mehaniku, 2019. putem Iksuešu