MECÀNICA I ENGINYERIA - Càlcul Numèric i Anàlisi de Dades
Mecànica i Enginyeria — Càlculs Numèrics i Anàlisi de Dades 2019 Conferència Acadèmica, 19-21 d'abril de 2019, Pequín
19-21 d'abril de 2019, Pequín, Xina
Estudi sobre el comportament d'expansió en capes de làmines de laminats compostos reforçats amb fibra de carboni avançada
Gong Yu1*Wang Yana2, Peng Lei3, Zhao Libin4, Zhang Jianyu1
1Universitat de Chongqing, Chongqing, 400044, Xina
2Institut de Recerca d'Aviació de la Xina Institut de Recerca de Materials Aeronàutics de Pequín, Pequín, 100095, Xina
3Centre de Recerca Tecnològica d'Aeronaus Civils de Pequín, Avions Comercials de la Xina, Pequín, 102211, Xina
4Universitat d'Aeronàutica i Astronàutica de Pequín, Pequín, 100191, Xina
ResumL'estructura laminar és una de les configuracions de materials compostos més utilitzades, però la delaminació esdevé el seu principal mode de fallada a causa de les seves febles propietats interlaminars. La recerca sobre l'estratificació i el comportament d'expansió de laminats multicapa que s'utilitza habitualment en la pràctica de l'enginyeria sempre ha estat un tema candent per als estudiosos. En aquest article, es presenten els resultats de la recerca sobre la delaminació de materials compostos reforçats amb fibra de carboni a la Universitat de Chongqing i al Laboratori de Fractura per Fatiga de la Universitat d'Aeronàutica i Astronàutica de Pequín des de dos aspectes de la recerca experimental i la simulació numèrica. Finalment, es prospecta la direcció de desenvolupament del camp.
Paraules clau:compost reforçat amb fibra de carboni, laminat, delaminació, estratificació per fatiga
introducció
Els materials compostos tenen propietats excel·lents, com ara una alta resistència específica i una alta rigidesa específica, i s'han utilitzat àmpliament en la indústria aeroespacial, la tecnologia energètica i el transport i la construcció civils. Durant el processament i l'ús de materials compostos, les fibres i la matriu pateixen diferents graus de dany sota càrrega. Els modes de fallada comuns per als laminats compostos inclouen el dany entre capes i el dany dins de les capes. A causa de la manca de reforç en la direcció del gruix, les propietats mecàniques laterals del laminat són deficients i és molt probable que es produeixin danys per delaminació sota càrregues d'impacte extern. L'aparició i l'expansió de danys estratificats comportaran una disminució de la rigidesa i la resistència estructurals, i fins i tot causaran accidents catastròfics.[1-3]Per tant, el problema de la delaminació és cada cop més important en el disseny estructural i l'anàlisi de resistència dels materials compostos, i cal estudiar el comportament d'expansió en capes dels materials compostos.[4].
Recerca sobre el comportament d'expansió en capes del laminat
1. Estudi experimental
La tenacitat a la fractura interlaminar és un paràmetre característic de les propietats mecàniques entre les capes compostes. S'han establert estàndards de prova corresponents per a la determinació de la tenacitat a la fractura interlaminar de laminats unidireccionals híbrids de tipus I, tipus II i I/II. L'aparell de prova corresponent es mostra a la Figura 1. Tanmateix, els laminats multidireccionals de materials compostos s'utilitzen sovint en l'estructura d'enginyeria real. Per tant, l'estudi experimental sobre el comportament d'estratificació i expansió dels laminats multidireccionals té una importància teòrica i un valor d'enginyeria més importants. La iniciació i l'expansió de la capa de laminats multicapa es produeixen entre interfícies amb angles de capes arbitraris, i el comportament d'expansió en capes és significativament diferent del dels laminats unidireccionals, i el mecanisme d'expansió és més complicat. Els investigadors tenen relativament pocs estudis experimentals sobre laminats multidireccionals, i la determinació de la tenacitat a la fractura interlaminar encara no ha establert un estàndard internacional. L'equip de recerca va utilitzar fibra de carboni T700 i T800 per dissenyar una varietat de laminats compostos amb diferents angles de disposició de la interfície i va estudiar la influència de l'angle de disposició de la interfície i la unió de la fibra en el comportament de delaminació estàtica i de fatiga. S'ha descobert que el pont de fibra format per la vora posterior de la capa té una gran influència en la tenacitat a la fractura interlaminar. A mesura que l'estratificació s'expandeix, la tenacitat a la fractura interlaminar augmentarà gradualment des d'un valor inicial inferior, i quan l'estratificació arriba a una certa longitud, arriba a un valor estable, és a dir, el fenomen de la corba de resistència R. La tenacitat a la fractura inicial de la capa intercalar és gairebé igual i aproximadament igual a la tenacitat a la fractura de la resina, que depèn de la tenacitat a la fractura de la pròpia matriu.[5, 6]No obstant això, els valors d'extensió de la tenacitat a la fractura interlaminar de diferents interfícies varien molt. Es presenta una dependència significativa de l'angle de la capa d'interfície. En resposta a aquesta dependència, Zhao et al.[5]Basant-se en el mecanisme físic de la font de resistència estratificada, es considera que el valor d'estabilitat de la tenacitat a la fractura interlaminar consta de dues parts, una part és el treball de fractura de la interfície de la capa no relacionada i l'altra part és el dany intracapa i la fibra. El treball de fractura causat per la pontatge. Mitjançant l'anàlisi d'elements finits del camp frontal de tensions del front en capes, es troba que la segona part del treball de fractura depèn de la profunditat de la zona de dany del front de delaminació (com es mostra a la Figura 3), i la profunditat de la zona de dany és proporcional a l'angle de capa de la interfície. Es presenta un model teòric del valor d'estabilitat de la tenacitat a la fractura de tipus I expressat per la funció sinusoidal de l'angle de la capa de la interfície.
Gong et al.[7]van dur a terme la prova d'estratificació híbrida I/II sota diferents proporcions de mescla i van descobrir que l'estratificació híbrida I/II en el laminat també té característiques significatives de la corba de resistència R. Mitjançant l'anàlisi de la tenacitat a la fractura entre diferents provetes, es constata que el valor inicial i el valor estable de la tenacitat a la fractura interlaminar de la prova augmenten significativament amb l'augment de la proporció de mescla. A més, la tenacitat a la fractura inicial i estable de la capa intermèdia sota diferents proporcions de mescla es pot descriure mitjançant el criteri BK.
Pel que fa a l'estratificació de fatiga, també es va observar una important formació de ponts de fibra durant la prova. A través de l'anàlisi de les dades de la prova, es constata que l'expansió per delaminació de fatiga del material compost es veu afectada per la "corba de resistència", de manera que el model tradicional de taxa d'expansió per estratificació de fatiga i el valor llindar ja no són aplicables. A partir de l'anàlisi teòrica, Zhang i Peng[4,8,9]van introduir la resistència a l'expansió per delaminació per fatiga per expressar l'energia necessària per a l'expansió per delaminació per fatiga dels materials compostos, i van proposar a més l'energia de deformació normalitzada. La taxa d'alliberament és el model de taxa d'expansió estratificada per fatiga i el valor llindar dels paràmetres de control. L'aplicabilitat del model i el paràmetre llindar normalitzat es verifica mitjançant experiments. A més, Zhao et al.[3]van considerar exhaustivament els efectes de la unió de fibres, la relació d'esforços i la relació de barreja de càrrega sobre l'estratificació de la fatiga i el comportament d'expansió, i van establir un model de taxa d'expansió estratificada a fatiga normalitzat considerant la influència de la relació d'esforços. La precisió del model es va verificar mitjançant proves d'estratificació de fatiga amb diferents relacions d'esforços i relacions de barreja. Per a la quantitat física de la resistència a l'expansió estratificada a fatiga en el model de taxa d'expansió estratificada a fatiga normalitzat, Gong et al.[1]superar la debilitat del mètode de càlcul que només pot obtenir punts de dades discrets limitats mitjançant experiments i establir la fatiga des del punt de vista de l'energia. Un model analític per al càlcul de la resistència estesa estratificada. El model pot realitzar la determinació quantitativa de l'estratificació de la fatiga i la resistència a l'expansió, i proporcionar suport teòric per a l'aplicació del model de taxa d'expansió estratificada de fatiga normalitzada proposat.
Figura 1 diagrama del dispositiu de prova estratificat
Figura 2 Corba de resistència R de la tenacitat a la fractura entre capes[5]
Figura 3 Zona de danys de la vora davantera en capes i morfologia estesa estratificada[5]
2. Estudi de simulació numèrica
La simulació numèrica de l'expansió en capes és un contingut de recerca important en el camp del disseny d'estructures compostes. A l'hora de predir la fallada per delaminació de laminats unidireccionals compostos, els criteris d'expansió d'estratificació existents solen utilitzar una tenacitat de fractura interlaminar constant com a paràmetre bàsic de rendiment.[10], comparant la taxa d'alliberament d'energia de la punta de l'esquerda i la tenacitat de fractura interlaminar. Mida per determinar si la capesació s'està expandint. El mecanisme de fallada dels laminats multidireccionals és complex[11,12], que es caracteritza per corbes de resistència R significatives[5,13]Els criteris d'expansió en capes existents no tenen en compte aquesta característica i no s'apliquen a la simulació del comportament de delaminació de laminats multidireccionals pontats que contenen fibra. Gong et al.[10, 13]va millorar els criteris d'expansió estratificada existents i va proposar introduir la corba de resistència R als criteris i, basant-se en això, va establir un criteri d'expansió estratificada considerant els efectes de la unió de fibres. La definició i els paràmetres d'ús de la unitat cohesiva constitutiva bilineal es van estudiar sistemàticament mitjançant mètodes numèrics, incloent-hi la rigidesa inicial de la interfície, la resistència de la interfície, el coeficient de viscositat i el nombre mínim d'elements a la zona de força cohesiva. Es va establir el model de paràmetres de la unitat cohesiva corresponent. Finalment, l'eficàcia i l'aplicabilitat del criteri d'expansió en capes millorat i del model de paràmetres de la unitat cohesiva es verifiquen mitjançant proves d'estratificació estàtica. Tanmateix, els criteris millorats només es poden utilitzar per a simulacions en capes unidimensionals a causa de les dependències posicionals i no per a extensions jeràrquiques bidimensionals o tridimensionals. Per tal de resoldre aquest problema, l'autor va proposar a més un nou constitutiu de força cohesiva trilineal considerant la unió de fibres.[14]La relació constitutiva s'adapta al complex procés d'expansió en capes des d'una perspectiva microscòpica i té els avantatges d'uns paràmetres simples i un significat físic clar.
A més, per tal de simular amb precisió el fenomen de migració estratificada comú en el procés d'estratificació de laminats multidireccionals[11,12], Zhao et al.[11,12]va proposar un model de guia de trajectòria de fissures basat en elements finits estesos, simulant un disseny especial. Migració jeràrquica en una prova d'estratificació composta. Al mateix temps, es proposa un model d'expansió en capes per al comportament d'expansió en capes en zigzag al llarg de la interfície en capes de 90°/90°, que simula amb precisió el comportament d'expansió en capes de la interfície de 90°/90°.
Figura 4 Simulació numèrica de la migració en capes i resultats experimentals[15]
Conclusió
Aquest article se centra en els resultats de la recerca d'aquest grup en el camp de la delaminació de laminats compostos. Els aspectes experimentals inclouen principalment la influència de l'angle de disposició de la interfície i la unió de fibres en el comportament d'expansió de la delaminació estàtica i per fatiga. A través d'un gran nombre d'estudis experimentals, s'ha descobert que el mecanisme de fallada multidireccional dels laminats de materials compostos és complicat. La unió de fibres és un mecanisme d'enduriment comú dels laminats multidireccionals, que és la raó principal de la corba de resistència R de la tenacitat a la fractura interlaminar. Actualment, l'estudi de la corba de resistència R sota l'estratificació II és relativament deficient i necessita més investigació. Partint del mecanisme de fallada, es proposa el model d'estratificació de fatiga que inclou diversos factors d'influència, que és una direcció de la recerca de l'estratificació de fatiga. Pel que fa a la simulació numèrica, el grup de recerca va proposar un criteri d'expansió jeràrquica millorat i un model constitutiu cohesiu per considerar la influència de la unió de fibres en el comportament d'expansió estratificada. A més, l'element finit estès s'utilitza per simular millor el fenomen de migració jeràrquica. Aquest mètode elimina la necessitat de divisió cel·lular fina, eliminant els problemes associats amb la redivisió de la malla. Té avantatges únics en la simulació de l'estratificació de formes arbitràries, i cal més investigació sobre aplicacions d'enginyeria d'aquest mètode en el futur.[16].
Referències
[1] Y Gong, L Zhao, J Zhang, N Hu. Un nou model per determinar la resistència a la delaminació per fatiga en laminats compostos des del punt de vista de l'energia. Compos Sci Technol 2018; 167: 489-96.
[2] L Zhao, Y Wang, J Zhang, Y Gong, N Hu, N Li. Model basat en XFEM per simular el creixement de la delaminació en ziga-zaga en compostos laminats sota càrrega de mode I. Compos Struct 2017; 160: 1155-62.
[3] L Zhao, Y Gong, J Zhang, Y Wang, Z Lu, L Peng, N Hu. Una nova interpretació del comportament de creixement de la delaminació per fatiga en laminats multidireccionals de CFRP. Compos Sci Technol 2016; 133: 79-88.
[4] L Peng, J Zhang, L Zhao, R Bao, H Yang, B Fei. Creixement de delaminació en mode I de laminats compostos multidireccionals sota càrrega de fatiga. J Compos Mater 2011; 45: 1077-90.
[5] L Zhao, Y Wang, J Zhang, Y Gong, Z Lu, N Hu, J Xu. Un model dependent de la interfície de la tenacitat a la fractura de plateau en laminats CFRP multidireccionals sota càrrega de mode I. Composites Part B: Engineering 2017; 131: 196-208.
[6] L Zhao, Y Gong, J Zhang, Y Chen, B Fei. Simulació del creixement de la delaminació en laminats multidireccionals sota càrregues de mode I i mixtes de mode I/II utilitzant elements cohesius. Compos Struct 2014; 116: 509-22.
[7] Y Gong, B Zhang, L Zhao, J Zhang, N Hu, C Zhang. Comportament de la corba R de la delaminació de mode mixt I/II en laminats de carboni/epoxi amb interfícies unidireccionals i multidireccionals. Compos Struct 2019. (En revisió).
[8] L Peng, J Xu, J Zhang, L Zhao. Creixement de delaminació en mode mixt de laminats compostos multidireccionals sota càrrega de fatiga. Eng Fract Mech 2012; 96: 676-86.
[9] J Zhang, L Peng, L Zhao, B Fei. Taxes de creixement de la delaminació per fatiga i llindars de laminats compostos sota càrrega de mode mixt. Int J Fatigue 2012; 40: 7-15.
[10] Y Gong, L Zhao, J Zhang, Y Wang, N Hu. Criteri de propagació de la delaminació que inclou l'efecte del pont de fibra per a la delaminació de mode mixt I/II en laminats multidireccionals de CFRP. Compos Sci Technol 2017; 151: 302-9.
[11] Y Gong, B Zhang, SR Hallett. Migració de delaminació en laminats compostos multidireccionals sota càrrega quasiestàtica i de fatiga de mode I. Compos Struct 2018; 189: 160-76.
[12] Y Gong, B Zhang, S Mukhopadhyay, SR Hallett. Estudi experimental sobre la migració de delaminació en laminats multidireccionals sota càrrega estàtica i de fatiga de mode II, en comparació amb el mode I. Compos Struct 2018; 201: 683-98.
[13] Y Gong, L Zhao, J Zhang, N Hu. Un criteri de llei de potència millorat per a la propagació de la delaminació amb l'efecte de ponts de fibra a gran escala en laminats compostos multidireccionals. Compos Struct 2018; 184: 961-8.
[14] Y Gong, Y Hou, L Zhao, W Li, G Yang, J Zhang, N Hu. Un nou model de zona cohesiva trilineal per al creixement de la delaminació en laminats DCB amb l'efecte de pont de fibra. Compos Struct 2019. (Per presentar)
[15] L Zhao, J Zhi, J Zhang, Z Liu, N Hu. Simulació XFEM de la delaminació en laminats compostos. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing 2016; 80: 61-71.
[16] Zhao Libin, Gong Yu, Zhang Jianyu. Progrés en la recerca sobre el comportament d'expansió estratificada de laminats compostos reforçats amb fibra. Journal of Aeronautical Sciences 2019: 1-28.
Font:Gong Yu, Wang Yana, Peng Lei, Zhao Libin, Zhang Jianyu. Estudi sobre el comportament d'expansió estratificada de laminats compostos reforçats amb fibra de carboni avançada [C]. Conferència acadèmica de mecànica i enginyeria: càlcul numèric i anàlisi de dades 2019. Societat Xinesa de Mecànica, Societat de Mecànica de Pequín, 2019. via ixueshu
Data de publicació: 15 de novembre de 2019