MECHANICS UG ENGINEERING - Numerical Computation ug Data Analysis
Mechanics and Engineering — Mga Pagkalkula sa Numerical ug Pag-analisa sa Data 2019 Academic Conference, Abril 19-21, 2019, Beijing
Abril 19-21, 2019, Beijing, China
Pagtuon sa Layered Expansion Behavior sa Advanced Carbon Fiber Reinforced Composite Laminates Sheet
Gong Yu1*, Wang Yana2, Peng Lei3, Zhao Libin4, Zhang Jianyu1
1Chongqing University, Chongqing, 400044, China
2China Aviation Research Institute Beijing Aeronautical Materials Research Institute, Beijing, 100095, China
3China Commercial Aircraft Beijing Civil Aircraft Technology Research Center, Beijing, 102211, China
4Beijing University of Aeronautics and Astronautics, Beijing, 100191, China
AbstractAng laminate structure mao ang usa sa kasagarang gigamit nga composite configurations para sa mga composite, pero ang delamination maoy nahimong main failure mode tungod sa huyang nga interlaminar properties. Ang panukiduki bahin sa multi-layer laminate stratification ug pagpalapad nga pamatasan nga sagad gigamit sa praktis sa engineering kanunay nga usa ka mainit nga hilisgutan alang sa mga iskolar. Niini nga papel, ang mga resulta sa panukiduki sa carbon fiber reinforced composite delamination sa Chongqing University ug Beijing University of Aeronautics and Astronautics Fatigue Fracture Laboratory gipaila gikan sa duha ka aspeto sa eksperimental nga panukiduki ug numerical simulation. Sa katapusan, ang direksyon sa pag-uswag sa uma gipaabut.
Keyword:carbon fiber reinforced composite, laminate, delamination, kakapoy stratification
pasiuna
Ang mga komposit nga materyales adunay maayo kaayo nga mga kabtangan sama sa taas nga piho nga kusog ug taas nga piho nga pagkagahi, ug kaylap nga gigamit sa aerospace, teknolohiya sa enerhiya, ug sibil nga transportasyon ug konstruksyon. Atol sa pagproseso ug paggamit sa mga composite nga materyales, ang mga lanot ug matrix moagi sa lain-laing ang-ang sa kadaot ubos sa load. Ang kasagarang mga paagi sa kapakyasan alang sa mga composite laminates naglakip sa kadaot sa interlayer ug kadaot sulod sa mga lut-od. Tungod sa kakulang sa pagpalig-on sa gibag-on nga direksyon, ang lateral mekanikal nga mga kabtangan sa laminate dili maayo, ug ang pagkadaot sa delamination lagmit nga mahitabo sa ilawom sa mga pagkarga sa epekto sa gawas. Ang panghitabo ug pagpalapad sa stratified nga kadaot modala ngadto sa pagkunhod sa structural rigidity ug kalig-on, ug bisan sa hinungdan sa katalagman aksidente.[1-3]. Busa, ang problema sa delamination labi nga nabalaka sa disenyo sa istruktura ug pag-analisar sa kusog sa mga komposit nga materyales, ug kinahanglan nga tun-an ang layered nga pagpalapad nga pamatasan sa mga komposit nga materyales.[4].
Pagpanukiduki sa layered expansion nga kinaiya sa laminate
1. Eksperimento nga pagtuon
Ang katig-a sa interlaminar fracture usa ka kinaiya nga parameter sa mekanikal nga mga kabtangan tali sa mga composite layer. Ang katugbang nga mga sumbanan sa pagsulay natukod alang sa pagtino sa katig-a sa interlaminar fracture sa Type I, Type II ug I/II hybrid unidirectional laminates. Ang katugbang nga test apparatus gipakita sa Figure 1. Bisan pa, ang multi-directional laminates sa mga composite nga materyales sagad gigamit sa aktuwal nga istruktura sa engineering. Busa, ang eksperimento nga pagtuon sa stratification ug pagpalapad nga kinaiya sa multi-directional laminates adunay mas importante nga theoretical significance ug engineering value. Ang multi-layer laminate layer initiation ug pagpalapad mahitabo tali sa mga interface nga adunay arbitraryong layering nga mga anggulo, ug ang layered nga pagpalapad nga kinaiya lahi kaayo gikan sa unidirectional laminates, ug ang mekanismo sa pagpalapad mas komplikado. Ang mga tigdukiduki adunay medyo gamay nga eksperimento nga mga pagtuon sa multi-directional laminates, ug ang determinasyon sa interlaminar fracture kalig-on wala pa makatukod og internasyonal nga sumbanan. Ang research team migamit sa T700 ug T800 carbon fiber sa pagdesinyo sa lain-laing mga composite laminates uban sa lain-laing mga interface layup anggulo, ug gitun-an ang impluwensya sa interface layup anggulo ug fiber bridging sa static ug kakapoy delamination kinaiya. Nakaplagan nga ang fiber bridging nga naporma sa trailing edge sa layer adunay dakong impluwensya sa interlaminar fracture toughness. Samtang ang stratification nagpalapad, ang interlaminar fracture kalig-on anam-anam nga motaas gikan sa usa ka ubos nga inisyal nga bili, ug sa diha nga ang stratification makaabot sa usa ka piho nga gitas-on, kini makaabot sa usa ka lig-on nga bili, nga mao, ang R resistance curve phenomenon. Ang inisyal nga pagkabali nga katig-a sa interlayer hapit managsama ug gibana-bana nga parehas sa pagkabali nga katig-a sa resin, nga nagdepende sa pagkabali nga katig-a sa matrix mismo[5, 6]. Bisan pa, ang interlaminar fracture toughness extension nga mga kantidad sa lainlaing mga interface lainlain kaayo. Mahinungdanon nga interface layer anggulo dependence gipresentar. Agig tubag niini nga pagsalig, si Zhao et al.[5]base sa pisikal nga mekanismo sa stratified resistensya tinubdan, kini giisip nga ang interlaminar bali kalig-on kalig-on bili naglangkob sa duha ka bahin, ang usa ka bahin mao ang bali buhat sa walay kalabutan nga layer interface, ug ang laing bahin mao ang intralayer kadaot ug fiber. Ang buhat sa bali tungod sa pagdugtong. Pinaagi sa finite element analysis sa stress front field sa layered front, makita nga ang ikaduhang bahin sa fracture work nagdepende sa giladmon sa delamination front damage zone (sama sa gipakita sa Figure 3), ug ang giladmon sa damage zone proporsyonal sa anggulo sa interface layup. Ang usa ka teoretikal nga modelo sa I-type nga fracture toughness stability value nga gipahayag sa sinusoidal function sa anggulo sa interface layer gipresentar.
Gong ug uban pa.[7]gihimo ang I/II hybrid stratification test ubos sa lain-laing mga mixing ratios, ug nakit-an nga ang I/II hybrid stratification sa laminate usab adunay mahinungdanong R resistance curve nga mga kinaiya. Pinaagi sa pag-analisa sa pagkabali sa katig-a tali sa lainlaing mga piraso sa pagsulay, nahibal-an nga ang inisyal nga kantidad ug ang lig-on nga kantidad sa interlaminar fracture katig-a sa piraso sa pagsulay nga pagtaas sa kamahinungdanon sa pagtaas sa ratio sa pagsagol. Dugang pa, ang inisyal ug lig-on nga pagkabali nga katig-a sa interlayer ubos sa lain-laing mga ratios sa pagsagol mahimong gihulagway sa BK criterion.
Sa mga termino sa stratification sa kakapoy, ang mahinungdanon nga fiber bridging naobserbahan usab sa panahon sa pagsulay. Pinaagi sa pag-analisar sa datos sa pagsulay, nahibal-an nga ang pagpalapad sa delamination sa kakapoy sa composite nga materyal naapektuhan sa "kurba sa resistensya", aron ang tradisyonal nga fatigue stratification expansion rate model ug ang threshold value dili na magamit. Sa basehan sa theoretical analysis, si Zhang ug Peng[4,8,9]gipaila ang kakapoy nga delamination expansion resistance aron ipahayag ang kusog nga gikinahanglan alang sa fatigue delamination nga pagpalapad sa mga composite nga materyales, ug dugang nga gisugyot ang normalized strain energy. Ang release rate mao ang fatigue stratified expansion rate model ug threshold value sa control parameters. Ang paggamit sa modelo ug ang normalized threshold parameter gipamatud-an sa mga eksperimento. Dugang pa, Zhao et al.[3]komprehensibo nga gikonsiderar ang mga epekto sa fiber bridging, stress ratio ug load-mixing ratio sa fatigue stratification ug expansion behavior, ug nagtukod og normalized fatigue stratified expansion rate model nga gikonsiderar ang impluwensya sa stress ratio. Ang katukma sa modelo gipamatud-an pinaagi sa mga pagsulay sa stratification sa kakapoy nga adunay lainlaing mga ratios sa stress ug mga ratios sa pagsagol. Alang sa pisikal nga gidaghanon sa kakapoy stratified expansion resistance sa normalized fatigue stratified expansion rate model, Gong et al.[1]mabuntog ang kahuyang sa pamaagi sa kalkulasyon nga makakuha lamang og limitado nga discrete data points pinaagi sa mga eksperimento, ug magtukod og kakapoy gikan sa energy point of view. Usa ka analitikal nga modelo alang sa pagkalkula sa stratified extended resistance. Ang modelo makaamgo sa quantitative determinasyon sa kakapoy stratification ug pagpalapad resistensya, ug paghatag og teoretikal nga suporta alang sa paggamit sa gisugyot nga normalized kakapoy stratified expansion rate modelo.
Figure 1 stratified test device diagram
Figure 2 Inter-layer fracture katig-a R resistance curve[5]
Figure 3 Layered leading edge damage zone ug stratified extended morphology[5]
2. Numerical simulation nga pagtuon
Ang numerical simulation sa layered expansion usa ka importante nga research content sa natad sa composite structure design. Kung gitagna ang pagkapakyas sa delamination sa mga composite unidirectional laminates, ang kasamtangan nga stratification expansion criteria kasagarang naggamit sa kanunay nga interlaminar fracture toughness isip sukaranan nga parameter sa performance.[10], pinaagi sa pagtandi sa crack tip energy release rate ug interlaminar fracture toughness. Gidak-on aron mahibal-an kung ang layering nagpalapad. Ang mekanismo sa pagkapakyas sa multi-directional laminates komplikado[11,12], nga gihulagway sa mahinungdanong R resistance curves[5,13]. Ang kasamtangan nga layered expansion criteria wala magtagad niini nga bahin ug wala magamit sa simulation sa delamination nga kinaiya sa fiber-containing bridged multidirectional laminates. Gong ug uban pa.[10, 13]gipauswag ang kasamtangan nga stratified expansion criteria ug gisugyot nga ipaila ang R resistance curve ngadto sa criteria, ug base niini, nagtukod og usa ka stratified expansion criterion nga gikonsiderar ang mga epekto sa fiber bridging. Ang kahulugan ug paggamit nga mga parameter sa bilinear constitutive cohesive unit sistematikong gitun-an pinaagi sa numerical nga mga pamaagi, lakip ang inisyal nga interface stiffness, interface strength, viscosity coefficient ug ang minimum nga gidaghanon sa mga elemento sa cohesive force zone. Gitukod ang katugbang nga modelo sa parameter sa unit nga managsama. Sa katapusan, ang pagka-epektibo ug paggamit sa gipaayo nga layered expansion criterion ug cohesive unit parameter model gipamatud-an pinaagi sa static stratification test. Bisan pa, ang gipaayo nga pamatasan magamit lamang alang sa usa ka dimensiyon nga layered nga simulation tungod sa mga dependency sa posisyon ug dili alang sa duha o tulo ka dimensiyon nga hierarchical extension. Aron masulbad kini nga problema, ang tagsulat dugang nga nagsugyot og usa ka bag-ong trilinear cohesive force constitutive nga gikonsiderar ang fiber bridging.[14]. Ang constitutive nga relasyon mohaum sa komplikado nga proseso sa layered nga pagpalapad gikan sa mikroskopiko nga panglantaw, ug adunay mga bentaha sa yano nga mga parameter ug tin-aw nga pisikal nga kahulogan.
Dugang pa, aron tukma nga masundog ang stratified migration phenomenon nga kasagaran sa proseso sa stratification sa multi-directional laminates[11,12], Zhao ug uban pa.[11,12]misugyot ug crack path guidance model base sa extended finite element, nga nagsundog sa usa ka espesyal nga disenyo. Hierarchical nga paglalin sa usa ka composite stratification test. Sa samang higayon, usa ka layered expansion model ang gisugyot alang sa zigzag layered expansion behavior sa 90°/90° layered interface, nga tukma nga nagsundog sa layered expansion behavior sa 90°/90° interface.
Figure 4 Numerical simulation sa layered migration ug mga resulta sa eksperimento[15]
Panapos
Kini nga papel nagpunting sa mga resulta sa panukiduki niini nga grupo sa natad sa composite laminate delamination. Ang mga eksperimento nga aspeto nag-una naglakip sa impluwensya sa interface layup anggulo ug fiber bridging sa static ug fatigue delamination expansion nga kinaiya. Pinaagi sa daghang gidaghanon sa mga eksperimento nga pagtuon, nakit-an nga ang multi-directional laminate failure nga mekanismo sa mga composite nga materyales komplikado. Ang fiber bridging usa ka komon nga mekanismo sa pagpatig-a sa multi-directional laminates, nga mao ang nag-unang rason sa R-resistance curve sa interlaminar fracture toughness. Sa pagkakaron, ang R resistance curve nga pagtuon ubos sa II stratification medyo kulang ug nagkinahanglan ug dugang panukiduki. Sugod gikan sa mekanismo sa kapakyasan, gisugyot ang modelo sa stratification sa kakapoy lakip ang lainlaing mga hinungdan sa pag-impluwensya, nga usa ka direksyon sa panukiduki sa stratification sa kakapoy. Sa termino sa numerical simulation, ang grupo sa panukiduki nagsugyot og usa ka gipaayo nga hierarchical expansion criterion ug usa ka cohesive constitutive model aron makonsiderar ang impluwensya sa fiber bridging sa stratified expansion nga kinaiya. Dugang pa, ang gipalawig nga finite element gigamit aron mas maayo nga masundog ang hierarchical migration phenomenon. Kini nga pamaagi nagwagtang sa panginahanglan alang sa maayo nga cell division, pagwagtang sa mga problema nga nalangkit sa mata sa baling re-division. Kini adunay talagsaon nga mga bentaha sa pagsundog sa stratification sa arbitraryong mga porma, ug dugang nga engineering application research niini nga pamaagi gikinahanglan sa umaabot.[16].
Mga pakisayran
[1] Y Gong, L Zhao, J Zhang, N Hu. Usa ka nobela nga modelo alang sa pagtino sa kakapoy delamination pagsukol sa composite laminates gikan sa usa ka panglantaw sa enerhiya. Compos Sci Technol 2018; 167: 489-96.
[2] L Zhao, Y Wang, J Zhang, Y Gong, N Hu, N Li. XFEM-based nga modelo alang sa pagsundog sa zigzag delamination nga pagtubo sa laminated composites ubos sa mode I loading. Compos Struct 2017; 160: 1155-62.
[3] L Zhao, Y Gong, J Zhang, Y Wang, Z Lu, L Peng, N Hu. Usa ka nobela nga paghubad sa pamatasan sa pagtubo sa kakapoy sa delamination sa CFRP multidirectional laminates. Compos Sci Technol 2016; 133:79-88.
[4] L Peng, J Zhang, L Zhao, R Bao, H Yang, B Fei. Mode I delamination nga pagtubo sa multidirectional composite laminates ubos sa fatigue loading. J Compos Mater 2011; 45: 1077-90.
[5] L Zhao, Y Wang, J Zhang, Y Gong, Z Lu, N Hu, J Xu. Usa ka modelo nga nagsalig sa interface sa kalig-on sa pagkabali sa talampas sa multidirectional CFRP laminates ubos sa mode I loading. Composite Bahin B: Engineering 2017; 131: 196-208.
[6] L Zhao, Y Gong, J Zhang, Y Chen, B Fei. Ang simulation sa pagtubo sa delamination sa multidirectional laminates ubos sa mode I ug mixed mode I/II loadings gamit ang cohesive elements. Compos Struct 2014; 116: 509-22.
[7] Y Gong, B Zhang, L Zhao, J Zhang, N Hu, C Zhang. R-curve nga kinaiya sa mixed-mode I/II delamination sa carbon/epoxy laminates nga adunay unidirectional ug multidirectional interface. Compos Struct 2019. (Ubos sa Pagrepaso).
[8] L Peng, J Xu, J Zhang, L Zhao. Mixed mode delamination nga pagtubo sa multidirectional composite laminates ubos sa fatigue loading. Eng Fract Mech 2012; 96: 676-86.
[9] J Zhang, L Peng, L Zhao, B Fei. Kakapoy delamination rate sa pagtubo ug thresholds sa composite laminates ubos sa mixed mode loading. Int J Kakapoy 2012; 40:7-15.
[10] Y Gong, L Zhao, J Zhang, Y Wang, N Hu. Ang sukdanan sa pagpalapad sa delamination lakip na ang epekto sa fiber bridging alang sa mixed-mode I/II delamination sa CFRP multidirectional laminates. Compos Sci Technol 2017; 151: 302-9.
[11] Y Gong, B Zhang, SR Hallett. Ang delamination migration sa multidirectional composite laminates ubos sa mode I quasi-static ug fatigue loading. Compos Struct 2018; 189: 160-76.
[12] Y Gong, B Zhang, S Mukhopadhyay, SR Hallett. Eksperimental nga pagtuon sa delamination migration sa multidirectional laminates ubos sa mode II static ug fatigue loading, uban sa pagtandi sa mode I. Compos Struct 2018; 201: 683-98.
[13] Y Gong, L Zhao, J Zhang, N Hu. Usa ka gipaayo nga kriterya sa balaod sa gahum alang sa paglansad sa delamination nga adunay epekto sa dako nga pagsumpay sa fiber sa mga composite multidirectional laminates. Compos Struct 2018; 184: 961-8.
[14] Y Gong, Y Hou, L Zhao, W Li, G Yang, J Zhang, N Hu. Usa ka nobela nga three-linear cohesive zone model alang sa delamination nga pagtubo sa DCB laminates nga adunay epekto sa fiber bridging. Compos Struct 2019. (Isumiter)
[15] L Zhao, J Zhi, J Zhang, Z Liu, N Hu. XFEM simulation sa delamination sa composite laminates. Composite Bahin A: Applied Science ug Manufacturing 2016; 80:61-71.
[16] Zhao Libin, Gong Yu, Zhang Jianyu. Pag-uswag sa panukiduki sa stratified expansion nga kinaiya sa fiber reinforced composite laminates. Journal sa Aeronautical Sciences 2019: 1-28.
Tinubdan:Gong Yu, Wang Yana, Peng Lei, Zhao Libin, Zhang Jianyu.Pagtuon sa stratified expansion kinaiya sa advanced carbon fiber reinforced composite laminates[C]. Mechanics ug Engineering - Numerical Computation ug Data Analysis 2019 Academic Conference. Chinese Society of Mechanics, Beijing Mechanics Society, 2019. pinaagi sa ixueshu
Panahon sa pag-post: Nob-15-2019