Studiu nantu à u cumpurtamentu di espansione stratificata di fogli di laminati cumposti rinforzati cù fibra di carbone avanzata

MECCANICA È INGEGNERIA - Calculu Numericu è Analisi di Dati
Meccanica è Ingegneria - Calculi Numerichi è Analisi di Dati Cunferenza Accademica 2019, 19-21 d'aprile 2019, Pechino
19-21 d'aprile 2019, Pechino, Cina

Studiu nantu à u cumpurtamentu di espansione stratificata di fogli di laminati cumposti rinforzati cù fibra di carbone avanzata

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

¹Università di Chongqing, Chongqing, 400044, Cina
²Istitutu di Ricerca di l'Aviazione Cinese Istitutu di Ricerca di Materiali Aeronautici di Pechino, Pechino, 100095, Cina
³Aerei Cummerciali Cinesi Centru di Ricerca Tecnulugica di l'Aerei Civili di Pechino, Pechino, 102211, Cina
⁴Università di Aeronautica è Astronautica di Pechino, Pechino, 100191, Cina

AstrattuA struttura laminata hè una di e cunfigurazioni cumposte più cumunimenti aduprate per i cumposti, ma a delaminazione diventa u so principale modu di fallimentu per via di e debuli proprietà interlaminari. A ricerca nantu à a stratificazione di u laminatu multistratu è u cumpurtamentu di espansione cumunemente adupratu in a pratica di l'ingegneria hè sempre stata un tema caldu per i studiosi. In questu articulu, i risultati di a ricerca di a delaminazione cumposta rinforzata cù fibra di carbone in l'Università di Chongqing è in u Laboratoriu di Frattura da Fatica di l'Università di Pechino di Aeronautica è Astronautica sò presentati da dui aspetti di a ricerca sperimentale è di a simulazione numerica. Infine, a direzzione di sviluppu di u campu hè prospettata.

Parole chjave:cumpostu rinforzatu cù fibre di carbone, laminatu, delaminazione, stratificazione di fatica

introduzione

I materiali cumposti anu proprietà eccellenti cum'è una resistenza specifica elevata è una rigidità specifica elevata, è sò stati largamente aduprati in l'aerospaziale, a tecnulugia energetica, è u trasportu civile è a custruzzione. Durante a trasfurmazione è l'usu di materiali cumposti, e fibre è a matrice subiscenu diversi gradi di danni sottu carica. I modi di fallimentu cumuni per i laminati cumposti includenu danni interstrati è danni in i strati. A causa di a mancanza di rinforzu in a direzzione di u spessore, e proprietà meccaniche laterali di u laminatu sò scarse, è hè assai prubabile chì i danni di delaminazione si verifichinu sottu carichi d'impattu esterni. L'occorrenza è l'espansione di danni stratificati portanu à una diminuzione di a rigidità è di a resistenza strutturale, è ancu causanu incidenti catastrofichi.^[1-3]Dunque, u prublema di a delaminazione hè sempre più preoccupatu da a cuncepzione strutturale è l'analisi di resistenza di i materiali cumposti, è hè necessariu studià u cumpurtamentu di espansione stratificata di i materiali cumposti.^[4].

Ricerca nantu à u cumpurtamentu di espansione stratificata di laminatu
1. Studiu sperimentale

A tenacità à a frattura interlaminare hè un parametru caratteristicu di e proprietà meccaniche trà i strati cumposti. I standard di prova currispondenti sò stati stabiliti per a determinazione di a tenacità à a frattura interlaminare di laminati unidirezionali ibridi di Tipu I, Tipu II è I/II. L'apparatu di prova currispundente hè mostratu in a Figura 1. Tuttavia, i laminati multidirezionali di materiali cumposti sò spessu usati in a struttura ingegneristica attuale. Dunque, u studiu sperimentale nantu à u cumpurtamentu di stratificazione è espansione di laminati multidirezionali hà un significatu teoricu è un valore ingegneristicu più impurtanti. L'iniziu è l'espansione di u stratu di laminatu multistratu si verificanu trà interfacce cù anguli di stratificazione arbitrari, è u cumpurtamentu di espansione stratificata hè significativamente differente da quellu di i laminati unidirezionali, è u mecanismu di espansione hè più cumplicatu. I circadori anu relativamente pochi studii sperimentali nantu à i laminati multidirezionali, è a determinazione di a tenacità à a frattura interlaminare ùn hà ancu stabilitu un standard internaziunale. A squadra di ricerca hà utilizatu a fibra di carboniu T700 è T800 per cuncepisce una varietà di laminati cumposti cù diversi anguli di layup di l'interfaccia, è hà studiatu l'influenza di l'angulu di layup di l'interfaccia è di u ponte di fibre nantu à u cumpurtamentu di delaminazione statica è di fatica. Hè statu trovu chì u ponte di fibre furmatu da u bordu posteriore di u stratu hà una grande influenza nantu à a tenacità di frattura interlaminare. Mentre a stratificazione si espande, a tenacità di frattura interlaminare aumenterà gradualmente da un valore iniziale più bassu, è quandu a stratificazione righjunghje una certa lunghezza, righjunghje un valore stabile, vale à dì, u fenomenu di a curva di resistenza R. A tenacità di frattura iniziale di l'interstratu hè guasi uguale è apprussimativamente uguale à a tenacità di frattura di a resina, chì dipende da a tenacità di frattura di a matrice stessa.^{[5, 6]}Tuttavia, i valori di estensione di a tenacità di a frattura interlaminare di diverse interfacce varianu assai. Hè presentata una dipendenza significativa da l'angulu di u stratu d'interfaccia. In risposta à sta dipendenza, Zhao et al.^[5]Basatu annantu à u mecanismu fisicu di a fonte di resistenza stratificata, si cunsidereghja chì u valore di stabilità di a tenacità di a frattura interlaminare hè custituitu da duie parti, una parte hè u travagliu di frattura di l'interfaccia di u stratu micca ligatu, è l'altra parte hè u dannu intrastratu è a fibra. U travagliu di frattura causatu da u bridging. Attraversu l'analisi di l'elementi finiti di u campu di u fronte di stress di u fronte stratificatu, si trova chì a seconda parte di u travagliu di frattura dipende da a prufundità di a zona di dannu di u fronte di delaminazione (cum'è mostratu in a Figura 3), è a prufundità di a zona di dannu hè proporzionale à l'angulu di layup di l'interfaccia. Hè presentatu un mudellu teoricu di u valore di stabilità di a tenacità di a frattura di tipu I espressu da a funzione sinusoidale di l'angulu di u stratu di l'interfaccia.
Gong è altri.^[7]anu realizatu a prova di stratificazione ibrida I/II sottu à diversi rapporti di mischju, è anu trovu chì a stratificazione ibrida I/II in u laminatu hà ancu caratteristiche significative di a curva di resistenza R. Attraversu l'analisi di a tenacità à a frattura trà diversi pezzi di prova, si hè trovu chì u valore iniziale è u valore stabile di a tenacità à a frattura interlaminare di u pezzu di prova aumentanu significativamente cù l'aumentu di u rapportu di mischju. Inoltre, a tenacità à a frattura iniziale è stabile di l'interstratu sottu à diversi rapporti di mischju pò esse descritta da u criteriu BK.
In termini di stratificazione di fatica, hè statu ancu osservatu un ponte significativu di fibre durante a prova. Attraversu l'analisi di i dati di prova, si hè constatatu chì l'espansione di delaminazione di fatica di u materiale cumpostu hè influenzata da a "curva di resistenza", cusì chì u mudellu tradiziunale di u tassu di espansione di a stratificazione di fatica è u valore di soglia ùn sò più applicabili. Sicondu l'analisi teorica, Zhang è Peng^[4,8,9]anu introduttu a resistenza à a dilatazione di a delaminazione per fatica per sprimà l'energia necessaria per a dilatazione di a delaminazione per fatica di i materiali cumposti, è anu ancu prupostu l'energia di deformazione nurmalizzata. A velocità di liberazione hè u mudellu di velocità di dilatazione stratificata per fatica è u valore di soglia di i parametri di cuntrollu. L'applicabilità di u mudellu è u parametru di soglia nurmalizatu hè verificata da esperimenti. Inoltre, Zhao et al.^[3]anu cunsideratu cumpletamente l'effetti di u bridging di e fibre, u rapportu di stress è u rapportu di mischju di carica nantu à a stratificazione di a fatica è u cumpurtamentu di espansione, è anu stabilitu un mudellu di velocità di espansione stratificata à fatica nurmalizatu tenendu contu di l'influenza di u rapportu di stress. L'accuratezza di u mudellu hè stata verificata da testi di stratificazione di a fatica cù diversi rapporti di stress è rapporti di mischju. Per a quantità fisica di a resistenza à l'espansione stratificata à a fatica in u mudellu di velocità di espansione stratificata à a fatica nurmalizatu, Gong et al.^[1]superà a debulezza di u metudu di calculu chì pò ottene solu punti di dati discreti limitati per mezu di esperimenti, è stabilisce a fatigue da u puntu di vista energeticu. Un mudellu analiticu per u calculu di a resistenza estesa stratificata. U mudellu pò realizà a determinazione quantitativa di a stratificazione di a fatigue è di a resistenza à l'espansione, è furnisce un supportu teoricu per l'applicazione di u mudellu di velocità di espansione stratificata di fatigue nurmalizzata prupostu.

Figura 1 diagramma di u dispusitivu di prova stratificatu

Figura 2 Curva di resistenza R di a tenacità à a frattura interstrata^[5]


Figura 3 Zona di danni di u bordu d'attaccu stratificata è morfologia estesa stratificata^[5]

2. Studiu di simulazione numerica

A simulazione numerica di l'espansione stratificata hè un cuntenutu di ricerca impurtante in u campu di a cuncepzione di strutture cumposte. Quandu si prevede a rottura di delaminazione di laminati unidirezionali cumposti, i criteri di espansione di stratificazione esistenti utilizanu di solitu una tenacità di frattura interlaminare costante cum'è parametru di prestazione di basa.^[10], paragunendu a velocità di liberazione di l'energia di a punta di a crepa è a tenacità di a frattura interlaminare. Dimensione per determinà se a stratificazione si espande. U mecanismu di fallimentu di i laminati multidirezionali hè cumplessu^[11,12], chì hè carattarizata da curve di resistenza R significative^[5,13]I criteri di espansione stratificata esistenti ùn tenenu micca contu di sta caratteristica è ùn s'applicanu micca à a simulazione di u cumpurtamentu di delaminazione di laminati multidirezionali à ponte chì cuntenenu fibre. Gong et al.^{[10, 13]}hà migliuratu i criteri di espansione stratificata esistenti è hà prupostu d'introduce a curva di resistenza R in i criteri, è basatu annantu à questu, hà stabilitu un criteriu di espansione stratificata chì cunsidereghja l'effetti di u bridging di fibre. I parametri di definizione è d'usu di l'unità cuesiva custitutiva bilineare sò stati studiati sistematicamente per metudi numerichi, cumprese a rigidità iniziale di l'interfaccia, a forza di l'interfaccia, u coefficientu di viscosità è u numeru minimu di elementi in a zona di forza cuesiva. U mudellu di parametri di unità cuesiva currispundente hè statu stabilitu. Infine, l'efficacità è l'applicabilità di u criteriu di espansione stratificata miglioratu è di u mudellu di parametri di unità cuesiva sò verificate da test di stratificazione statica. Tuttavia, i criteri migliorati ponu esse aduprati solu per simulazioni stratificate unidimensionali per via di dipendenze pusizionali è micca per estensioni gerarchiche bidimensionali o tridimensionali. Per risolve stu prublema, l'autore hà ancu prupostu una nova custitutiva di forza cuesiva trilineare chì cunsidereghja u bridging di fibre.^[14]A relazione custitutiva s'adatta à u prucessu cumplessu di espansione stratificata da una perspettiva microscopica, è hà i vantaghji di parametri simplici è un significatu fisicu chjaru.
Inoltre, per simulà accuratamente u fenomenu di migrazione stratificata cumunu in u prucessu di stratificazione di laminati multidirezionali^[11,12], Zhao et al.^[11,12]hà prupostu un mudellu di guida di u percorsu di crepa basatu annantu à l'elementu finitu estesu, simulendu un cuncepimentu speciale. Migrazione gerarchica in una prova di stratificazione cumposta. À u listessu tempu, un mudellu di espansione stratificata hè prupostu per u cumpurtamentu di espansione stratificata zigzag longu l'interfaccia stratificata 90°/90°, chì simula accuratamente u cumpurtamentu di espansione stratificata di l'interfaccia 90°/90°.

Figura 4 Simulazione numerica di a migrazione stratificata è risultati sperimentali^[15]

Cunclusione

Stu articulu si cuncentra nantu à i risultati di ricerca di stu gruppu in u campu di a delaminazione di laminati cumposti. L'aspetti sperimentali includenu principalmente l'influenza di l'angulu di layup di l'interfaccia è di u bridging di e fibre nantu à u cumpurtamentu di espansione statica è di delaminazione à fatica. Attraversu un gran numeru di studii sperimentali, si hè trovu chì u mecanismu di rottura di i laminati multidirezionali di i materiali cumposti hè cumplicatu. U bridging di e fibre hè un mecanismu cumunu di rinforzu di i laminati multidirezionali, chì hè a ragione principale di a curva di resistenza R di a tenacità di a frattura interlaminare. Attualmente, u studiu di a curva di resistenza R sottu a stratificazione II hè relativamente carente è hà bisognu di più ricerche. Partendu da u mecanismu di rottura, si propone u mudellu di stratificazione à fatica chì include diversi fattori d'influenza, chì hè una direzzione di a ricerca nantu à a stratificazione à fatica. In termini di simulazione numerica, u gruppu di ricerca hà prupostu un criteriu di espansione gerarchica miglioratu è un mudellu custitutivu coesivu per cunsiderà l'influenza di u bridging di e fibre nantu à u cumpurtamentu di espansione stratificata. Inoltre, l'elementu finitu allargatu hè utilizatu per simulà megliu u fenomenu di migrazione gerarchica. Stu metudu elimina a necessità di una divisione cellulare fina, eliminendu i prublemi assuciati à a ridivisione di a maglia. Hà vantaghji unichi in a simulazione di a stratificazione di forme arbitrarie, è più ricerca d'applicazione ingegneristica di stu metudu hè necessaria in u futuru.^[16].

Referenze

[1] Y Gong, L Zhao, J Zhang, N Hu. Un novu mudellu per determinà a resistenza à a delaminazione à fatica in laminati cumposti da un puntu di vista energeticu. Compos Sci Technol 2018; 167: 489-96.
[2] L Zhao, Y Wang, J Zhang, Y Gong, N Hu, N Li. Modellu basatu annantu à XFEM per simulà a crescita di a delaminazione à zigzag in cumposti laminati sottu carica di modu I. Compos Struct 2017; 160: 1155-62.
[3] L Zhao, Y Gong, J Zhang, Y Wang, Z Lu, L Peng, N Hu. Una nova interpretazione di u cumpurtamentu di crescita di a delaminazione per fatica in laminati multidirezionali CFRP. Compos Sci Technol 2016; 133: 79-88.
[4] L Peng, J Zhang, L Zhao, R Bao, H Yang, B Fei. Crescita di delaminazione di Modu I di laminati cumposti multidirezionali sottu carica di fatica. J Compos Mater 2011; 45: 1077-90.
[5] L Zhao, Y Wang, J Zhang, Y Gong, Z Lu, N Hu, J Xu. Un mudellu dipendente da l'interfaccia di a tenacità di a frattura di u plateau in laminati CFRP multidirezionali sottu carica di modu I. Composites Part B: Engineering 2017; 131: 196-208.
[6] L Zhao, Y Gong, J Zhang, Y Chen, B Fei. Simulazione di a crescita di a delaminazione in laminati multidirezionali sottu carichi di modu I è di modu mistu I/II utilizendu elementi coesivi. Compos Struct 2014; 116: 509-22.
[7] Y Gong, B Zhang, L Zhao, J Zhang, N Hu, C Zhang. Cumportamentu di a curva R di a delaminazione I/II in modu mistu in laminati di carbone/epossidu cù interfacce unidirezionali è multidirezionali. Compos Struct 2019. (In corsu di rivista).
[8] L Peng, J Xu, J Zhang, L Zhao. Crescita di delaminazione in modu mistu di laminati cumposti multidirezionali sottu carica di fatica. Eng Fract Mech 2012; 96: 676-86.
[9] J Zhang, L Peng, L Zhao, B Fei. Tassi di crescita di delaminazione per fatica è limiti di laminati cumposti sottu carica in modu mistu. Int J Fatigue 2012; 40: 7-15.
[10] Y Gong, L Zhao, J Zhang, Y Wang, N Hu. Criteriu di propagazione di a delaminazione cumprendu l'effettu di u ponte di fibre per a delaminazione I/II in modu mistu in laminati multidirezionali CFRP. Compos Sci Technol 2017; 151: 302-9.
[11] Y Gong, B Zhang, SR Hallett. Migrazione di delaminazione in laminati cumposti multidirezionali sottu carica quasi-statica è di fatica di modu I. Compos Struct 2018; 189: 160-76.
[12] Y Gong, B Zhang, S Mukhopadhyay, SR Hallett. Studiu sperimentale nantu à a migrazione di delaminazione in laminati multidirezionali sottu carica statica è di fatica di modu II, cù paragone à u modu I. Compos Struct 2018; 201: 683-98.
[13] Y Gong, L Zhao, J Zhang, N Hu. Un criteriu di lege di putenza miglioratu per a propagazione di a delaminazione cù l'effettu di u bridging di fibre à grande scala in laminati cumposti multidirezionali. Compos Struct 2018; 184: 961-8.
[14] Y Gong, Y Hou, L Zhao, W Li, G Yang, J Zhang, N Hu. Un novu mudellu di zona coesiva trilineare per a crescita di delaminazione in laminati DCB cù l'effettu di ponte di fibre. Compos Struct 2019. (Da presentà)
[15] L Zhao, J Zhi, J Zhang, Z Liu, N Hu. Simulazione XFEM di delaminazione in laminati cumposti. Compositi Parte A: Scienza Applicata è Fabbricazione 2016; 80: 61-71.
[16] Zhao Libin, Gong Yu, Zhang Jianyu. Progressi di a ricerca nantu à u cumpurtamentu di espansione stratificata di laminati cumposti rinforzati cù fibre. Journal of Aeronautical Sciences 2019: 1-28.

Fonte:Gong Yu, Wang Yana, Peng Lei, Zhao Libin, Zhang Jianyu. Studiu nantu à u cumpurtamentu di espansione stratificata di laminati cumposti rinforzati cù fibre di carbone avanzate [C]. Meccanica è Ingegneria - Calculu Numericu è Analisi di Dati 2019 Cunferenza Accademica. Società Cinese di Meccanica, Società di Meccanica di Pechino, 2019. via ixueshu