MECHANIKA A STROJÍRENSTVÍ - Numerické výpočty a analýza dat
Akademická konference Mechanika a inženýrství — Numerické výpočty a analýza dat 2019, 19.–21. dubna 2019, Peking
19.–21. dubna 2019, Peking, Čína
Studie chování vrstevnaté expanze pokročilých kompozitních laminátů vyztužených uhlíkovými vlákny
Gong Yu1*, Wang Yana2, Peng Lei3, Čao Libin4, Zhang Jianyu1
1Univerzita v Čchung-čchingu, Čchung-čching, 400044, Čína
2Čínský letecký výzkumný ústav, Pekingský výzkumný ústav leteckých materiálů, Peking, 100095, Čína
3Výzkumné centrum pro civilní letadla v Pekingu, Peking, 102211, Čína
4Pekingská univerzita letectví a astronautiky, Peking, 100191, Čína
AbstraktníLaminovaná struktura je jednou z nejčastěji používaných kompozitních konfigurací, ale delaminace se stává jejím hlavním způsobem selhání kvůli slabým interlaminárním vlastnostem. Výzkum chování vícevrstvých laminátů při stratifikaci a roztahování, běžně používaný v inženýrské praxi, byl vždy žhavým tématem pro vědce. V tomto článku jsou představeny výsledky výzkumu delaminace kompozitů vyztužených uhlíkovými vlákny, provedeného na Univerzitě v Čchung-čchingu a v Laboratoři únavového lomu Pekingské univerzity pro letectví a astronautiku, a to ze dvou hledisek: experimentálního výzkumu a numerické simulace. Nakonec je nastíněn směr rozvoje této oblasti.
Klíčová slova:kompozit vyztužený uhlíkovými vlákny, laminát, delaminace, únavová stratifikace
zavedení
Kompozitní materiály mají vynikající vlastnosti, jako je vysoká specifická pevnost a vysoká specifická tuhost, a široce se používají v leteckém průmyslu, energetických technologiích, dopravě a stavebnictví. Během zpracování a použití kompozitních materiálů dochází k různým stupňům poškození vlákna a matrice při zatížení. Mezi běžné způsoby selhání kompozitních laminátů patří poškození mezi vrstvami a poškození uvnitř vrstev. Vzhledem k nedostatku výztuže ve směru tloušťky jsou boční mechanické vlastnosti laminátu špatné a při vnějším nárazovém zatížení je vysoce pravděpodobné, že k poškození delaminací dojde. Výskyt a rozšíření vrstevnatého poškození povede ke snížení strukturální tuhosti a pevnosti a dokonce způsobí katastrofické nehody.[1–3]Problém delaminace se proto stále více zabývá konstrukčním návrhem a pevnostní analýzou kompozitních materiálů a je nutné studovat chování vrstevnaté expanze kompozitních materiálů.[4].
Výzkum chování laminátu při roztahování vrstev
1. Experimentální studie
Interlaminární lomová houževnatost je charakteristickým parametrem mechanických vlastností mezi kompozitními vrstvami. Pro stanovení interlaminární lomové houževnatosti jednosměrných laminátů typu I, typu II a I/II byly stanoveny odpovídající zkušební normy. Odpovídající zkušební zařízení je znázorněno na obrázku 1. Vícesměrné lamináty kompozitních materiálů se však často používají ve skutečných inženýrských konstrukcích. Experimentální studie chování stratifikace a expanze vícesměrných laminátů má proto důležitější teoretický význam a inženýrskou hodnotu. Iniciace a expanze vrstev vícevrstvého laminátu probíhá mezi rozhraními s libovolnými úhly vrstvení a chování vrstevnaté expanze se výrazně liší od chování jednosměrných laminátů a mechanismus expanze je složitější. Výzkumníci mají relativně málo experimentálních studií o vícesměrných laminátech a stanovení interlaminární lomové houževnatosti dosud nestanovilo mezinárodní standard. Výzkumný tým použil uhlíková vlákna T700 a T800 k návrhu různých kompozitních laminátů s různými úhly vrstvení rozhraní a studoval vliv úhlu vrstvení rozhraní a přemostění vláken na statické a únavové chování při delaminaci. Bylo zjištěno, že vláknité můstky tvořené zadní hranou vrstvy mají velký vliv na lomovou houževnatost mezivrstvy. S rozšiřováním vrstvy se lomová houževnatost mezivrstvy postupně zvyšuje z nižší počáteční hodnoty a když vrstva dosáhne určité délky, dosáhne stabilní hodnoty, tj. jevu křivky odporu R. Počáteční lomová houževnatost mezivrstvy je téměř stejná a přibližně rovna lomové houževnatosti pryskyřice, která závisí na lomové houževnatosti samotné matrice.[5, 6]Hodnoty prodloužení lomové houževnatosti mezivrstvy různých rozhraní se však značně liší. Je prezentována významná závislost na úhlu mezivrstvy. V reakci na tuto závislost Zhao a kol.[5]Na základě fyzikálního mechanismu zdroje stratifikovaného odporu se předpokládá, že hodnota stability lomové houževnatosti mezi vrstvami se skládá ze dvou částí, jednou částí je lomová práce rozhraní nesouvisejících vrstev a druhou částí je poškození uvnitř vrstev a vlákna. Lomová práce způsobená přemostěním. Analýzou konečných prvků pole napěťového čela vrstevnatého čela se zjistilo, že druhá část lomové práce závisí na hloubce zóny poškození delaminačního čela (jak je znázorněno na obrázku 3) a hloubka zóny poškození je úměrná úhlu vrstvení rozhraní. Je prezentován teoretický model hodnoty stability lomové houževnatosti typu I, vyjádřený sinusovou funkcí úhlu mezivrstvy.
Gong a kol.[7]provedli test hybridní stratifikace I/II za různých směšovacích poměrů a zjistili, že hybridní stratifikace I/II v laminátu má také významné charakteristiky křivky odporu R. Analýzou lomové houževnatosti mezi různými zkušebními vzorky bylo zjištěno, že počáteční hodnota a stabilní hodnota mezivrstvové lomové houževnatosti zkušebního vzorku se významně zvyšují se zvyšujícím se směšovacím poměrem. Kromě toho lze počáteční a stabilní lomovou houževnatost mezivrstvy za různých směšovacích poměrů popsat kritériem BK.
Pokud jde o únavovou stratifikaci, během testu bylo také pozorováno významné přemostění vláken. Analýzou zkušebních dat bylo zjištěno, že únavová delaminační expanze kompozitního materiálu je ovlivněna „křivkou odporu“, takže tradiční model rychlosti únavové stratifikace a prahová hodnota již nejsou použitelné. Na základě teoretické analýzy Zhang a Peng[4,8,9]zavedli odpor únavové delaminace k vyjádření energie potřebné pro únavovou delaminaci kompozitních materiálů a dále navrhli normalizovanou energii deformace. Rychlost uvolňování je model rychlosti stratifikované únavové expanze a prahová hodnota řídicích parametrů. Použitelnost modelu a normalizovaného prahového parametru je ověřena experimenty. Dále Zhao a kol.[3]komplexně zvážili vlivy přemostění vláken, poměru napětí a poměru zatížení k míchání na chování při únavové stratifikaci a roztahování a vytvořili normalizovaný model rychlosti únavové stratifikaci s ohledem na vliv poměru napětí. Přesnost modelu byla ověřena testy únavové stratifikaci s různými poměry napětí a směšovacími poměry. Pro fyzikální veličinu odporu při únavové stratifikaci v normalizovaném modelu rychlosti únavové stratifikaci Gong a kol.[1]překonat slabinu výpočetní metody, která umožňuje získat pouze omezený počet diskrétních datových bodů prostřednictvím experimentů, a stanovit únavu z energetického hlediska. Analytický model pro výpočet stratifikované prodloužené odolnosti. Model umožňuje kvantitativní stanovení únavové stratifikace a roztažné odolnosti a poskytuje teoretickou podporu pro aplikaci navrhovaného normalizovaného modelu rychlosti únavové stratifikované roztažnosti.
Obrázek 1 schéma stratifikovaného testovacího zařízení
Obrázek 2 Křivka lomové houževnatosti mezi vrstvami R[5]
Obrázek 3 Vrstvená zóna poškození náběžné hrany a stratifikovaná rozšířená morfologie[5]
2. Studie numerické simulace
Numerická simulace vrstevnaté expanze je důležitým výzkumným obsahem v oblasti návrhu kompozitních struktur. Při predikci delaminačního selhání kompozitních jednosměrných laminátů stávající kritéria stratifikační expanze obvykle používají konstantní mezivrstvovou lomovou houževnatost jako základní parametr výkonu.[10], porovnáním rychlosti uvolňování energie z hrotu trhliny a lomové houževnatosti mezivrstvy. Velikost pro určení, zda se vrstvení rozpíná. Mechanismus porušení vícesměrných laminátů je složitý[11,12], který se vyznačuje výraznými křivkami odporu R[5,13]Stávající kritéria pro vrstvenou expanzi tuto vlastnost nezohledňují a nevztahují se na simulaci chování delaminace u vláknitých můstkových vícesměrových laminátů. Gong a kol.[10, 13]vylepšil stávající kritéria stratifikované expanze a navrhl zavést do kritérií křivku odporu R a na základě toho stanovil kritérium stratifikované expanze zohledňující vlivy vláknového můstku. Definice a parametry použití bilineární konstitutivní kohezní jednotky byly systematicky studovány numerickými metodami, včetně počáteční tuhosti rozhraní, pevnosti rozhraní, koeficientu viskozity a minimálního počtu prvků v zóně kohezní síly. Byl stanoven odpovídající model parametrů kohezní jednotky. Nakonec byla účinnost a použitelnost vylepšeného kritéria vrstevnaté expanze a modelu parametrů kohezní jednotky ověřena statickým stratifikačním testem. Vylepšená kritéria však lze použít pouze pro jednorozměrné vrstevnaté simulace kvůli polohovým závislostem, nikoli pro dvou- nebo trojrozměrné hierarchické rozšíření. Aby autor tento problém vyřešil, navrhl nový trilineární konstitutivní model kohezní síly zohledňující vláknové můstky.[14]Konstitutivní vztah odpovídá složitému procesu vrstevnaté expanze z mikroskopického hlediska a má výhody jednoduchých parametrů a jasného fyzikálního významu.
Kromě toho, aby bylo možné přesně simulovat jev stratifikované migrace, který je běžný v procesu stratifikace vícesměrných laminátů[11,12], Zhao a kol.[11,12]navrhli model navádění dráhy trhliny založený na rozšířené metodě konečných prvků, simulující speciální návrh. Hierarchická migrace v testu kompozitní stratifikace. Současně je navržen model vrstevnatého roztahování pro klikaté chování vrstevnatého roztahování podél vrstevnatého rozhraní 90°/90°, který přesně simuluje chování vrstevnatého roztahování rozhraní 90°/90°.
Obrázek 4 Numerická simulace vrstevnaté migrace a experimentální výsledky[15]
Závěr
Tato práce se zaměřuje na výsledky výzkumu této skupiny v oblasti delaminace kompozitních laminátů. Experimentální aspekty zahrnují především vliv úhlu uspořádání rozhraní a přemostění vláken na chování při statické a únavové delaminaci při roztahování. Prostřednictvím velkého počtu experimentálních studií bylo zjištěno, že mechanismus porušení vícesměrných laminátů je složitý. Přemostění vláken je běžným mechanismem zpevňování vícesměrných laminátů, což je hlavní důvod křivky odporu R interlaminární lomové houževnatosti. V současné době je studie křivky odporu R při stratifikaci II relativně nedostatečná a vyžaduje další výzkum. Vycházeje z mechanismu porušení, je navržen model únavové stratifikace zahrnující různé ovlivňující faktory, což je směr výzkumu únavové stratifikace. Z hlediska numerické simulace výzkumná skupina navrhla vylepšené kritérium hierarchické expanze a kohezní konstitutivní model pro zohlednění vlivu přemostění vláken na chování při stratifikované expanzi. Kromě toho je použit rozšířený konečný prvek pro lepší simulaci jevu hierarchické migrace. Tato metoda eliminuje potřebu jemného buněčného dělení a eliminuje problémy spojené s opětovným dělením sítě. Má jedinečné výhody při simulaci stratifikace libovolných tvarů a v budoucnu je zapotřebí dalšího inženýrského aplikačního výzkumu této metody.[16].
Reference
[1] Y Gong, L Zhao, J Zhang, N Hu. Nový model pro stanovení odolnosti proti únavové delaminaci v kompozitních laminátech z hlediska energie. Compos Sci Technol 2018; 167: 489-96.
[2] L Zhao, Y Wang, J Zhang, Y Gong, N Hu, N Li. Model založený na XFEM pro simulaci růstu klikaté delaminace v laminovaných kompozitech při zatížení v módu I. Compos Struct 2017; 160: 1155-62.
[3] L Zhao, Y Gong, J Zhang, Y Wang, Z Lu, L Peng, N Hu. Nová interpretace chování únavové delaminace v CFRP vícesměrných laminátech. Compos Sci Technol 2016; 133: 79-88.
[4] L Peng, J Zhang, L Zhao, R Bao, H Yang, B Fei. Růst delaminace v módu I vícesměrných kompozitních laminátů při únavovém zatížení. J Compos Mater 2011; 45: 1077-90.
[5] L Zhao, Y Wang, J Zhang, Y Gong, Z Lu, N Hu, J Xu. Model lomové houževnatosti typu plateau závislý na rozhraní ve vícesměrných CFRP laminátech při zatížení v módu I. Composites Part B: Engineering 2017; 131: 196-208.
[6] L Zhao, Y Gong, J Zhang, Y Chen, B Fei. Simulace růstu delaminace ve vícesměrných laminátech při zatížení v módu I a smíšeném módu I/II s využitím kohezivních prvků. Compos Struct 2014; 116: 509-22.
[7] Y Gong, B Zhang, L Zhao, J Zhang, N Hu, C Zhang. Chování R-křivky smíšené I/II delaminace v uhlíkových/epoxidových laminátech s jednosměrnými a vícesměrnými rozhraními. Compos Struct 2019. (Ve zpracování).
[8] L Peng, J Xu, J Zhang, L Zhao. Růst delaminace ve smíšeném módu vícesměrných kompozitních laminátů při únavovém zatížení. Eng Fract Mech 2012; 96: 676-86.
[9] J Zhang, L Peng, L Zhao, B Fei. Rychlosti růstu únavové delaminace a prahové hodnoty kompozitních laminátů při smíšeném zatížení. Int J Fatigue 2012; 40: 7-15.
[10] Y Gong, L Zhao, J Zhang, Y Wang, N Hu. Kritérium šíření delaminace včetně vlivu můstků vláken pro smíšenou delaminaci I/II v CFRP vícesměrných laminátech. Compos Sci Technol 2017; 151: 302-9.
[11] Y Gong, B Zhang, SR Hallett. Migrace delaminace ve vícesměrných kompozitních laminátech při kvazistatickém a únavovém zatížení v módu I. Compos Struct 2018; 189: 160-76.
[12] Y Gong, B Zhang, S Mukhopadhyay, SR Hallett. Experimentální studie migrace delaminace ve vícesměrných laminátech při statickém a únavovém zatížení v módu II ve srovnání s módem I. Compos Struct 2018; 201: 683-98.
[13] Y Gong, L Zhao, J Zhang, N Hu. Vylepšené kritérium mocninného zákona pro šíření delaminace s efektem velkoobjemového přemostění vláken v kompozitních vícesměrových laminátech. Compos Struct 2018; 184: 961-8.
[14] Y Gong, Y Hou, L Zhao, W Li, G Yang, J Zhang, N Hu. Nový model tří lineárních kohezních zón pro růst delaminace v laminátech DCB s efektem vláknového můstku. Compos Struct 2019. (K odeslání)
[15] L Zhao, J Zhi, J Zhang, Z Liu, N Hu. XFEM simulace delaminace v kompozitních laminátech. Kompozity Část A: Aplikovaná věda a výroba 2016; 80: 61-71.
[16] Zhao Libin, Gong Yu, Zhang Jianyu. Pokrok ve výzkumu chování vrstvené expanze vlákny vyztužených kompozitních laminátů. Journal of Aeronautical Sciences 2019: 1-28.
Zdroj:Gong Yu, Wang Yana, Peng Lei, Zhao Libin, Zhang Jianyu. Studie chování stratifikované expanze pokročilých kompozitních laminátů vyztužených uhlíkovými vlákny [C]. Akademická konference Mechanika a inženýrství - Numerické výpočty a analýza dat 2019. Čínská společnost mechaniky, Pekingská společnost mechaniky, 2019. přes ixueshu
Čas zveřejnění: 15. listopadu 2019