Astudiaeth ar Ymddygiad Ehangu Haenog Dalen Laminadau Cyfansawdd wedi'i Atgyfnerthu â Ffibr Carbon Uwch

MECANEG A PHEIRIANNEG - Cyfrifiadura Rhifiadol a Dadansoddi Data
Mecaneg a Pheirianneg — Cyfrifiadau Rhifiadol a Dadansoddi Data 2019 Cynhadledd Academaidd, 19-21 Ebrill, 2019, Beijing
19-21 Ebrill, 2019, Beijing, Tsieina

Astudiaeth ar Ymddygiad Ehangu Haenog Dalen Laminadau Cyfansawdd wedi'i Atgyfnerthu â Ffibr Carbon Uwch

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

¹Prifysgol Chongqing, Chongqing, 400044, Tsieina
²Sefydliad Ymchwil Hedfan Tsieina Sefydliad Ymchwil Deunyddiau Awyrennol Beijing, Beijing, 100095, Tsieina
³Awyrennau Masnachol Tsieina Canolfan Ymchwil Technoleg Awyrennau Sifil Beijing, Beijing, 102211, Tsieina
⁴Prifysgol Awyrenneg a Seryddiaeth Beijing, Beijing, 100191, Tsieina

CrynodebMae strwythur laminedig yn un o'r cyfluniadau cyfansawdd a ddefnyddir amlaf ar gyfer cyfansoddion, ond dadelfennu yw ei brif ddull methiant oherwydd priodweddau rhyng-laminaidd gwan. Mae ymchwil ar ymddygiad haenu ac ehangu laminedig aml-haen a ddefnyddir yn gyffredin mewn ymarfer peirianneg wedi bod yn bwnc llosg i ysgolheigion erioed. Yn yr erthygl hon, cyflwynir canlyniadau ymchwil dadelfennu cyfansawdd wedi'i atgyfnerthu â ffibr carbon ym Mhrifysgol Chongqing a Labordy Torri Blinder Prifysgol Awyrenneg a Seryddiaeth Beijing o ddau agwedd ar ymchwil arbrofol ac efelychu rhifiadol. Yn olaf, rhagwelir cyfeiriad datblygu'r maes.

Allweddeiriau:Cyfansawdd wedi'i atgyfnerthu â ffibr carbon, lamineiddio, dadlamineiddio, haenu blinder

cyflwyniad

Mae gan ddeunyddiau cyfansawdd briodweddau rhagorol fel cryfder penodol uchel ac anystwythder penodol uchel, ac fe'u defnyddiwyd yn helaeth mewn awyrofod, technoleg ynni, a chludiant sifil ac adeiladu. Wrth brosesu a defnyddio deunyddiau cyfansawdd, bydd y ffibrau a'r matrics yn dioddef gwahanol raddau o ddifrod o dan lwyth. Mae dulliau methiant cyffredin ar gyfer laminadau cyfansawdd yn cynnwys difrod rhyng-haen a difrod o fewn haenau. Oherwydd diffyg atgyfnerthiad i gyfeiriad y trwch, mae priodweddau mecanyddol ochrol y laminad yn wael, ac mae difrod dadlamineiddio yn debygol iawn o ddigwydd o dan lwythi effaith allanol. Bydd digwydd ac ehangu difrod haenedig yn arwain at ostyngiad mewn anystwythder a chryfder strwythurol, a hyd yn oed yn achosi damweiniau trychinebus.^[1-3]Felly, mae'r broblem dadlamineiddio yn cael ei phryderu fwyfwy gan ddyluniad strwythurol a dadansoddiad cryfder deunyddiau cyfansawdd, ac mae angen astudio ymddygiad ehangu haenog deunyddiau cyfansawdd.^[4].

Ymchwil ar ymddygiad ehangu haenog laminad
1. Astudiaeth arbrofol

Mae caledwch torri rhyng-haenog yn baramedr nodweddiadol o'r priodweddau mecanyddol rhwng haenau cyfansawdd. Mae safonau prawf cyfatebol wedi'u sefydlu ar gyfer pennu caledwch torri rhyng-haenog laminadau unffordd hybrid Math I, Math II ac I/II. Dangosir yr offer prawf cyfatebol yn Ffigur 1. Fodd bynnag, defnyddir laminadau aml-gyfeiriadol deunyddiau cyfansawdd yn aml yn y strwythur peirianneg gwirioneddol. Felly, mae gan yr astudiaeth arbrofol ar ymddygiad haenu ac ehangu laminadau aml-gyfeiriadol arwyddocâd damcaniaethol a gwerth peirianneg pwysicach. Mae cychwyn ac ehangu haen laminad aml-haen yn digwydd rhwng rhyngwynebau ag onglau haenu mympwyol, ac mae'r ymddygiad ehangu haenog yn sylweddol wahanol i ymddygiad laminadau unffordd, ac mae'r mecanwaith ehangu yn fwy cymhleth. Mae gan ymchwilwyr gymharol ychydig o astudiaethau arbrofol ar laminadau aml-gyfeiriadol, ac nid yw pennu caledwch torri rhyng-haenog wedi sefydlu safon ryngwladol eto. Defnyddiodd y tîm ymchwil ffibr carbon T700 a T800 i ddylunio amrywiaeth o laminadau cyfansawdd gydag onglau gosod rhyngwyneb gwahanol, ac astudiodd ddylanwad ongl gosod rhyngwyneb a phontio ffibr ar ymddygiad dadlaminadu statig a blinder. Canfuwyd bod gan bontio ffibr a ffurfir gan ymyl ôl yr haen ddylanwad mawr ar galedwch torri rhyng-haen. Wrth i'r haeniad ehangu, bydd y caledwch torri rhyng-haen yn cynyddu'n raddol o werth cychwynnol is, a phan fydd y haeniad yn cyrraedd hyd penodol, mae'n cyrraedd gwerth sefydlog, hynny yw, ffenomen y gromlin ymwrthedd R. Mae caledwch torri cychwynnol yr haen ryng bron yn hafal ac yn fras yn hafal i galedwch torri'r resin, sy'n dibynnu ar galedwch torri'r matrics ei hun.^{[5, 6]}Fodd bynnag, mae gwerthoedd estyniad caledwch torri rhyng-haenau gwahanol ryngwynebau yn amrywio'n fawr. Cyflwynir dibyniaeth sylweddol ar ongl yr haen rhyngwyneb. Mewn ymateb i'r ddibyniaeth hon, mae Zhao et al.^[5]yn seiliedig ar fecanwaith ffisegol y ffynhonnell ymwrthedd haenedig, ystyrir bod gwerth sefydlogrwydd caledwch toriad rhyng-haenog yn cynnwys dwy ran, un rhan yw gwaith toriad y rhyngwyneb haen anghysylltiedig, a'r rhan arall yw'r difrod a'r ffibr mewnhaenog. Gwaith toriad a achosir gan bontio. Trwy'r dadansoddiad elfen gyfyngedig o faes blaen straen y blaen haenog, canfyddir bod ail ran y gwaith toriad yn dibynnu ar ddyfnder parth difrod y blaen dadlaminiad (fel y dangosir yn Ffigur 3), ac mae dyfnder y parth difrod yn gymesur ag ongl gosod y rhyngwyneb. Cyflwynir model damcaniaethol o'r gwerth sefydlogrwydd caledwch toriad math-I a fynegir gan swyddogaeth sinwsoidaidd ongl haen rhyngwyneb.
Gong ac eraill.^[7]cynhaliodd y prawf haenu hybrid I/II o dan gymhareb gymysgu gwahanol, a chanfuwyd bod gan yr haenu hybrid I/II yn y laminad nodweddion cromlin ymwrthedd R sylweddol hefyd. Trwy ddadansoddi'r caledwch torri rhwng gwahanol ddarnau prawf, canfuwyd bod y gwerth cychwynnol a'r gwerth sefydlog o galedwch torri rhyng-haenog y darn prawf yn cynyddu'n sylweddol gyda chynnydd y gymhareb gymysgu. Yn ogystal, gellir disgrifio caledwch torri cychwynnol a sefydlog y rhyng-haen o dan gymhareb gymysgu gwahanol gan y maen prawf BK.
O ran haenu blinder, gwelwyd pontio ffibr sylweddol hefyd yn ystod y prawf. Trwy ddadansoddi data'r prawf, canfuwyd bod ehangu dadlamineiddio blinder y deunydd cyfansawdd yn cael ei effeithio gan y "gromlin gwrthiant", fel nad yw'r model cyfradd ehangu haenu blinder traddodiadol a'r gwerth trothwy yn berthnasol mwyach. Ar sail dadansoddiad damcaniaethol, Zhang a Peng^[4,8,9]cyflwynodd y gwrthiant ehangu dadlamineiddio blinder i fynegi'r egni sydd ei angen ar gyfer ehangu dadlamineiddio blinder deunyddiau cyfansawdd, ac ymhellach cynigiodd yr egni straen wedi'i normaleiddio. Y gyfradd rhyddhau yw'r model cyfradd ehangu haenedig blinder a gwerth trothwy'r paramedrau rheoli. Mae cymhwysedd y model a'r paramedr trothwy wedi'i normaleiddio yn cael ei wirio gan arbrofion. Ymhellach, Zhao et al.^[3]ystyried yn gynhwysfawr effeithiau pontio ffibrau, cymhareb straen a chymhareb cymysgu llwyth ar ymddygiad haenu ac ehangu blinder, a sefydlu model cyfradd ehangu haenedig blinder wedi'i normaleiddio gan ystyried dylanwad y gymhareb straen. Gwiriwyd cywirdeb y model gan brofion haenu blinder gyda gwahanol gymhareb straen a chymhareb cymysgu. Ar gyfer maint ffisegol ymwrthedd ehangu haenedig blinder yn y model cyfradd ehangu haenedig blinder wedi'i normaleiddio, Gong et al.^[1]goresgyn gwendid y dull cyfrifo sydd ond yn gallu cael pwyntiau data arwahanol cyfyngedig trwy arbrofion, a sefydlu blinder o safbwynt ynni. Model dadansoddol ar gyfer cyfrifo ymwrthedd estynedig haenedig. Gall y model wireddu'r penderfyniad meintiol o haeniad blinder a gwrthiant ehangu, a darparu cefnogaeth ddamcaniaethol ar gyfer cymhwyso'r model cyfradd ehangu haenedig blinder normaleiddiedig arfaethedig.

Ffigur 1 diagram dyfais prawf haenedig

Ffigur 2 Cromlin ymwrthedd R caledwch torri rhyng-haen^[5]


Ffigur 3 Parth difrod ymyl flaenllaw haenog a morffoleg estynedig haenedig^[5]

2. Astudiaeth efelychu rhifiadol

Mae efelychu rhifiadol ehangu haenog yn gynnwys ymchwil pwysig ym maes dylunio strwythur cyfansawdd. Wrth ragweld methiant dadlamineiddio laminadau unffordd cyfansawdd, mae'r meini prawf ehangu haenu presennol fel arfer yn defnyddio caledwch toriad rhyng-laminaidd cyson fel y paramedr perfformiad sylfaenol.^[10], trwy gymharu cyfradd rhyddhau egni blaen y crac a chaledwch toriad rhyng-haenog. Maint i benderfynu a yw'r haenu yn ehangu. Mae mecanwaith methiant laminadau aml-gyfeiriadol yn gymhleth^[11,12], sy'n cael ei nodweddu gan gromliniau gwrthiant R sylweddol^[5,13]Nid yw'r meini prawf ehangu haenog presennol yn ystyried y nodwedd hon ac nid ydynt yn berthnasol i efelychu ymddygiad dadlamineiddio laminadau amlgyfeiriadol pontio sy'n cynnwys ffibr. Gong et al.^{[10, 13]}gwella'r meini prawf ehangu haenedig presennol a chynnig cyflwyno'r gromlin gwrthiant R i'r meini prawf, ac yn seiliedig ar hyn, sefydlu maen prawf ehangu haenedig sy'n ystyried effeithiau pontio ffibr. Astudiwyd diffiniad a pharamedrau defnydd yr uned gydlynol gyfansoddol bilinol yn systematig trwy ddulliau rhifiadol, gan gynnwys anystwythder rhyngwyneb cychwynnol, cryfder rhyngwyneb, cyfernod gludedd a'r nifer lleiaf o elfennau yn y parth grym cydlynol. Sefydlwyd y model paramedr uned gydlynol cyfatebol. Yn olaf, mae effeithiolrwydd a chymhwysedd y maen prawf ehangu haenedig gwell a'r model paramedr uned gydlynol yn cael eu gwirio trwy brawf haenu statig. Fodd bynnag, dim ond ar gyfer efelychiadau haenedig un dimensiwn y gellir defnyddio'r meini prawf gwell oherwydd dibyniaethau safleol ac nid ar gyfer estyniadau hierarchaidd dau neu dri dimensiwn. Er mwyn datrys y broblem hon, cynigiodd yr awdur ymhellach rym cydlynol trilinol cyfansoddol newydd sy'n ystyried pontio ffibr.^[14]Mae'r berthynas gyfansoddol yn cyd-fynd â'r broses gymhleth o ehangu haenog o safbwynt microsgopig, ac mae ganddi fanteision paramedrau syml ac ystyr ffisegol clir.
Yn ogystal, er mwyn efelychu'n gywir y ffenomen mudo haenedig sy'n gyffredin ym mhroses haenu laminadau aml-gyfeiriadol^[11,12], Zhao ac eraill.^[11,12]cynigiodd fodel canllaw llwybr crac yn seiliedig ar elfen gyfyngedig estynedig, gan efelychu dyluniad arbennig. Mudo hierarchaidd mewn prawf haenu cyfansawdd. Ar yr un pryd, cynigir model ehangu haenog ar gyfer yr ymddygiad ehangu haenog sigsag ar hyd y rhyngwyneb haenog 90°/90°, sy'n efelychu ymddygiad ehangu haenog y rhyngwyneb 90°/90° yn gywir.

Ffigur 4 Efelychiad rhifiadol o fudo haenog a chanlyniadau arbrofol^[15]

Casgliad

Mae'r papur hwn yn canolbwyntio ar ganlyniadau ymchwil y grŵp hwn ym maes dadlamineiddio laminedig cyfansawdd. Mae'r agweddau arbrofol yn cynnwys yn bennaf ddylanwad ongl gosod y rhyngwyneb a phontio ffibr ar ymddygiad ehangu dadlamineiddio statig a blinder. Trwy nifer fawr o astudiaethau arbrofol, canfuwyd bod mecanwaith methiant laminedig aml-gyfeiriadol deunyddiau cyfansawdd yn gymhleth. Mae pontio ffibr yn fecanwaith caledu cyffredin laminedigau aml-gyfeiriadol, sef y prif reswm dros gromlin gwrthiant-R caledwch torri rhyng-laminaidd. Ar hyn o bryd, mae astudiaeth y gromlin gwrthiant R o dan haeniad II yn gymharol brin ac mae angen ymchwil bellach. Gan ddechrau o'r mecanwaith methiant, cynigir y model haeniad blinder gan gynnwys amrywiol ffactorau dylanwadu, sef cyfeiriad ymchwil haeniad blinder. O ran efelychu rhifiadol, cynigiodd y grŵp ymchwil faen prawf ehangu hierarchaidd gwell a model cyfansoddol cydlynol i ystyried dylanwad pontio ffibr ar yr ymddygiad ehangu haenedig. Yn ogystal, defnyddir yr elfen gyfyngedig estynedig i efelychu'r ffenomen mudo hierarchaidd yn well. Mae'r dull hwn yn dileu'r angen am rannu celloedd mân, gan ddileu'r problemau sy'n gysylltiedig ag ailrannu rhwyll. Mae ganddo fanteision unigryw wrth efelychu haenu siapiau mympwyol, ac mae angen mwy o ymchwil i gymwysiadau peirianneg y dull hwn yn y dyfodol.^[16].

Cyfeiriadau

[1] Y Gong, L Zhao, J Zhang, N Hu. Model newydd ar gyfer pennu'r ymwrthedd i ddadlamineiddio blinder mewn laminadau cyfansawdd o safbwynt ynni. Compos Sci Technol 2018; 167: 489-96.
[2] L Zhao, Y Wang, J Zhang, Y Gong, N Hu, N Li. Model seiliedig ar XFEM ar gyfer efelychu twf dadlaminiad sigsag mewn cyfansoddion laminedig o dan lwytho modd I. Compos Struct 2017; 160: 1155-62.
[3] L Zhao, Y Gong, J Zhang, Y Wang, Z Lu, L Peng, N Hu. Dehongliad newydd o ymddygiad twf dadlaminiad blinder mewn laminadau amlgyfeiriadol CFRP. Compos Sci Technol 2016; 133: 79-88.
[4] L Peng, J Zhang, L Zhao, R Bao, H Yang, B Fei. Twf dadlamineiddio modd I laminadau cyfansawdd amlgyfeiriadol o dan lwyth blinder. J Compos Mater 2011; 45: 1077-90.
[5] L Zhao, Y Wang, J Zhang, Y Gong, Z Lu, N Hu, J Xu. Model sy'n ddibynnol ar ryngwyneb o galedwch torri platfform mewn laminadau CFRP amlgyfeiriadol o dan lwytho modd I. Cyfansoddion Rhan B: Peirianneg 2017; 131: 196-208.
[6] L Zhao, Y Gong, J Zhang, Y Chen, B Fei. Efelychu twf dadlamineiddio mewn laminadau amlgyfeiriadol o dan lwythi modd I a modd cymysg I/II gan ddefnyddio elfennau cydlynol. Compos Struct 2014; 116: 509-22.
[7] Y Gong, B Zhang, L Zhao, J Zhang, N Hu, C Zhang. Ymddygiad cromlin-R y dadlaminiad I/II modd cymysg mewn laminadau carbon/epocsi gyda rhyngwynebau unffordd ac amlffordd. Compos Struct 2019. (Dan Adolygiad).
[8] L Peng, J Xu, J Zhang, L Zhao. Twf dadlamineiddio modd cymysg laminadau cyfansawdd amlgyfeiriadol o dan lwyth blinder. Eng Fract Mech 2012; 96: 676-86.
[9] J Zhang, L Peng, L Zhao, B Fei. Cyfraddau twf dadlaminiad blinder a throthwyon laminadau cyfansawdd o dan lwytho modd cymysg. Int J Fatigue 2012; 40: 7-15.
[10] Y Gong, L Zhao, J Zhang, Y Wang, N Hu. Meini prawf lluosogi dadlamineiddio gan gynnwys effaith pontio ffibr ar gyfer dadlamineiddio modd cymysg I/II mewn laminadau amlgyfeiriadol CFRP. Compos Sci Technol 2017; 151: 302-9.
[11] Y Gong, B Zhang, SR Hallett. Mudo dadlamineiddio mewn laminadau cyfansawdd amlgyfeiriadol o dan lwyth cwasi-statig a blinder modd I. Compos Struct 2018; 189: 160-76.
[12] Y Gong, B Zhang, S Mukhopadhyay, SR Hallett. Astudiaeth arbrofol ar fudo dadlaminiad mewn laminadau amlgyfeiriadol o dan lwyth statig a blinder modd II, gyda chymhariaeth â modd I. Compos Struct 2018; 201: 683-98.
[13] Y Gong, L Zhao, J Zhang, N Hu. Maen prawf gwell ar gyfer cyfraith pŵer ar gyfer lluosogi dadlaminiad gydag effaith pontio ffibr ar raddfa fawr mewn laminadau amlgyfeiriadol cyfansawdd. Compos Struct 2018; 184: 961-8.
[14] Y Gong, Y Hou, L Zhao, W Li, G Yang, J Zhang, N Hu. Model parth cydlynol tair llinell newydd ar gyfer twf dadlamineiddio mewn laminadau DCB gydag effaith pontio ffibr. Compos Struct 2019. (I'w gyflwyno)
[15] L Zhao, J Zhi, J Zhang, Z Liu, N Hu. Efelychiad XFEM o ddadlamineiddio mewn laminadau cyfansawdd. Cyfansoddion Rhan A: Gwyddoniaeth Gymhwysol a Gweithgynhyrchu 2016; 80: 61-71.
[16] Zhao Libin, Gong Yu, Zhang Jianyu. Cynnydd ymchwil ar ymddygiad ehangu haenedig laminadau cyfansawdd wedi'u hatgyfnerthu â ffibr. Journal of Aeronautical Sciences 2019: 1-28.

Ffynhonnell:Gong Yu, Wang Yana, Peng Lei, Zhao Libin, Zhang Jianyu. Astudiaeth ar ymddygiad ehangu haenedig laminadau cyfansawdd wedi'u hatgyfnerthu â ffibr carbon uwch [C]. Mecaneg a Pheirianneg - Cynhadledd Academaidd Cyfrifiadura Rhifiadol a Dadansoddi Data 2019. Cymdeithas Mecaneg Tsieineaidd, Cymdeithas Mecaneg Beijing, 2019. drwy ixueshu