MEKANIK OG INGENIØRVIRKSOMHED - Numerisk beregning og dataanalyse
Mekanik og teknik — Numeriske beregninger og dataanalyse 2019 Akademisk konference, 19.-21. april 2019, Beijing
19.-21. april 2019, Beijing, Kina
Undersøgelse af lagdelt ekspansionsadfærd af avancerede kulfiberforstærkede kompositlaminater
Gong Yu1*, Wang Yana2, Peng Lei3, Zhao Libin4, Zhang Jianyu1
1Chongqing Universitet, Chongqing, 400044, Kina
2China Aviation Research Institute Beijing Aeronautical Materials Research Institute, Beijing, 100095, Kina
3Kinas kommercielle fly Beijing Civil Aircraft Technology Research Center, Beijing, 102211, Kina
4Beijing Universitet for Luftfart og Astronautik, Beijing, 100191, Kina
AbstraktLaminatstruktur er en af de mest almindeligt anvendte kompositkonfigurationer til kompositter, men delaminering bliver dens primære fejltilstand på grund af svage interlaminære egenskaber. Forskning i flerlagslaminatstratificering og ekspansionsadfærd, der almindeligvis anvendes i ingeniørpraksis, har altid været et varmt emne for forskere. I denne artikel introduceres forskningsresultaterne for kulfiberforstærket kompositdelaminering på Chongqing University og Beijing University of Aeronautics and Astronautics Fatigue Fracture Laboratory ud fra to aspekter af eksperimentel forskning og numerisk simulering. Endelig prospekteres feltets udviklingsretning.
Nøgleord:Kulfiberforstærket komposit, laminat, delaminering, udmattelsesstratificering
indledning
Kompositmaterialer har fremragende egenskaber såsom høj specifik styrke og høj specifik stivhed og er blevet brugt i vid udstrækning inden for luftfart, energiteknologi samt civil transport og byggeri. Under forarbejdning og brug af kompositmaterialer vil fibrene og matrixen udsættes for forskellige grader af skade under belastning. Almindelige fejltilstande for kompositlaminater inkluderer skader mellem lag og skader inden i lag. På grund af manglende forstærkning i tykkelsesretningen er laminatets laterale mekaniske egenskaber dårlige, og delamineringsskader er meget sandsynlige under eksterne stødbelastninger. Forekomst og udvidelse af lagdelte skader vil føre til et fald i strukturel stivhed og styrke og endda forårsage katastrofale ulykker.[1-3]Derfor er delamineringsproblemet mere og mere relevant i forbindelse med strukturelt design og styrkeanalyse af kompositmaterialer, og det er nødvendigt at studere kompositmaterialers lagvise ekspansionsadfærd.[4].
Forskning i lagvis ekspansionsadfærd af laminat
1. Eksperimentel undersøgelse
Interlaminar brudstyrke er en karakteristisk parameter for de mekaniske egenskaber mellem kompositlag. Tilsvarende teststandarder er blevet etableret til bestemmelse af interlaminar brudstyrke af type I, type II og I/II hybride ensrettede laminater. Det tilsvarende testapparat er vist i figur 1. Imidlertid anvendes multidirektionelle laminater af kompositmaterialer ofte i den faktiske tekniske struktur. Derfor har den eksperimentelle undersøgelse af lagdelings- og ekspansionsadfærden af multidirektionelle laminater større teoretisk betydning og teknisk værdi. Initiering og ekspansion af flerlagslaminatlag forekommer mellem grænseflader med vilkårlige lagdelingsvinkler, og den lagdelte ekspansionsadfærd er signifikant forskellig fra den for ensrettede laminater, og ekspansionsmekanismen er mere kompliceret. Forskere har relativt få eksperimentelle undersøgelser af multidirektionelle laminater, og bestemmelsen af interlaminar brudstyrke har endnu ikke etableret en international standard. Forskerholdet brugte T700 og T800 kulfiber til at designe en række kompositlaminater med forskellige grænsefladeoplægningsvinkler og undersøgte indflydelsen af grænsefladeoplægningsvinkel og fiberbrodannelse på statisk og udmattelsesdelamineringsadfærd. Det har vist sig, at fiberbrodannelse dannet af lagets bagkant har stor indflydelse på den interlaminære brudstyrke. Efterhånden som lagdelingen udvides, vil den interlaminære brudstyrke gradvist stige fra en lavere startværdi, og når lagdelingen når en vis længde, når den en stabil værdi, det vil sige R-modstandskurvefænomenet. Den indledende brudstyrke af mellemlaget er næsten lig med og omtrent lig med harpiksens brudstyrke, som afhænger af selve matrixens brudstyrke.[5, 6]Imidlertid varierer de interlaminære brudstyrkeforskydningsværdier for forskellige grænseflader meget. Der præsenteres en betydelig afhængighed af grænsefladelagets vinkel. Som svar på denne afhængighed har Zhao et al.[5]Baseret på den fysiske mekanisme for den lagdelte modstandskilde anses det for, at den interlaminære brudstyrkeværdi for brudsejhed består af to dele, den ene del er brudarbejdet i den uafhængige laggrænseflade, og den anden del er intralagsbeskadigelsen og fiberen. Brudarbejdet forårsaget af brodannelse. Gennem finite element-analyse af spændingsfrontfeltet på den lagdelte front konstateres det, at den anden del af brudarbejdet afhænger af dybden af delaminationsfrontens beskadigelseszone (som vist i figur 3), og dybden af beskadigelseszonen er proportional med grænsefladens oplægningsvinkel. En teoretisk model af I-type brudstyrkeværdien udtrykt ved den sinusformede funktion af grænsefladelagvinklen præsenteres.
Gong m.fl.[7]udførte I/II hybridstratificeringstesten under forskellige blandingsforhold og fandt, at I/II hybridstratificeringen i laminatet også har signifikante R-modstandskurvekarakteristika. Gennem analyse af brudstyrken mellem forskellige testemner konstateres det, at den indledende værdi og den stabile værdi af testemnets interlaminære brudstyrke stiger signifikant med stigende blandingsforhold. Derudover kan den indledende og stabile brudstyrke af mellemlaget under forskellige blandingsforhold beskrives ved hjælp af BK-kriteriet.
Med hensyn til udmattelsesstratificering blev der også observeret betydelig fiberbrodannelse under testen. Gennem analysen af testdataene konstateres det, at udmattelsesdelamineringsekspansionen af kompositmaterialet påvirkes af "modstandskurven", således at den traditionelle model for udmattelsesstratificeringsekspansionshastighed og tærskelværdien ikke længere er anvendelig. På baggrund af teoretisk analyse har Zhang og Peng[4,8,9]introducerede udmattelsesdelamineringsekspansionsmodstanden til at udtrykke den energi, der kræves til udmattelsesdelamineringsekspansion af kompositmaterialer, og foreslog yderligere den normaliserede tøjningsenergi. Frigivelseshastigheden er den udmattelsesstratificerede ekspansionshastighedsmodel og tærskelværdien for kontrolparametrene. Anvendeligheden af modellen og den normaliserede tærskelparameter verificeres ved eksperimenter. Yderligere har Zhao et al.[3]overvejede omfattende virkningerne af fiberbrodannelse, spændingsforhold og belastningsblandingsforhold på udmattelsesstratificering og ekspansionsadfærd og etablerede en normaliseret udmattelsesstratificeret ekspansionshastighedsmodel, der tog hensyn til indflydelsen af spændingsforhold. Modellens nøjagtighed blev verificeret ved hjælp af udmattelsesstratificeringstests med forskellige spændingsforhold og blandingsforhold. For den fysiske mængde af udmattelsesstratificeret ekspansionsmodstand i den normaliserede udmattelsesstratificerede ekspansionshastighedsmodel, Gong et al.[1]overvinde svagheden ved beregningsmetoden, som kun kan indhente begrænsede diskrete datapunkter gennem eksperimenter, og fastslå udmattelse ud fra et energimæssigt synspunkt. En analytisk model til beregning af stratificeret, udvidet modstand. Modellen kan realisere kvantitativ bestemmelse af udmattelsesstratificering og ekspansionsmodstand og yde teoretisk støtte til anvendelsen af den foreslåede normaliserede udmattelsesstratificerede ekspansionshastighedsmodel.
Figur 1 diagram over stratificeret testenhed
Figur 2 R-modstandskurve for brudstyrke mellem lag[5]
Figur 3 Lagdelt forkantskadezone og stratificeret udvidet morfologi[5]
2. Numerisk simuleringsundersøgelse
Numerisk simulering af lagdelt ekspansion er et vigtigt forskningsindhold inden for kompositstrukturdesign. Når man forudsiger delamineringsbrud i komposit ensrettede laminater, bruger de eksisterende stratificeringsekspansionskriterier normalt konstant interlaminær brudstyrke som den grundlæggende ydeevneparameter.[10], ved at sammenligne energifrigørelseshastigheden for revnespidsen og den interlaminære brudstyrke. Størrelse for at bestemme, om lagdelingen udvider sig. Fejlmekanismen for multidirektionelle laminater er kompleks.[11,12], som er karakteriseret ved signifikante R-modstandskurver[5,13]De eksisterende kriterier for lagdelt ekspansion tager ikke højde for denne funktion og gælder ikke for simuleringen af delamineringsadfærden af fiberholdige, broforbundne multidirektionelle laminater. Gong et al.[10, 13]forbedrede de eksisterende stratificerede ekspansionskriterier og foreslog at introducere R-modstandskurven i kriterierne, og baseret på dette etablerede man et stratificeret ekspansionskriterium, der tager højde for virkningerne af fiberbrodannelse. Definitionen og anvendelsesparametrene for den bilineære konstitutive kohæsive enhed blev systematisk undersøgt ved hjælp af numeriske metoder, herunder den indledende grænsefladestivhed, grænsefladestyrke, viskositetskoefficient og det minimale antal elementer i den kohæsive kraftzone. Den tilsvarende kohæsive enhedsparametermodel blev etableret. Endelig verificeres effektiviteten og anvendeligheden af det forbedrede lagdelte ekspansionskriterium og den kohæsive enhedsparametermodel ved hjælp af statisk stratificeringstest. De forbedrede kriterier kan dog kun bruges til endimensionelle lagdelte simuleringer på grund af positionsafhængigheder og ikke til to- eller tredimensionelle hierarkiske udvidelser. For at løse dette problem foreslog forfatteren yderligere en ny trilineær kohæsiv kraftkonstitutiv, der tager højde for fiberbrodannelse.[14]Det konstitutive forhold passer til den komplekse proces med lagdelt ekspansion fra et mikroskopisk perspektiv og har fordelene ved simple parametre og klar fysisk betydning.
Derudover, for nøjagtigt at simulere det stratificerede migrationsfænomen, der er almindeligt i stratificeringsprocessen af multidirektionelle laminater[11,12], Zhao m.fl.[11,12]foreslog en model for styring af revnebaner baseret på udvidede finite elementer, der simulerer et specielt design. Hierarkisk migration i en sammensat stratificeringstest. Samtidig foreslås en lagdelt ekspansionsmodel for den zigzag-formede lagdelte ekspansionsadfærd langs den 90°/90° lagdelte grænseflade, som nøjagtigt simulerer den lagdelte ekspansionsadfærd af 90°/90° grænsefladen.
Figur 4 Numerisk simulering af lagdelt migration og eksperimentelle resultater[15]
Konklusion
Denne artikel fokuserer på forskningsresultaterne fra denne gruppe inden for delaminering af kompositlaminater. De eksperimentelle aspekter omfatter primært indflydelsen af grænsefladeoplægningsvinkel og fiberbrodannelse på den statiske og udmattelsesdelaminerede ekspansionsadfærd. Gennem et stort antal eksperimentelle undersøgelser er det konstateret, at den multidirektionelle laminatbrudmekanisme i kompositmaterialer er kompliceret. Fiberbrodannelse er en almindelig hærdningsmekanisme i multidirektionelle laminater, hvilket er hovedårsagen til R-modstandskurven for interlaminær brudstyrke. I øjeblikket er R-modstandskurveundersøgelsen under II-stratificering relativt mangelfuld og kræver yderligere forskning. Med udgangspunkt i brudmekanismen foreslås en udmattelsesstratificeringsmodel, der inkluderer forskellige påvirkningsfaktorer, hvilket er en retning for forskning i udmattelsesstratificering. Med hensyn til numerisk simulering foreslog forskergruppen et forbedret hierarkisk ekspansionskriterium og en sammenhængende konstitutiv model til at overveje indflydelsen af fiberbrodannelse på den stratificerede ekspansionsadfærd. Derudover bruges det udvidede finite element til bedre at simulere det hierarkiske migrationsfænomen. Denne metode eliminerer behovet for fin celledeling og eliminerer dermed problemerne forbundet med netopdeling. Den har unikke fordele ved simulering af lagdeling af vilkårlige former, og der er behov for mere forskning i ingeniørmæssig anvendelse af denne metode i fremtiden.[16].
Referencer
[1] Y Gong, L Zhao, J Zhang, N Hu. En ny model til bestemmelse af udmattelsesdelamineringsmodstanden i kompositlaminater set fra et energimæssigt synspunkt. Compos Sci Technol 2018; 167: 489-96.
[2] L Zhao, Y Wang, J Zhang, Y Gong, N Hu, N Li. XFEM-baseret model til simulering af zigzag-delamineringsvækst i laminerede kompositter under mode I-belastning. Compos Struct 2017; 160: 1155-62.
[3] L Zhao, Y Gong, J Zhang, Y Wang, Z Lu, L Peng, N Hu. En ny fortolkning af vækstadfærd ved udmattelsesdelaminering i CFRP multidirektionelle laminater. Compos Sci Technol 2016; 133: 79-88.
[4] L Peng, J Zhang, L Zhao, R Bao, H Yang, B Fei. Mode I delamineringsvækst af multidirektionelle kompositlaminater under udmattelsesbelastning. J Compos Mater 2011; 45: 1077-90.
[5] L Zhao, Y Wang, J Zhang, Y Gong, Z Lu, N Hu, J Xu. En grænsefladeafhængig model for plateaubrudsejhed i multidirektionelle CFRP-laminater under tilstand I-belastning. Composites Part B: Engineering 2017; 131: 196-208.
[6] L Zhao, Y Gong, J Zhang, Y Chen, B Fei. Simulering af delamineringsvækst i multidirektionelle laminater under mode I- og blandede mode I/II-belastninger ved hjælp af kohæsive elementer. Compos Struct 2014; 116: 509-22.
[7] Y Gong, B Zhang, L Zhao, J Zhang, N Hu, C Zhang. R-kurveadfærd for mixed-mode I/II-delaminering i kulstof/epoxylaminater med ensrettede og flersrettede grænseflader. Compos Struct 2019. (Under gennemgang).
[8] L Peng, J Xu, J Zhang, L Zhao. Blandet delamineringsvækst af multidirektionelle kompositlaminater under udmattelsesbelastning. Eng Fract Mech 2012; 96: 676-86.
[9] J Zhang, L Peng, L Zhao, B Fei. Vækstrater og tærskler for udmattelsesdelaminering af kompositlaminater under blandet belastning. Int J Fatigue 2012; 40: 7-15.
[10] Y Gong, L Zhao, J Zhang, Y Wang, N Hu. Kriterie for delamineringsudbredelse, inklusive effekten af fiberbrodannelse, for mixed-mode I/II delaminering i CFRP multidirektionelle laminater. Compos Sci Technol 2017; 151: 302-9.
[11] Y Gong, B Zhang, SR Hallett. Delaminationsmigration i multidirektionelle kompositlaminater under kvasistatisk og udmattelsesbelastning i mode I. Compos Struct 2018; 189: 160-76.
[12] Y Gong, B Zhang, S Mukhopadhyay, SR Hallett. Eksperimentel undersøgelse af delamineringsmigration i multidirektionelle laminater under statisk belastning og udmattelsesbelastning i mode II, med sammenligning med mode I. Compos Struct 2018; 201: 683-98.
[13] Y Gong, L Zhao, J Zhang, N Hu. Et forbedret potenslovskriterium for delamineringsudbredelse med effekten af storskala fiberbrodannelse i komposit multidirektionelle laminater. Compos Struct 2018; 184: 961-8.
[14] Y Gong, Y Hou, L Zhao, W Li, G Yang, J Zhang, N Hu. En ny trelineær kohæsiv zonemodel for delamineringsvækst i DCB-laminater med effekten af fiberbrodannelse. Compos Struct 2019. (Skal indsendes)
[15] L Zhao, J Zhi, J Zhang, Z Liu, N Hu. XFEM-simulering af delaminering i kompositlaminater. Kompositter del A: Anvendt Videnskab og Fremstilling 2016; 80: 61-71.
[16] Zhao Libin, Gong Yu, Zhang Jianyu. Forskningsfremskridt vedrørende lagdelt ekspansionsadfærd hos fiberforstærkede kompositlaminater. Journal of Aeronautical Sciences 2019: 1-28.
Kilde:Gong Yu, Wang Yana, Peng Lei, Zhao Libin, Zhang Jianyu. Undersøgelse af stratificeret ekspansionsadfærd hos avancerede kulfiberforstærkede kompositlaminater [C]. Mekanik og teknik - Numerisk beregning og dataanalyse 2019 Akademisk konference. Kinesisk mekanikselskab, Beijing Mechanics Society, 2019. via ixueshu
Opslagstidspunkt: 15. november 2019