Studie zum schichtweisen Ausdehnungsverhalten von modernen kohlenstofffaserverstärkten Verbundlaminatplatten

MECHANIK UND INGENIEURWISSENSCHAFTEN - Numerische Berechnung und Datenanalyse
Mechanik und Ingenieurwesen – Numerische Berechnungen und Datenanalyse 2019 Akademische Konferenz, 19.-21. April 2019, Peking
19.-21. April 2019, Peking, China

Studie zum schichtweisen Ausdehnungsverhalten von modernen kohlenstofffaserverstärkten Verbundlaminatplatten

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

¹Chongqing-Universität, Chongqing, 400044, China
²China Aviation Research Institute Beijing Aeronautical Materials Research Institute, Peking, 100095, China
³China Commercial Aircraft Beijing Civil Aircraft Technology Research Center, Peking, 102211, China
⁴Universität für Luft- und Raumfahrt Peking, Peking, 100191, China

AbstraktLaminatstrukturen zählen zu den am häufigsten verwendeten Verbundwerkstoffkonfigurationen. Aufgrund schwacher interlaminarer Eigenschaften ist Delamination jedoch die häufigste Ausfallursache. Die Erforschung des Schichtaufbaus und des Ausdehnungsverhaltens mehrschichtiger Laminate, wie sie in der Ingenieurpraxis häufig verwendet werden, ist seit jeher ein wichtiges Thema für Wissenschaftler. In dieser Arbeit werden die Forschungsergebnisse zur Delamination kohlenstofffaserverstärkter Verbundwerkstoffe im Ermüdungsbruchlabor der Universitäten Chongqing und Peking aus der Perspektive der experimentellen Forschung und der numerischen Simulation vorgestellt. Abschließend wird die Entwicklungsrichtung des Fachgebiets prognostiziert.

Schlüsselwörter:kohlenstofffaserverstärkter Verbundwerkstoff, Laminat, Delamination, Ermüdungsschichtung

Einführung

Verbundwerkstoffe zeichnen sich durch hervorragende Eigenschaften wie hohe spezifische Festigkeit und Steifigkeit aus und finden breite Anwendung in der Luft- und Raumfahrt, der Energietechnik sowie im zivilen Transport- und Bauwesen. Bei der Verarbeitung und Verwendung von Verbundwerkstoffen werden Fasern und Matrix unter Belastung unterschiedlich stark beschädigt. Häufige Versagensarten bei Verbundlaminaten sind Schäden zwischen den Schichten und innerhalb der Schichten. Aufgrund der fehlenden Verstärkung in Dickenrichtung sind die lateralen mechanischen Eigenschaften des Laminats schlecht, und Delaminationsschäden treten bei äußeren Stoßbelastungen mit hoher Wahrscheinlichkeit auf. Das Auftreten und die Ausbreitung von Schichtschäden führen zu einer Verringerung der strukturellen Steifigkeit und Festigkeit und können sogar katastrophale Unfälle verursachen.^[1-3]Daher wird das Delaminationsproblem bei der Strukturgestaltung und Festigkeitsanalyse von Verbundwerkstoffen immer wichtiger, und es ist notwendig, das schichtweise Ausdehnungsverhalten von Verbundwerkstoffen zu untersuchen^[4].

Untersuchungen zum schichtweisen Ausdehnungsverhalten von Laminaten
1. Experimentelle Studie

Die interlaminare Bruchzähigkeit ist ein charakteristischer Parameter für die mechanischen Eigenschaften zwischen Verbundschichten. Für die Bestimmung der interlaminaren Bruchzähigkeit von hybriden unidirektionalen Laminaten des Typs I, Typ II und I/II wurden entsprechende Prüfnormen etabliert. Die entsprechende Prüfvorrichtung ist in Abbildung 1 dargestellt. In der Praxis werden jedoch häufig multidirektionale Laminate aus Verbundwerkstoffen verwendet. Daher ist die experimentelle Untersuchung des Schichtungs- und Ausdehnungsverhaltens multidirektionaler Laminate von größerer theoretischer Bedeutung und von größerem technischen Wert. Die Bildung und Ausdehnung mehrschichtiger Laminate erfolgt zwischen Grenzflächen mit beliebigen Schichtungswinkeln. Das schichtweise Ausdehnungsverhalten unterscheidet sich deutlich von dem unidirektionaler Laminate, und der Ausdehnungsmechanismus ist komplexer. Es liegen relativ wenige experimentelle Untersuchungen zu multidirektionalen Laminaten vor, und die Bestimmung der interlaminaren Bruchzähigkeit hat sich noch nicht als internationaler Standard etabliert. Das Forschungsteam verwendete T700- und T800-Kohlefasern, um verschiedene Verbundlaminate mit unterschiedlichen Grenzflächenwinkeln zu entwickeln und den Einfluss der Grenzflächenwinkel und der Faserbrückenbildung auf das statische und Ermüdungsdelaminationsverhalten zu untersuchen. Es wurde festgestellt, dass die durch die Hinterkante der Schicht gebildete Faserbrücke einen großen Einfluss auf die interlaminare Bruchzähigkeit hat. Mit zunehmender Schichtung steigt die interlaminare Bruchzähigkeit von einem niedrigen Anfangswert allmählich an und erreicht ab einer bestimmten Schichtlänge einen stabilen Wert, das Phänomen der R-Widerstandskurve. Die anfängliche Bruchzähigkeit der Zwischenschicht ist nahezu gleich und entspricht in etwa der Bruchzähigkeit des Harzes, die wiederum von der Bruchzähigkeit der Matrix selbst abhängt.^{[5, 6]}Die Werte der interlaminaren Bruchzähigkeitsausdehnung verschiedener Grenzflächen variieren jedoch stark. Es zeigt sich eine signifikante Winkelabhängigkeit der Grenzflächenschichten. Als Reaktion auf diese Abhängigkeit haben Zhao et al.^[5]Basierend auf dem physikalischen Mechanismus der geschichteten Widerstandsquelle wird angenommen, dass der Stabilitätswert der interlaminaren Bruchzähigkeit aus zwei Teilen besteht, einem Teil der Brucharbeit an der Schnittstelle zwischen nicht verbundenen Schichten und dem anderen Teil der intraschichtbedingten Beschädigung und Faser. Die durch Brückenbildung verursachte Brucharbeit. Durch die Finite-Elemente-Analyse des Spannungsfrontfelds der geschichteten Front wurde festgestellt, dass der zweite Teil der Brucharbeit von der Tiefe der Schadenszone der Delaminationsfront abhängt (siehe Abbildung 3) und die Tiefe der Schadenszone proportional zum Schichtwinkel der Schnittstelle ist. Es wird ein theoretisches Modell des Stabilitätswerts der Bruchzähigkeit vom I-Typ vorgestellt, der durch die Sinusfunktion des Schichtwinkels der Schnittstelle ausgedrückt wird.
Gong et al.^[7]Der I/II-Hybridschichtungstest wurde unter verschiedenen Mischungsverhältnissen durchgeführt. Dabei stellte sich heraus, dass die I/II-Hybridschichtung im Laminat ebenfalls signifikante R-Widerstandskurveneigenschaften aufweist. Die Analyse der Bruchzähigkeit verschiedener Prüflinge ergab, dass der Anfangswert und der stabile Wert der interlaminaren Bruchzähigkeit des Prüflings mit zunehmendem Mischungsverhältnis deutlich ansteigen. Darüber hinaus können die anfängliche und stabile Bruchzähigkeit der Zwischenschicht unter verschiedenen Mischungsverhältnissen durch das BK-Kriterium beschrieben werden.
Auch hinsichtlich der Ermüdungsschichtung wurde während des Tests eine signifikante Faserbrückenbildung beobachtet. Die Analyse der Testdaten ergab, dass die Ermüdungsdelaminationsausdehnung des Verbundwerkstoffs durch die „Widerstandskurve“ beeinflusst wird, sodass das traditionelle Modell der Ermüdungsschichtungsausdehnungsrate und der Schwellenwert nicht mehr anwendbar sind. Basierend auf theoretischen Analysen haben Zhang und Peng^[4,8,9]führte den Ermüdungsdelaminations-Expansionswiderstand ein, um die für die Ermüdungsdelaminationsexpansion von Verbundwerkstoffen erforderliche Energie auszudrücken, und schlug zusätzlich die normalisierte Dehnungsenergie vor. Die Freisetzungsrate entspricht dem Modell der geschichteten Ermüdungsdelaminationsrate und dem Schwellenwert der Steuerparameter. Die Anwendbarkeit des Modells und des normalisierten Schwellenwertparameters wurde experimentell überprüft. Darüber hinaus haben Zhao et al.^[3]Die Auswirkungen von Faserbrücken, Spannungsverhältnis und Lastmischungsverhältnis auf das Ermüdungsschichtungs- und Dehnungsverhalten wurden umfassend berücksichtigt. Unter Berücksichtigung des Einflusses des Spannungsverhältnisses wurde ein normalisiertes Modell der Ermüdungsschichtungsdehnungsrate entwickelt. Die Genauigkeit des Modells wurde durch Ermüdungsschichtungstests mit unterschiedlichen Spannungs- und Mischungsverhältnissen überprüft. Gong et al. untersuchten die physikalische Größe des Ermüdungsschichtungsdehnungswiderstands im normalisierten Modell der Ermüdungsschichtungsdehnungsrate.^[1]Überwinden Sie die Schwäche der Berechnungsmethode, die nur begrenzte diskrete Datenpunkte experimentell erfassen kann, und ermitteln Sie die Ermüdung aus energetischer Sicht. Ein analytisches Modell zur Berechnung des geschichteten Dehnungswiderstands. Das Modell ermöglicht die quantitative Bestimmung der Ermüdungsschichtung und des Dehnungswiderstands und bietet theoretische Unterstützung für die Anwendung des vorgeschlagenen normalisierten Modells der geschichteten Dehnungsrate der Ermüdung.

Abbildung 1: Diagramm des geschichteten Testgeräts

Abbildung 2 Kurve der Bruchzähigkeit R zwischen den Schichten^[5]


Abbildung 3: Geschichtete Vorderkantenschadenszone und geschichtete erweiterte Morphologie^[5]

2. Numerische Simulationsstudie

Die numerische Simulation der Schichtausdehnung ist ein wichtiger Forschungsinhalt im Bereich des Verbundkonstruktionsdesigns. Bei der Vorhersage des Delaminationsversagens von unidirektionalen Verbundlaminaten verwenden die bestehenden Kriterien für die Schichtausdehnung üblicherweise die konstante interlaminare Bruchzähigkeit als grundlegenden Leistungsparameter.^[10], durch Vergleich der Energiefreisetzungsrate an der Rissspitze und der interlaminaren Bruchzähigkeit. Die Größe bestimmt, ob sich die Schichtung ausdehnt. Der Versagensmechanismus multidirektionaler Laminate ist komplex^[11,12], die durch signifikante R-Widerstandskurven gekennzeichnet ist^[5,13]. Die bestehenden Kriterien für die geschichtete Expansion berücksichtigen diese Eigenschaft nicht und sind auf die Simulation des Delaminationsverhaltens von faserhaltigen, überbrückten, multidirektionalen Laminaten nicht anwendbar. Gong et al.^{[10, 13]}Die bestehenden Kriterien für die geschichtete Expansion wurden verbessert und die Einführung der R-Widerstandskurve in die Kriterien vorgeschlagen. Darauf aufbauend wurde ein Kriterium für die geschichtete Expansion entwickelt, das die Auswirkungen von Faserbrücken berücksichtigt. Die Definitions- und Anwendungsparameter der bilinearen konstitutiven Kohäsionskraft wurden systematisch mit numerischen Methoden untersucht, darunter die anfängliche Grenzflächensteifigkeit, die Grenzflächenfestigkeit, der Viskositätskoeffizient und die Mindestanzahl von Elementen im Kohäsionskraftbereich. Das entsprechende Parametermodell der Kohäsionskraft wurde entwickelt. Abschließend wurden Wirksamkeit und Anwendbarkeit des verbesserten Kriteriums für die geschichtete Expansion und des Parametermodells der Kohäsionskraft durch einen statischen Schichtungstest verifiziert. Die verbesserten Kriterien sind jedoch aufgrund von Positionsabhängigkeiten nur für eindimensionale geschichtete Simulationen und nicht für zwei- oder dreidimensionale hierarchische Erweiterungen anwendbar. Um dieses Problem zu lösen, schlug der Autor außerdem ein neues trilineares Kohäsionskraft-Konstitutiv vor, das Faserbrücken berücksichtigt.^[14]. Die konstitutive Beziehung passt aus mikroskopischer Sicht zum komplexen Prozess der geschichteten Ausdehnung und hat die Vorteile einfacher Parameter und einer klaren physikalischen Bedeutung.
Um außerdem das Phänomen der Schichtmigration, das bei der Schichtung von Mehrrichtungslaminaten häufig auftritt, genau zu simulieren,^[11,12], Zhao et al.^[11,12]schlug ein Rissführungsmodell basierend auf erweiterten Finite-Elementen vor, das ein spezielles Design simuliert. Hierarchische Migration in einem Verbundschichtungstest. Gleichzeitig wurde ein Schichtausdehnungsmodell für das Zickzack-Schichtausdehnungsverhalten entlang der 90°/90°-Schichtschnittstelle vorgeschlagen, das das Schichtausdehnungsverhalten der 90°/90°-Schnittstelle genau simuliert.

Abbildung 4 Numerische Simulation der Schichtmigration und experimentelle Ergebnisse^[15]

Abschluss

Dieser Artikel befasst sich mit den Forschungsergebnissen dieser Gruppe auf dem Gebiet der Delamination von Verbundlaminaten. Die experimentellen Aspekte umfassen hauptsächlich den Einfluss des Schnittstellenwinkels und der Faserüberbrückung auf das statische und Ermüdungs-Delaminationsausdehnungsverhalten. Zahlreiche experimentelle Studien haben ergeben, dass der multidirektionale Laminatversagensmechanismus von Verbundwerkstoffen komplex ist. Faserüberbrückung ist ein häufiger Härtungsmechanismus multidirektionaler Laminate und der Hauptgrund für die R-Widerstandskurve der interlaminaren Bruchzähigkeit. Derzeit liegen relativ wenige Studien zur R-Widerstandskurve unter der II-Schichtung vor und müssen weiter erforscht werden. Ausgehend vom Versagensmechanismus wird ein Ermüdungsschichtungsmodell unter Berücksichtigung verschiedener Einflussfaktoren vorgeschlagen, das eine Richtung der Ermüdungsschichtungsforschung darstellt. Im Hinblick auf die numerische Simulation hat die Forschungsgruppe ein verbessertes hierarchisches Expansionskriterium und ein kohäsives konstitutives Modell vorgeschlagen, um den Einfluss der Faserüberbrückung auf das geschichtete Expansionsverhalten zu berücksichtigen. Darüber hinaus wird das erweiterte finite Element verwendet, um das Phänomen der hierarchischen Migration besser simulieren zu können. Diese Methode macht eine feine Zellteilung überflüssig und beseitigt die Probleme, die mit der Neuaufteilung des Netzes verbunden sind. Sie bietet einzigartige Vorteile bei der Simulation der Schichtung beliebiger Formen, und weitere technische Anwendungsforschung zu dieser Methode ist in Zukunft erforderlich.^[16].

Verweise

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[16] Zhao Libin, Gong Yu, Zhang Jianyu. Forschungsfortschritte zum geschichteten Ausdehnungsverhalten von faserverstärkten Verbundlaminaten. Journal of Aeronautical Sciences 2019: 1-28.

Quelle:Gong Yu, Wang Yana, Peng Lei, Zhao Libin, Zhang Jianyu. Studie zum geschichteten Ausdehnungsverhalten von fortschrittlichen kohlenstofffaserverstärkten Verbundlaminaten [C]. Mechanik und Ingenieurwesen – Numerische Berechnung und Datenanalyse, Akademische Konferenz 2019. Chinesische Gesellschaft für Mechanik, Beijing Mechanics Society, 2019. über ixueshu