Studo pri Tavola Ekspansia Konduto de Altnivela Karbonfibro-Plifortigita Kompozita Lamenfolio

MEKANIKO KAJ INĜENIERADO - Nombra Komputado kaj Datenanalizo
Mekaniko kaj Inĝenierarto — Nombraj Kalkuloj kaj Datumanalizo 2019 Akademia Konferenco, 19-21 aprilo 2019, Pekino
19-21 aprilo 2019, Pekino, Ĉinio

Studo pri Tavola Ekspansia Konduto de Altnivela Karbonfibro-Plifortigita Kompozita Lamenfolio

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

¹Universitato de Ĉongĉingo, Ĉongĉingo, 400044, Ĉinio
²Ĉina Instituto pri Aviado Pekina Instituto pri Aeronaŭtikaj Materialoj, Pekino, 100095, Ĉinio
³Ĉinia Komerca Aviadilo Pekina Civila Aviadila Teknologia Esplorcentro, Pekino, 102211, Ĉinio
⁴Pekina Universitato de Aeronaŭtiko kaj Astronaŭtiko, Pekino, 100191, Ĉinio

AbstraktaĵoLamena strukturo estas unu el la plej ofte uzataj kompozitaj konfiguracioj por kompozitoj, sed delaminado fariĝas ĝia ĉefa fiaskomodo pro malfortaj interlamenaj ecoj. Esploro pri la plurtavola lamena tavoliĝo kaj ekspansia konduto ofte uzata en inĝeniera praktiko ĉiam estis varma temo por akademiuloj. En ĉi tiu artikolo, la esplorrezultoj pri karbonfibro-plifortigita kompozita delaminado en la Universitato de Ĉongĉingo kaj la Laboratorio pri Laceca Frakturo de la Pekina Universitato pri Aeronaŭtiko kaj Astronaŭtiko estas prezentitaj el du aspektoj de eksperimenta esplorado kaj numera simulado. Fine, la disvolva direkto de la kampo estas prospektorita.

Ŝlosilvortoj:karbonfibro-plifortigita kompozitaĵo, lamenaro, delaminado, lacectavoligo

enkonduko

Kompozitaj materialoj havas bonegajn ecojn kiel altan specifan forton kaj altan specifan rigidecon, kaj estas vaste uzataj en aerspaca, energia teknologio, kaj civila transporto kaj konstruado. Dum la prilaborado kaj uzo de kompozitaj materialoj, la fibroj kaj matrico spertas malsamajn gradojn de difekto sub ŝarĝo. Oftaj difektoj por kompozitaj lamenoj inkluzivas intertavolan difekton kaj difekton ene de tavoloj. Pro la manko de plifortigo en la dikecodirekto, la lateralaj mekanikaj ecoj de la lameno estas malbonaj, kaj delaminacia difekto tre verŝajne okazos sub eksteraj ŝarĝoj. La okazo kaj disetendiĝo de tavoligita difekto kondukos al malpliiĝo de struktura rigideco kaj forto, kaj eĉ kaŭzos katastrofajn akcidentojn.^[1-3]Tial, la problemo de delaminado estas pli kaj pli koncernata de la struktura dezajno kaj fortoanalizo de kompozitaj materialoj, kaj necesas studi la tavoligitan ekspansian konduton de kompozitaj materialoj.^[4].

Esplorado pri tavoligita ekspansia konduto de lamenaro
1. Eksperimenta studo

Interlaminara fraktur-forteco estas karakteriza parametro de la mekanikaj ecoj inter kompozitaj tavoloj. Respondaj testaj normoj estis establitaj por determinado de interlaminara fraktur-forteco de Tipo I, Tipo II kaj I/II hibridaj unudirektaj lamenoj. La koresponda testaparato estas montrita en Figuro 1. Tamen, la multdirektaj lamenoj el kompozitaj materialoj ofte estas uzataj en la fakta inĝeniera strukturo. Tial, la eksperimenta studo pri la tavoliĝa kaj ekspansia konduto de multdirektaj lamenoj havas pli gravan teorian signifon kaj inĝenieran valoron. La komenco kaj ekspansio de multtavolaj lamenoj okazas inter interfacoj kun arbitraj tavoliĝaj anguloj, kaj la tavoliĝa ekspansia konduto estas signife malsama ol tiu de unudirektaj lamenoj, kaj la ekspansia mekanismo estas pli komplika. Esploristoj havas relative malmultajn eksperimentajn studojn pri multdirektaj lamenoj, kaj la determinado de interlaminara fraktur-forteco ankoraŭ ne establis internacian normon. La esplorteamo uzis karbonfibrojn T700 kaj T800 por desegni diversajn kompozitajn lamenojn kun malsamaj interfacaj tavoliĝaj anguloj, kaj studis la influon de interfaca tavoliĝa angulo kaj fibropontado sur statika kaj laciĝa delaminiĝa konduto. Oni trovis, ke fibropontado formita de la malantaŭa rando de la tavolo havas grandan influon sur la intertavolan rompofortecon. Dum la tavoliĝo disetendiĝas, la intertavola rompoforteco iom post iom pliiĝas de pli malalta komenca valoro, kaj kiam la tavoliĝo atingas certan longon, ĝi atingas stabilan valoron, tio estas, la fenomenon de la R-rezista kurbo. La komenca rompoforteco de la intertavolo estas preskaŭ egala kaj proksimume egala al la rompoforteco de la rezino, kiu dependas de la rompoforteco de la matrico mem.^{[5, 6]}Tamen, la etendvaloroj de la interlaminara frakturrezisteco de malsamaj interfacoj multe varias. Signifa dependeco de la angula interfaca tavolo estas prezentita. Responde al ĉi tiu dependeco, Zhao et al.^[5]Surbaze de la fizika mekanismo de la tavola rezistancfonto, oni konsideras, ke la interlaminara fraktura forteco-stabileca valoro konsistas el du partoj: unu parto estas la fraktura laboro de la senrilata tavola interfaco, kaj la alia parto estas la intratavola difekto kaj fibro. La laboro de frakturo kaŭzita de pontado. Per la finia elementa analizo de la streĉa fronta kampo de la tavola fronto, oni trovas, ke la dua parto de la fraktura laboro dependas de la profundo de la difekta zono de la delaminada fronto (kiel montrite en Figuro 3), kaj la profundo de la difekta zono estas proporcia al la interfaca tavoliga angulo. Teoria modelo de la I-tipa fraktura forteco-stabileca valoro, esprimita per la sinusoida funkcio de la interfaca tavola angulo, estas prezentita.
Gong kaj aliaj.^[7]efektivigis la I/II hibridan tavoligan teston sub malsamaj miksaj proporcioj, kaj trovis, ke la I/II hibrida tavoligo en la lamenaro ankaŭ havas signifajn R-rezistancajn kurbajn karakterizaĵojn. Per la analizo de la rompoforteco inter malsamaj testpecoj, oni trovas, ke la komenca valoro kaj la stabila valoro de la interlaminara rompoforteco de la testpeco signife pliiĝas kun la pliiĝo de la miksa proporcio. Krome, la komenca kaj stabila rompoforteco de la intertavolo sub malsamaj miksaj proporcioj povas esti priskribitaj per la BK-kriterio.
Rilate al lacectavoligo, signifa fibro-pontado ankaŭ estis observita dum la testo. Per la analizo de la testaj datumoj, oni trovis, ke la laceca delaminiga ekspansio de la kompozita materialo estas influita de la "rezistanckurbo", tiel ke la tradicia lacectavoliga ekspansia indico-modelo kaj la sojla valoro ne plu aplikeblas. Surbaze de teoria analizo, Zhang kaj Peng^[4,8,9]enkondukis la reziston al laceca delaminado-ekspansio por esprimi la energion bezonatan por la laceca delaminada ekspansio de kompozitaj materialoj, kaj plue proponis la normigitan streĉenergion. La liberiga rapido estas la laceca tavoligita ekspansia rapidmodelo kaj sojla valoro de la kontrolaj parametroj. La aplikebleco de la modelo kaj la normigita sojla parametro estas kontrolita per eksperimentoj. Plue, Zhao et al.^[3]amplekse konsideris la efikojn de fibro-pontado, streĉa proporcio kaj ŝarĝo-miksa proporcio sur lacectavoligon kaj ekspansian konduton, kaj establis normaligitan lacectavoligan ekspansian rapidmodelon konsiderante la influon de la streĉa proporcio. La precizeco de la modelo estis kontrolita per lacectavoligaj testoj kun malsamaj streĉaj proporcioj kaj miksaj proporcioj. Por la fizika kvanto de lacectavoliga ekspansia rezisto en la normaligita lacectavoliga ekspansia rapidmodelo, Gong et al.^[1]superi la malfortecon de la kalkulmetodo, kiu povas akiri nur limigitajn diskretajn datenpunktojn per eksperimentoj, kaj establi lacecon el energia vidpunkto. Analiza modelo por la kalkulo de tavoligita etendita rezisto. La modelo povas realigi la kvantan determinadon de lacectavoliĝo kaj ekspansiorezisto, kaj provizi teorian subtenon por la apliko de la proponita normigita lacec-tavoligita ekspansiorapideca modelo.

Figuro 1 diagramo de plurtavola testaparato

Figuro 2 Intertavola fraktur-rezistokurbo R^[5]


Figuro 3 Tavoligita fronta rando difektozono kaj plurtavola plilongigita morfologio^[5]

2. Studo pri numera simulado

La numera simulado de tavola ekspansio estas grava esplora enhavo en la kampo de kompozita struktura dezajno. Kiam oni antaŭdiras la delaminadan fiaskon de kompozitaj unudirektaj lamenaĵoj, la ekzistantaj tavoliĝaj ekspansiaj kriterioj kutime uzas konstantan interlamenan frakturreziston kiel la bazan rendimentan parametron.^[10], komparante la liberrapidecon de la energio de fendpinto kaj la interlamenan frakturreziston. Grandeco por determini ĉu la tavoligado disetendiĝas. La difekta mekanismo de plurdirektaj lamenoj estas kompleksa^[11,12], kiu estas karakterizita per signifaj R-rezistanckurboj^[5,13]La ekzistantaj kriterioj pri tavoligita ekspansio ne konsideras ĉi tiun trajton kaj ne aplikiĝas al la simulado de la delaminiga konduto de fibro-entenantaj pontitaj multdirektaj lamenaĵoj. Gong et al.^{[10, 13]}plibonigis la ekzistantajn kriteriojn por tavoligita ekspansio kaj proponis enkonduki la R-rezistan kurbon en la kriteriojn, kaj surbaze de tio, establis tavoligitan ekspansian kriterion konsiderante la efikojn de fibra pontado. La difino kaj uzparametroj de la dulineara konstituiga kohezia unuo estis sisteme studitaj per numeraj metodoj, inkluzive de la komenca interfaca rigideco, interfaca forto, viskozeca koezia koezia unuo kaj la minimuma nombro da elementoj en la kohezia forta zono. La koresponda kohezia unuo-parametra modelo estis establita. Fine, la efikeco kaj aplikebleco de la plibonigita tavoligita ekspansia kriterio kaj la kohezia unuo-parametra modelo estas kontrolitaj per statika tavoliga testo. Tamen, la plibonigitaj kriterioj povas esti uzataj nur por unu-dimensiaj tavoligitaj simuladoj pro poziciaj dependecoj kaj ne por du- aŭ tridimensiaj hierarkiaj etendaĵoj. Por solvi ĉi tiun problemon, la aŭtoro plue proponis novan trilinearan kohezian forton konsiderante fibran pontadon.^[14]La konstitua rilato konvenas al la kompleksa procezo de tavola ekspansio el mikroskopa perspektivo, kaj havas la avantaĝojn de simplaj parametroj kaj klara fizika signifo.
Krome, por precize simuli la tavoligitan migradfenomenon oftan en la tavoliĝa procezo de plurdirektaj lamenaĵoj^[11,12], Zhao kaj aliaj.^[11,12]proponis modelon de gvidado de fendvojo bazitan sur etendita finia elemento, simulante specialan dezajnon. Hierarkia migrado en kompozita tavoliĝa testo. Samtempe, tavolita ekspansia modelo estas proponita por la zigzaga tavolita ekspansia konduto laŭlonge de la 90°/90° tavolita interfaco, kiu precize simulas la tavolitan ekspansian konduton de la 90°/90° interfaco.

Figuro 4 Nombra simulado de tavoligita migrado kaj eksperimentaj rezultoj^[15]

Konkludo

Ĉi tiu artikolo fokusiĝas al la esplorrezultoj de ĉi tiu grupo en la kampo de delaminado de kompozitaj lamenoj. La eksperimentaj aspektoj ĉefe inkluzivas la influon de la interfaca tavolperspektivo kaj fibra pontado sur la statika kaj laciĝa delaminada ekspansia konduto. Per granda nombro da eksperimentaj studoj, oni trovis, ke la multdirekta laminada difektmekanismo de kompozitaj materialoj estas komplika. Fibra pontado estas ofta hardiga mekanismo de multdirektaj lamenoj, kio estas la ĉefa kialo de la R-rezista kurbo de interlaminara frakturforteco. Nuntempe, la studo de la R-rezista kurbo sub la II-tavoliĝo estas relative mankhava kaj bezonas plian esploradon. Komencante de la difektmekanismo, la laciĝa tavoliĝomodelo inkluzivanta diversajn influajn faktorojn estas proponita, kio estas direkto de esplorado pri laciĝa tavoliĝo. Rilate al numera simulado, la esplorgrupo proponis plibonigitan hierarkian ekspansian kriterion kaj kohezian konstituigan modelon por konsideri la influon de fibra pontado sur la tavoligita ekspansia konduto. Krome, la etendita finia elemento estas uzata por pli bone simuli la hierarkian migradan fenomenon. Ĉi tiu metodo forigas la bezonon de fajna ĉeldividiĝo, eliminante la problemojn asociitajn kun retredividiĝo. Ĝi havas unikajn avantaĝojn en simulado de la tavoliĝo de arbitraj formoj, kaj pli da inĝenieristika aplika esplorado de ĉi tiu metodo estas bezonata en la estonteco.^[16].

Referencoj

[1] Y Gong, L Zhao, J Zhang, N Hu. Nova modelo por determini la reziston al laceco-delaminado en kompozitaj lamenaĵoj el energia vidpunkto. Compos Sci Technol 2018; 167: 489-96.
[2] L Zhao, Y Wang, J Zhang, Y Gong, N Hu, N Li. XFEM-bazita modelo por simuli zigzagan delaminiĝan kreskon en lamenigitaj kompozitoj sub ŝarĝo de reĝimo I. Compos Struct 2017; 160: 1155-62.
[3] L Zhao, Y Gong, J Zhang, Y Wang, Z Lu, L Peng, N Hu. Nova interpreto de la kreskokonduto pro laceca delaminado en CFRP-multidirektaj lamenaĵoj. Compos Sci Technol 2016; 133: 79-88.
[4] L Peng, J Zhang, L Zhao, R Bao, H Yang, B Fei. Reĝimo I delaminiĝa kresko de multdirektaj kompozitaj lamenaĵoj sub laciĝa ŝarĝo. J Compos Mater 2011; 45: 1077-90.
[5] L Zhao, Y Wang, J Zhang, Y Gong, Z Lu, N Hu, J Xu. Interfac-dependa modelo de plateaŭa frakturrezisto en multdirektaj CFRP-lamenaĵoj sub ŝarĝo de reĝimo I. Composites Part B: Engineering 2017; 131: 196-208.
[6] L Zhao, Y Gong, J Zhang, Y Chen, B Fei. Simulado de delaminiĝa kresko en plurdirektaj lamenaĵoj sub ŝarĝoj de reĝimo I kaj miksita reĝimo I/II uzante koheziajn elementojn. Compos Struct 2014; 116: 509-22.
[7] Y Gong, B Zhang, L Zhao, J Zhang, N Hu, C Zhang. R-kurbo konduto de la miksreĝima I/II delaminado en karbonaj/epoksiaj lamenaĵoj kun unudirektaj kaj multdirektaj interfacoj. Compos Struct 2019. (Sub revizio).
[8] L Peng, J Xu, J Zhang, L Zhao. Miksitreĝima delaminiĝa kresko de multdirektaj kompozitaj lamenaĵoj sub laciĝa ŝarĝo. Eng Fract Mech 2012; 96: 676-86.
[9] J Zhang, L Peng, L Zhao, B Fei. Kreskorapidecoj kaj sojloj de lacec-delaminado de kompozitaj lamenaĵoj sub miksreĝima ŝarĝo. Int J Fatigue 2012; 40: 7-15.
[10] Y Gong, L Zhao, J Zhang, Y Wang, N Hu. Kriterio pri disvastiĝo de delaminado inkluzive de la efiko de fibropontado por miksreĝima I/II delaminado en CFRP-multidirektaj lamenaĵoj. Compos Sci Technol 2017; 151: 302-9.
[11] Y Gong, B Zhang, SR Hallett. Delaminiĝa migrado en plurdirektaj kompozitaj lamenaĵoj sub kvazaŭ-statika kaj laciĝa ŝarĝo de reĝimo I. Compos Struct 2018; 189: 160-76.
[12] Y Gong, B Zhang, S Mukhopadhyay, SR Hallett. Eksperimenta studo pri delaminiĝa migrado en multdirektaj lamenaĵoj sub statika kaj laciĝa ŝarĝo de reĝimo II, kun komparo al reĝimo I. Compos Struct 2018; 201: 683-98.
[13] Y Gong, L Zhao, J Zhang, N Hu. Plibonigita kriterio de potencleĝo por la disvastiĝo de delaminigo kun la efiko de grandskala fibropontado en kompozitaj multdirektaj lamenaĵoj. Compos Struct 2018; 184: 961-8.
[14] Y Gong, Y Hou, L Zhao, W Li, G Yang, J Zhang, N Hu. Nova tri-lineara kohezia zonmodelo por la delaminiĝa kresko en DCB-lamenaĵoj kun la efiko de fibropontado. Compos Struct 2019. (Estos submetita)
[15] L Zhao, J Zhi, J Zhang, Z Liu, N Hu. XFEM-simulado de delaminigo en kompozitaj lamenaĵoj. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing 2016; 80: 61-71.
[16] Zhao Libin, Gong Yu, Zhang Jianyu. Esplorprogreso pri plurtavola ekspansia konduto de fibro-plifortigitaj kompozitaj lamenaĵoj. Journal of Aeronautical Sciences 2019: 1-28.

Fonto:Gong Yu, Wang Yana, Peng Lei, Zhao Libin, Zhang Jianyu. Studo pri plurtavola ekspansia konduto de progresintaj karbonfibro-plifortigitaj kompozitaj lamenaĵoj [C]. Mekaniko kaj Inĝenierarto - Nombra Komputado kaj Datumanalizo 2019 Akademia Konferenco. Ĉina Societo de Mekaniko, Pekina Mekanika Societo, 2019. per iŝuŝu