MEHAANIKA JA TEHNIKATEADUSED - Numbriline arvutus ja andmeanalüüs
Mehaanika ja tehnika — numbrilised arvutused ja andmeanalüüs 2019. aasta akadeemiline konverents, 19.–21. aprill 2019, Peking
19.–21. aprill 2019, Peking, Hiina
Täiustatud süsinikkiuga tugevdatud komposiitlaminaatide kihilise paisumise käitumise uuring
Gong Yu1*, Wang Yana2, Peng Lei3, Zhao Libin4, Zhang Jianyu1
1Chongqingi Ülikool, Chongqing, 400044, Hiina
2Hiina Lennundusuuringute Instituut Pekingi Aeronautikamaterjalide Uurimisinstituut, Peking, 100095, Hiina
3Hiina kommertslennukid Pekingi tsiviillennukite tehnoloogia uurimiskeskus, Peking, 102211, Hiina
4Pekingi Aeronautika ja Astronautika Ülikool, Peking, 100191, Hiina
AbstraktneLaminaadistruktuur on üks komposiitmaterjalide puhul enimkasutatavaid konfiguratsioone, kuid nõrkade kihtidevaheliste omaduste tõttu saab selle peamiseks purunemisviisiks delaminatsioon. Inseneripraktikas tavaliselt kasutatavate mitmekihiliste laminaatide kihistumise ja paisumiskäitumise uuringud on teadlaste jaoks alati olnud kuum teema. Selles artiklis tutvustatakse Chongqingi ülikooli ja Pekingi Aeronautika ja Astronautika Ülikooli väsimusmurdude labori süsinikkiuga tugevdatud komposiitide delaminatsiooni uurimistulemusi kahest eksperimentaalse uurimistöö ja numbrilise simulatsiooni aspektist. Lõpuks antakse ülevaade valdkonna arengusuunast.
Märksõnad:süsinikkiuga tugevdatud komposiit, laminaat, delaminatsioon, väsimuskiht
sissejuhatus
Komposiitmaterjalidel on suurepärased omadused, nagu kõrge eritugevus ja kõrge erijäikus, ning neid on laialdaselt kasutatud lennunduses, energeetikatehnoloogias, tsiviiltranspordis ja ehituses. Komposiitmaterjalide töötlemise ja kasutamise ajal saavad kiud ja maatriks koormuse all erineval määral kahjustusi. Komposiitlaminaatide tavalisteks purunemisviisideks on kihtidevahelised kahjustused ja kihtide sisemised kahjustused. Tugevduse puudumise tõttu paksuse suunas on laminaadi külgmised mehaanilised omadused halvad ja delaminatsioonikahjustused on väliste löökkoormuste korral väga tõenäolised. Kihiliste kahjustuste teke ja laienemine viib konstruktsiooni jäikuse ja tugevuse vähenemiseni ning võib põhjustada isegi katastroofilisi õnnetusi.[1-3]Seetõttu on delaminatsiooniprobleem komposiitmaterjalide konstruktsioonilise projekteerimise ja tugevusanalüüsi puhul üha enam mures ning on vaja uurida komposiitmaterjalide kihilist paisumiskäitumist.[4].
Laminaadi kihilise paisumise käitumise uurimine
1. Eksperimentaalne uuring
Kihtidevaheline purunemiskindlus on komposiitkihtide vaheliste mehaaniliste omaduste iseloomulik parameeter. I, II ja I/II tüüpi hübriidsete ühesuunaliste laminaatide kihtidevahelise purunemiskindluse määramiseks on kehtestatud vastavad katsestandardid. Vastav katseseade on näidatud joonisel 1. Komposiitmaterjalide mitmesuunalisi laminaate kasutatakse aga sageli tegelikes insenerkonstruktsioonides. Seetõttu on mitmesuunaliste laminaatide kihistumise ja paisumise käitumise eksperimentaalsel uuringul olulisem teoreetiline tähtsus ja tehniline väärtus. Mitmekihilise laminaatkihi initsieerimine ja paisumine toimuvad suvaliste kihistusnurkadega liideste vahel ning kihilise paisumise käitumine erineb oluliselt ühesuunaliste laminaatide omast ja paisumismehhanism on keerulisem. Teadlastel on mitmesuunaliste laminaatide kohta suhteliselt vähe eksperimentaalseid uuringuid ning kihtidevahelise purunemiskindluse määramine ei ole veel kehtestanud rahvusvahelist standardit. Uurimisrühm kasutas T700 ja T800 süsinikkiudu, et kujundada mitmesuguseid komposiitlaminaate erinevate liidese kihtide nurkadega ning uuris liidese kihi nurga ja kiudude sildamise mõju staatilisele ja väsimusdelaminatsiooni käitumisele. On leitud, et kihi tagumise serva poolt moodustatud kiudsillal on suur mõju kihtidevahelisele purunemiskindlusele. Kihistumise laienedes suureneb kihtidevaheline purunemiskindlus järk-järgult madalamast algväärtusest ning kui kihistus saavutab teatud pikkuse, saavutab see stabiilse väärtuse, st R-takistuskõvera nähtuse. Vahekihi algne purunemiskindlus on peaaegu võrdne ja ligikaudu võrdne vaigu purunemiskindlusega, mis sõltub maatriksi enda purunemiskindlusest.[5, 6]Erinevate piirpindade kihtidevahelise purunemiskindluse pikenemise väärtused on aga väga erinevad. Esitatakse oluline sõltuvus piirpinna kihi nurgast. Vastuseks sellele sõltuvusele, Zhao jt.[5]Kihilise takistuse allika füüsikalise mehhanismi põhjal eeldatakse, et kihtidevaheline purunemiskindluse stabiilsuse väärtus koosneb kahest osast: üks osa on mitteseotud kihi liidese purunemistöö ja teine osa on kihisisene kahjustus ja kiud. Sildumisest tingitud purunemise töö. Kihilise rinde pingerinde välja lõplike elementide analüüsi abil leiti, et purunemistöö teine osa sõltub delaminatsioonirinde kahjustustsooni sügavusest (nagu on näidatud joonisel 3) ja kahjustustsooni sügavus on proportsionaalne liidese kihistusnurgaga. Esitatakse I-tüüpi purunemiskindluse stabiilsuse väärtuse teoreetiline mudel, mis on väljendatud liidese kihi nurga sinusoidaalse funktsioonina.
Gong jt.[7]viidi läbi I/II hübriidkihistumise test erinevate segamissuhete korral ja leiti, et laminaadi I/II hübriidkihistumisel on samuti olulised R-takistuskõvera omadused. Erinevate katsekehade purunemiskindluse analüüsi kaudu leiti, et katsekeha kihtidevahelise purunemiskindluse algväärtus ja stabiilne väärtus suurenevad segamissuhte suurenemisega oluliselt. Lisaks saab vahekihi algset ja stabiilset purunemiskindlust erinevate segamissuhete korral kirjeldada BK kriteeriumi abil.
Väsimuskihistumise osas täheldati katse ajal ka märkimisväärset kiudude sildumist. Katseandmete analüüsi põhjal leiti, et komposiitmaterjali väsimusdelaminatsiooni paisumist mõjutab „takistuskõver“, mistõttu traditsiooniline väsimuskihistumise paisumiskiiruse mudel ja läviväärtus ei ole enam rakendatavad. Teoreetilise analüüsi põhjal Zhang ja Peng[4,8,9]tutvustas väsimusdelaminatsiooni paisumise takistust, et väljendada komposiitmaterjalide väsimusdelaminatsiooni paisumiseks vajalikku energiat, ja pakkus välja normaliseeritud deformatsioonienergia. Vabanemiskiirus on väsimuskihistunud paisumise kiiruse mudel ja kontrollparameetrite läviväärtus. Mudeli ja normaliseeritud läviparameetri rakendatavust kontrollitakse katsetega. Lisaks Zhao jt.[3]käsitles põhjalikult kiudude sildumise, pingesuhte ja koormuse segamissuhte mõju väsimuskihistumisele ja paisumiskäitumisele ning lõi normaliseeritud väsimuskihistunud paisumiskiiruse mudeli, võttes arvesse pingesuhte mõju. Mudeli täpsust kontrolliti väsimuskihistumise katsetega, kasutades erinevaid pingesuhteid ja segamissuhteid. Normaliseeritud väsimuskihistunud paisumiskiiruse mudeli väsimuskihistunud paisumistakistuse füüsikalise suuruse jaoks on Gong jt.[1]Arvutusmeetodi nõrkuse ületamiseks, mis võimaldab katsete abil saada vaid piiratud diskreetseid andmepunkte, ja väsimuse kindlakstegemiseks energia seisukohast. Analüütiline mudel kihilise pikenemiskindluse arvutamiseks. Mudel võimaldab kvantitatiivselt määrata väsimuskihistumist ja paisumiskindlust ning pakub teoreetilist tuge pakutud normaliseeritud väsimuskihilise paisumiskiiruse mudeli rakendamiseks.
Joonis 1 kihilise testimisseadme diagramm
Joonis 2 Kihtidevahelise purunemiskindluse R vastupidavuskõver[5]
Joonis 3 Kihiline esiserva kahjustustsoon ja kihiline laiendatud morfoloogia[5]
2. Numbrilise simulatsiooni uuring
Kihilise paisumise numbriline simulatsioon on komposiitstruktuuride projekteerimise valdkonnas oluline uurimismaterjal. Komposiitmaterjalist ühesuunaliste laminaatide delaminatsioonipurunemise ennustamisel kasutavad olemasolevad kihilise paisumise kriteeriumid tavaliselt põhilise jõudlusparameetrina konstantset kihtidevahelist purunemiskindlust.[10], võrreldes prao tipu energia vabanemise kiirust ja kihtidevahelist purunemiskindlust. Suurus, et teha kindlaks, kas kiht laieneb. Mitmesuunaliste laminaatide purunemismehhanism on keeruline[11,12], mida iseloomustavad olulised R takistuskõverad[5,13]Olemasolevad kihilise paisumise kriteeriumid ei võta seda omadust arvesse ja ei kehti kiudaineid sisaldavate sildunud mitmesuunaliste laminaatide delaminatsioonikäitumise simulatsiooni kohta. Gong jt.[10, 13]täiustas olemasolevaid kihilise paisumise kriteeriume ja tegi ettepaneku lisada kriteeriumitesse R-takistuskõver ning selle põhjal kehtestas kihilise paisumise kriteeriumi, võttes arvesse kiudude sildumise mõjusid. Bilineaarse konstitutiivse kohesiooniüksuse määratlust ja kasutusparameetreid uuriti süstemaatiliselt numbriliste meetoditega, sealhulgas algse liidese jäikuse, liidese tugevuse, viskoossuskoefitsiendi ja minimaalse elementide arvu abil kohesioonijõu tsoonis. Kehtestati vastav kohesiooniüksuse parameetrimudel. Lõpuks kontrolliti täiustatud kihilise paisumise kriteeriumi ja kohesiooniüksuse parameetrimudeli efektiivsust ja rakendatavust staatilise kihistumiskatse abil. Täiustatud kriteeriume saab aga positsiooniliste sõltuvuste tõttu kasutada ainult ühemõõtmeliste kihiliste simulatsioonide jaoks, mitte kahe- või kolmemõõtmeliste hierarhiliste laienduste jaoks. Selle probleemi lahendamiseks pakkus autor välja uue kolmemõõtmelise kohesioonijõu konstitutiivse, võttes arvesse kiudude sildumist.[14]Konstitutiivne seos sobib mikroskoopilisest vaatenurgast keeruka kihilise paisumise protsessiga ning sellel on lihtsate parameetrite ja selge füüsikalise tähenduse eelised.
Lisaks, et täpselt simuleerida kihistunud migratsiooni nähtust, mis on levinud mitmesuunaliste laminaatide kihistumisprotsessis[11,12]Zhao jt.[11,12]pakkus välja laiendatud lõplike elementide meetodil põhineva pragude teekonna juhtimismudeli, mis simuleerib spetsiaalset konstruktsiooni. Hierarhiline migratsioon komposiitkihistumise testis. Samal ajal pakutakse välja kihilise paisumise mudel siksak-kihilise paisumise käitumise jaoks piki 90°/90° kihilist liidest, mis simuleerib täpselt 90°/90° liidese kihilise paisumise käitumist.
Joonis 4 Kihilise migratsiooni numbriline simulatsioon ja eksperimentaalsed tulemused[15]
Kokkuvõte
See artikkel keskendub selle rühma uurimistulemustele komposiitlaminaatide delaminatsiooni valdkonnas. Eksperimentaalsed aspektid hõlmavad peamiselt liidese kihistusnurga ja kiudude sildumise mõju staatilisele ja väsimusdelaminatsiooni paisumiskäitumisele. Suure hulga eksperimentaalsete uuringute põhjal on leitud, et komposiitmaterjalide mitmesuunaline laminaatide purunemismehhanism on keeruline. Kiudude sildumine on mitmesuunaliste laminaatide tavaline karastusmehhanism, mis on kihtidevahelise purunemiskindluse R-takistuskõvera peamine põhjus. Praegu on II kihistumise all olev R-takistuskõvera uuring suhteliselt puudulik ja vajab edasist uurimist. Purunemismehhanismist lähtuvalt pakutakse välja väsimuskihistumise mudel, mis hõlmab mitmesuguseid mõjutegureid, mis on väsimuskihistumise uurimise suund. Numbrilise simulatsiooni osas pakkus uurimisrühm välja täiustatud hierarhilise paisumiskriteeriumi ja kohesiivse konstitutiivse mudeli, et arvestada kiudude sildumise mõju kihilisele paisumiskäitumisele. Lisaks kasutatakse hierarhilise migratsiooninähtuse paremaks simuleerimiseks laiendatud lõplike elementide meetodit. See meetod välistab peenrakkude jagunemise vajaduse, kõrvaldades võrgu ümberjagunemisega seotud probleemid. Sellel on ainulaadsed eelised suvaliste kujundite kihistumise simuleerimisel ning tulevikus on vaja selle meetodi kohta rohkem insenerirakenduste uuringuid.[16].
Viited
[1] Y Gong, L Zhao, J Zhang, N Hu. Uudne mudel komposiitlaminaatide väsimusdelaminatsioonikindluse määramiseks energia seisukohast. Compos Sci Technol 2018; 167: 489-96.
[2] L Zhao, Y Wang, J Zhang, Y Gong, N Hu, N Li. XFEM-põhine mudel siksakilise delaminatsiooni kasvu simuleerimiseks lamineeritud komposiitides I koormuse korral. Compos Struct 2017; 160: 1155-62.
[3] L Zhao, Y Gong, J Zhang, Y Wang, Z Lu, L Peng, N Hu. Väsimusdelaminatsiooni kasvukäitumise uudne tõlgendus CFRP mitmesuunalistes laminaatides. Compos Sci Technol 2016; 133: 79-88.
[4] L Peng, J Zhang, L Zhao, R Bao, H Yang, B Fei. Mitmesuunaliste komposiitlaminaatide I mooduse delaminatsiooni kasv väsimuskoormuse all. J Compos Mater 2011; 45: 1077-90.
[5] L Zhao, Y Wang, J Zhang, Y Gong, Z Lu, N Hu, J Xu. Liidesepinnast sõltuv mudel platoo purunemiskindluse hindamiseks mitmesuunalistes süsinikkiust tugevdatud tugevdatud (CFRP) laminaatides I tüüpi koormuse all. Composites Part B: Engineering 2017; 131: 196-208.
[6] L Zhao, Y Gong, J Zhang, Y Chen, B Fei. Mitmesuunaliste laminaatide delaminatsiooni kasvu simulatsioon I tüüpi ja segatüüpi I/II koormuste korral, kasutades kohesiivseid elemente. Compos Struct 2014; 116: 509-22.
[7] Y Gong, B Zhang, L Zhao, J Zhang, N Hu, C Zhang. Segatüüpi I/II delaminatsiooni R-kõvera käitumine süsinik/epoksülaminaatides ühesuunaliste ja mitmesuunaliste piirpindadega. Compos Struct 2019. (Retsenseerimisel).
[8] L Peng, J Xu, J Zhang, L Zhao. Mitmesuunaliste komposiitlaminaatide segamoodiline delaminatsiooni kasv väsimuskoormuse all. Eng Fract Mech 2012; 96: 676-86.
[9] J Zhang, L Peng, L Zhao, B Fei. Komposiitlaminaatide väsimusdelaminatsiooni kasvukiirused ja läviväärtused segatüüpi koormuse all. Int J Fatigue 2012; 40: 7-15.
[10] Y Gong, L Zhao, J Zhang, Y Wang, N Hu. Delaminatsiooni leviku kriteerium, sh kiudude sildamise mõju segatüüpi I/II delaminatsioonile CFRP mitmesuunalistes laminaatides. Compos Sci Technol 2017; 151: 302-9.
[11] Y Gong, B Zhang, SR Hallett. Mitmesuunaliste komposiitlaminaatide delaminatsioonimigratsioon I tüüpi kvaasistaatilise ja väsimuskoormuse all. Compos Struct 2018; 189: 160-76.
[12] Y Gong, B Zhang, S Mukhopadhyay, SR Hallett. Eksperimentaalne uuring delaminatsiooni migratsioonist mitmesuunalistes laminaatides II režiimi staatilise ja väsimuskoormuse all, võrreldes I režiimiga. Compos Struct 2018; 201: 683-98.
[13] Y Gong, L Zhao, J Zhang, N Hu. Täiustatud astmefunktsiooni kriteerium delaminatsiooni leviku määramiseks suuremahulise kiudsilla mõjul komposiit-mitmesuunalistes laminaatides. Compos Struct 2018; 184: 961-8.
[14] Y Gong, Y Hou, L Zhao, W Li, G Yang, J Zhang, N Hu. Uudne kolmelineaarne kohesioonitsooni mudel DCB-laminaatide delaminatsiooni kasvu kirjeldamiseks koos kiudude sildumise efektiga. Compos Struct 2019. (Esitatakse hiljem)
[15] L Zhao, J Zhi, J Zhang, Z Liu, N Hu. Komposiitlaminaatide delaminatsiooni XFEM-simulatsioon. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing 2016; 80: 61-71.
[16] Zhao Libin, Gong Yu, Zhang Jianyu. Kiudtugevdatud komposiitlaminaatide kihilise paisumise käitumise uurimise edusammud. Journal of Aeronautical Sciences 2019: 1-28.
Allikas:Gong Yu, Wang Yana, Peng Lei, Zhao Libin, Zhang Jianyu. Uuring täiustatud süsinikkiuga tugevdatud komposiitlaminaatide kihilise paisumise käitumise kohta [C]. Mehaanika ja tehnika - numbriline arvutus ja andmete analüüs 2019. aasta akadeemiline konverents. Hiina Mehaanikaselts, Pekingi Mehaanikaselts, 2019. kaudu ixueshu
Postituse aeg: 15. november 2019