MEKANIKA ETA INGENIARITZA - Zenbakizko Kalkulua eta Datuen Analisia
Mekanika eta Ingeniaritza — Kalkulu Zenbakizkoak eta Datuen Analisia 2019ko Konferentzia Akademikoa, 2019ko apirilaren 19-21, Pekin
2019ko apirilaren 19-21, Pekin, Txina
Karbono-zuntzez indartutako konpositezko laminatuzko xafla aurreratuen geruza-hedapenaren portaerari buruzko ikerketa
Gong Yu1*Wang Yana2, Peng Lei3, Zhao Libin4, Zhang Jianyu1
1Chongqing Unibertsitatea, Chongqing, 400044, Txina
2Txinako Abiazio Ikerketa Institutua Pekingo Aeronautika Materialen Ikerketa Institutua, Pekin, 100095, Txina
3Txinako Hegazkin Komertzialak Pekingo Hegazkin Zibilen Teknologia Ikerketa Zentroa, Pekin, 102211, Txina
4Pekingo Aeronautika eta Astronautika Unibertsitatea, Pekingo, 100191, Txina
LaburpenaLaminatu-egitura konpositeetarako gehien erabiltzen den konfigurazio konpositeetako bat da, baina delaminazioa bihurtzen da haren hutsegite-modu nagusia geruza arteko propietate ahulak direla eta. Ingeniaritza-praktikan erabili ohi den geruza anitzeko laminatuen estratifikazio eta hedapen-portaerari buruzko ikerketa beti izan da gai beroa adituentzat. Artikulu honetan, Chongqing Unibertsitatean eta Pekingo Unibertsitateko Aeronautika eta Astronautika Nekearen Haustura Laborategian egindako karbono-zuntzez indartutako konpositeen delaminazioaren ikerketa-emaitzak aurkezten dira, ikerketa esperimentalaren eta simulazio numerikoaren bi alderditatik abiatuta. Azkenik, arloaren garapen-norabidea aztertzen da.
Gako-hitzak:karbono-zuntzez indartutako konpositea, laminatua, delaminazioa, nekearen estratifikazioa
sarrera
Material konposatuek propietate bikainak dituzte, hala nola erresistentzia espezifiko handia eta zurruntasun espezifiko handia, eta oso erabiliak izan dira aeroespazialean, energia teknologian eta garraio zibilean eta eraikuntzan. Material konposatuak prozesatu eta erabiltzean, zuntzek eta matrizeak kalte maila desberdinak jasango dituzte kargapean. Lamina konposatuen akats modu ohikoenen artean, geruza arteko kalteak eta geruzen barruko kalteak daude. Lodieraren norabidean indargarririk ez dagoenez, laminatuaren alboko propietate mekanikoak eskasak dira, eta delaminazio kalteak oso litekeena da kanpoko inpaktu kargen pean gertatzea. Geruzatutako kalteen agerpenak eta hedapenak egituraren zurruntasuna eta erresistentzia gutxitzea ekarriko du, eta istripu katastrofikoak ere eragingo ditu.[1-3]Beraz, delaminazio arazoa gero eta gehiago jorratzen da material konposatuen diseinu estrukturala eta erresistentzia-analisia egiteko orduan, eta beharrezkoa da material konposatuen geruza-hedapenaren portaera aztertzea.[4].
Laminatuaren geruza-hedapenaren portaerari buruzko ikerketa
1. Azterketa esperimentala
Geruza arteko haustura-gogorra konposite-geruzen arteko propietate mekanikoen parametro bereizgarria da. I., II. mota eta I/II motako laminatu hibrido unidirekzionalen geruza arteko haustura-gogorra zehazteko dagokien proba-estandarrak ezarri dira. Dagokion proba-aparatua 1. irudian ageri da. Hala ere, material konposatuen norabide anitzeko laminatuak sarritan erabiltzen dira benetako ingeniaritza-egituran. Hori dela eta, norabide anitzeko laminen estratifikazio- eta hedapen-portaerari buruzko azterketa esperimentalak garrantzi teoriko eta ingeniaritza-balio garrantzitsuagoa du. Geruza anitzeko laminatuen geruzaren hasiera eta hedapena geruzatze-angelu arbitrarioak dituzten interfazeen artean gertatzen dira, eta geruza-hedapen-portaera nabarmen desberdina da norabide bakarreko laminenarekin alderatuta, eta hedapen-mekanismoa konplexuagoa da. Ikertzaileek nahiko ikerketa esperimental gutxi dituzte norabide anitzeko laminei buruz, eta geruza arteko haustura-gogorraren zehaztapenak ez du oraindik nazioarteko estandarrik ezarri. Ikerketa-taldeak T700 eta T800 karbono-zuntza erabili zuen interfazearen geruzatze-angelu desberdinak dituzten konposite-laminatu ugari diseinatzeko, eta interfazearen geruzatze-angeluak eta zuntz-zubiak delaminazio-portaera estatikoan eta nekearen ondoriozko portaeran duten eragina aztertu zuen. Geruzaren atzeko ertzak sortutako zuntz-zubiak eragin handia duela ikusi da geruza arteko haustura-gogorrean. Estratifikazioa hedatzen den heinean, geruza arteko haustura-gogoa pixkanaka handituko da hasierako balio baxuago batetik, eta estratifikazioak luzera jakin batera iristen denean, balio egonkor batera iristen da, hau da, R erresistentzia-kurba fenomenoa. Geruza artekoaren hasierako haustura-gogoa ia berdina eta gutxi gorabehera berdina da erretxinaren haustura-gogoaren berdina, eta hori matrizearen beraren haustura-gogoaren araberakoa da.[5, 6]Hala ere, interfaze ezberdinen geruza arteko hausturaren gogortasunaren luzapen-balioak asko aldatzen dira. Interfaze-geruzaren angeluarekiko menpekotasun esanguratsua aurkezten da. Menpekotasun honi erantzunez, Zhao et al.[5]Geruzatutako erresistentzia iturriaren mekanismo fisikoan oinarrituta, geruza arteko hausturaren gogortasunaren egonkortasun balioak bi zati dituela uste da, zati bat erlazionatu gabeko geruza interfazearen haustura-lana da, eta bestea geruza barruko kaltea eta zuntza. Zubiak eragindako hausturaren lana. Geruzadun aurrealdeko tentsio-aurrealdearen eremuaren elementu finituen analisi bidez, ikusi da haustura-lanaren bigarren zatia delaminazio-aurrealdeko kalte-eremuaren sakoneraren araberakoa dela (3. irudian erakusten den bezala), eta kalte-eremuaren sakonera interfazearen geruzatze-angeluarekiko proportzionala dela. I motako haustura-gogortasunaren egonkortasun balioaren eredu teoriko bat aurkezten da, interfazearen geruzaren angeluaren funtzio sinusoidalaren bidez adierazita.
Gong eta beste batzuk.[7]I/II hibrido geruzapen proba egin zuen nahasketa-erlazio desberdinetan, eta ikusi zuen laminatuan I/II hibrido geruzapenak ere R erresistentzia-kurba ezaugarri esanguratsuak dituela. Proba-pieza desberdinen arteko haustura-gogorraren analisi bidez, ikusi zen proba-piezaren geruza arteko haustura-gogorraren hasierako balioa eta balio egonkorra nabarmen handitzen direla nahasketa-erlazioa handitzen den heinean. Horrez gain, tarteko geruzaren hasierako eta egonkorra den haustura-gogorra nahasketa-erlazio desberdinetan BK irizpidearen bidez deskriba daiteke.
Nekearen estratifikazioari dagokionez, zuntz-zubi nabarmenak ere ikusi ziren proban zehar. Proba-datuen analisi bidez, ikusi da material konposatuaren nekearen delaminazio-hedapena "erresistentzia-kurbak" eragiten duela, beraz, nekearen estratifikazioaren hedapen-tasaren eredu tradizionala eta atalase-balioa ez dira gehiago aplikagarriak. Analisi teorikoan oinarrituta, Zhang eta Peng-ek[4,8,9]nekearen delaminazio-hedapen erresistentzia aurkeztu zuen material konposatuen nekearen delaminazio-hedapenerako behar den energia adierazteko, eta, gainera, deformazio-energia normalizatua proposatu zuen. Askapen-tasa nekearen geruzatutako hedapen-tasaren eredua eta kontrol-parametroen atalase-balioa da. Ereduaren eta atalase-parametro normalizatuaren aplikagarritasuna esperimentuen bidez egiaztatzen da. Gainera, Zhao et al.[3]zuntz-zubiak, tentsio-erlazioak eta karga-nahasketa-erlazioak nekearen estratifikazioan eta hedapen-portaeran dituzten efektuak sakonki aztertu zituzten, eta tentsio-erlazioaren eragina kontuan hartuta, nekearen geruzatutako hedapen-tasa normalizatu baten eredua ezarri zuten. Ereduaren zehaztasuna nekearen geruzatze-proben bidez egiaztatu zen, tentsio-erlazio eta nahasketa-erlazio desberdinekin. Nekearen geruzatutako hedapen-tasa normalizatuaren ereduan nekearen geruzatutako hedapen-erresistentziaren kantitate fisikoari dagokionez, Gong et al.[1]Kalkulu-metodoaren ahulezia gainditu, esperimentuen bidez datu-puntu diskretu mugatuak soilik lor ditzakeelako, eta nekea energiaren ikuspuntutik ezarri. Geruzatutako erresistentzia luzatua kalkulatzeko eredu analitiko bat. Ereduak nekearen geruzatzearen eta hedapen-erresistentziaren zehaztapen kuantitatiboa lor dezake, eta euskarri teorikoa eman dezake proposatutako nekearen geruzatutako hedapen-tasa normalizatuaren eredua aplikatzeko.
1. irudia geruzatutako proba-gailuaren diagrama
2. irudia Geruzen arteko haustura-gogorraren R erresistentzia-kurba[5]
3. irudia Geruzatutako ertz nagusiko kalte-eremua eta geruzatutako hedatutako morfologia[5]
2. Simulazio numerikoaren azterketa
Geruzadun hedapenaren simulazio numerikoa ikerketa-eduki garrantzitsua da konposite-egituren diseinuaren arloan. Konpositezko laminazio-norabide bakarreko delaminazio-haustura aurreikusterakoan, dauden estratifikazio-hedapen irizpideek normalean geruza arteko haustura-gogotasun konstantea erabiltzen dute oinarrizko errendimendu-parametro gisa.[10], pitzadura-puntaren energia-askapen-tasa eta geruza arteko haustura-gogorra alderatuz. Tamaina geruzatzea hedatzen ari den zehazteko. Norabide anitzeko laminen haustura-mekanismoa konplexua da[11,12], R erresistentzia kurba esanguratsuek ezaugarritzen dutena[5,13]Geruzadun hedapen irizpideek ez dute ezaugarri hau kontuan hartzen eta ez dira aplikatzen zuntzez osatutako zubi-multzozko laminatuen delaminazio-portaeraren simulazioan. Gong et al.[10, 13]dauden geruzatutako hedapen irizpideak hobetu eta R erresistentzia kurba irizpideetan sartzea proposatu zuen, eta honetan oinarrituta, zuntz zubiaren efektuak kontuan hartzen dituen geruzatutako hedapen irizpide bat ezarri zuen. Kohesio unitate konstitutibo bilinealaren definizio eta erabilera parametroak sistematikoki aztertu ziren metodo numerikoen bidez, hasierako interfazearen zurruntasuna, interfazearen indarra, biskositate koefizientea eta kohesio indar eremuko elementu kopuru minimoa barne. Dagokion kohesio unitatearen parametro eredua ezarri zen. Azkenik, hobetutako geruzatutako hedapen irizpidearen eta kohesio unitatearen parametro ereduaren eraginkortasuna eta aplikagarritasuna estratifikazio proba estatikoaren bidez egiaztatu ziren. Hala ere, hobetutako irizpideak dimentsio bakarreko geruzatutako simulazioetarako bakarrik erabil daitezke, posizio menpekotasunengatik, eta ez bi edo hiru dimentsioko luzapen hierarkikoetarako. Arazo hau konpontzeko, egileak zuntz zubiak kontuan hartzen dituen kohesio indar konstitutibo trilineal berri bat proposatu zuen.[14]Erlazio konstitutiboa geruzadun hedapenaren prozesu konplexuari egokitzen zaio ikuspegi mikroskopiko batetik, eta parametro sinpleen eta esanahi fisiko argiaren abantailak ditu.
Gainera, norabide anitzeko laminatuen estratifikazio-prozesuan ohikoa den migrazio estratifikatuaren fenomenoa zehatz-mehatz simulatzeko[11,12], Zhao eta beste batzuk.[11,12]elementu finitu hedatuetan oinarritutako pitzadura-bidearen gidaritza-eredu bat proposatu zuen, diseinu berezi bat simulatuz. Migrazio hierarkikoa estratifikazio-proba konposatu batean. Aldi berean, geruzadun hedapen-eredu bat proposatu zen 90°/90° geruzadun interfazearen zehar sigi-saga geruzadun hedapen-portaerarentzat, 90°/90° interfazearen geruzadun hedapen-portaera zehatz-mehatz simulatzen duena.
4. irudia Geruzadun migrazioaren simulazio numerikoa eta emaitza esperimentalak[15]
Ondorioa
Artikulu honek talde honen ikerketa-emaitzetan zentratzen da, konpositezko laminatuen delaminazioaren arloan. Alderdi esperimentalen artean, batez ere, interfazearen geruza-angeluaren eta zuntz-zubiaren eragina dago, delaminazio-hedapen estatikoan eta nekearen hedapen-portaeran. Hainbat ikerketa esperimental egin ondoren, ikusi da material konpositeen laminatuen norabide anitzeko haustura-mekanismoa konplexua dela. Zuntz-zubia laminatu norabide anitzekoen gogortze-mekanismo ohikoa da, eta hori da geruza arteko haustura-gogorraren R-erresistentzia kurbaren arrazoi nagusia. Gaur egun, II estratifikazioaren peko R erresistentzia kurbaren azterketa nahiko eskasa da eta ikerketa gehiago behar ditu. Hutsune-mekanismotik abiatuta, hainbat eragin-faktore barne hartzen dituen nekearen estratifikazio-eredua proposatzen da, nekearen estratifikazioaren ikerketaren norabidea dena. Simulazio numerikoari dagokionez, ikerketa-taldeak hobetutako hedapen-irizpide hierarkiko bat eta kohesio-eredu konstitutibo bat proposatu zituen, zuntz-zubiak geruzatutako hedapen-portaeran duen eragina aztertzeko. Horrez gain, elementu finitu hedatua erabiltzen da migrazio hierarkikoko fenomenoa hobeto simulatzeko. Metodo honek zelula-zatiketa finen beharra ezabatzen du, sarearen birzatiketarekin lotutako arazoak ezabatuz. Abantaila bereziak ditu forma arbitrarioen estratifikazioa simulatzeko, eta etorkizunean metodo honen aplikazio ingeniaritzaren ikerketa gehiago beharko dira.[16].
Erreferentziak
[1] Y Gong, L Zhao, J Zhang, N Hu. Energiaren ikuspuntutik konpositezko laminatuetan nekearen delaminazio-erresistentzia zehazteko eredu berri bat. Compos Sci Technol 2018; 167: 489-96.
[2] L Zhao, Y Wang, J Zhang, Y Gong, N Hu, N Li. I. moduko kargapean konposite laminatuetan zig-zag delaminazio hazkundea simulatzeko XFEM oinarritutako eredua. Compos Struct 2017; 160: 1155-62.
[3] L Zhao, Y Gong, J Zhang, Y Wang, Z Lu, L Peng, N Hu. CFRP laminatu multidirekzionaletan nekearen delaminazioaren hazkunde-portaeraren interpretazio berritzailea. Compos Sci Technol 2016; 133: 79-88.
[4] L Peng, J Zhang, L Zhao, R Bao, H Yang, B Fei. I. moduko delaminazio-hazkundea konpositezko laminatu multidirekzionalen neke-kargaren pean. J Compos Mater 2011; 45: 1077-90.
[5] L Zhao, Y Wang, J Zhang, Y Gong, Z Lu, N Hu, J Xu. I. moduko kargapean CFRP laminatu multidirekzionaletan goi-ordokiaren haustura-gogortasunaren interfazearen araberako eredua. Composites Part B: Engineering 2017; 131: 196-208.
[6] L Zhao, Y Gong, J Zhang, Y Chen, B Fei. I. moduko eta I/II. modu mistoko kargen pean norabide anitzeko laminatuetan delaminazio-hazkundearen simulazioa elementu kohesiboak erabiliz. Compos Struct 2014; 116: 509-22.
[7] Y Gong, B Zhang, L Zhao, J Zhang, N Hu, C Zhang. Karbono/epoxi laminatuetan I/II delaminazio modu mistoaren R kurbaren portaera, norabide bakarreko eta norabide anitzeko interfazeekin. Compos Struct 2019. (Berrikuspen fasean).
[8] L Peng, J Xu, J Zhang, L Zhao. Nekearen kargapean norabide anitzeko konpositezko laminatuen delaminazio-hazkunde modu mistoa. Eng Fract Mech 2012; 96: 676-86.
[9] J Zhang, L Peng, L Zhao, B Fei. Karga mistoaren pean konpositezko laminatuen nekearen delaminazio-hazkunde-tasak eta atalaseak. Int J Fatigue 2012; 40: 7-15.
[10] Y Gong, L Zhao, J Zhang, Y Wang, N Hu. Delaminazioaren hedapen-irizpidea, CFRP laminatu multidirekzionaletan I/II modu mistoko delaminaziorako zuntz-zubiaren efektua barne. Compos Sci Technol 2017; 151: 302-9.
[11] Y Gong, B Zhang, SR Hallett. Delaminazio-migrazioa norabide anitzeko konposite-laminatuetan I. moduko karga kuasi-estatiko eta nekearen pean. Compos Struct 2018; 189: 160-76.
[12] Y Gong, B Zhang, S Mukhopadhyay, SR Hallett. II. moduko karga estatiko eta nekearen pean dauden laminatu multidirekzionaletan delaminazio-migrazioari buruzko ikerketa esperimentala, I. moduarekin alderatuta. Compos Struct 2018; 201: 683-98.
[13] Y Gong, L Zhao, J Zhang, N Hu. Potentzia-legearen irizpide hobetua delaminazioaren hedapenerako, zuntz-zubi eskala handiko efektuarekin konpositezko laminatu multidirekzionaletan. Compos Struct 2018; 184: 961-8.
[14] Y Gong, Y Hou, L Zhao, W Li, G Yang, J Zhang, N Hu. DCB laminatuetan delaminazio-hazkundea aztertzeko hiru lineako kohesio-eremu eredu berri bat, zuntz-zubi efektuarekin. Compos Struct 2019. (Aurkeztu beharrekoa)
[15] L Zhao, J Zhi, J Zhang, Z Liu, N Hu. XFEM bidezko delaminazioaren simulazioa konpositezko laminatuetan. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing 2016; 80: 61-71.
[16] Zhao Libin, Gong Yu, Zhang Jianyu. Zuntz indartutako konposite laminatuen geruza-hedapen portaerari buruzko ikerketa aurrerapena. Journal of Aeronautical Sciences 2019: 1-28.
Iturria:Gong Yu, Wang Yana, Peng Lei, Zhao Libin, Zhang Jianyu. Karbono-zuntzez indartutako konpositezko laminatu aurreratuen hedapen estratifikatuaren portaerari buruzko ikerketa [C]. Mekanika eta Ingeniaritza - Zenbakizko Konputazioa eta Datuen Analisia 2019ko Konferentzia Akademikoa. Txinako Mekanika Elkartea, Pekingo Mekanika Elkartea, 2019. bidez ixueshu
Argitaratze data: 2019ko azaroaren 15a