مکانیک و مهندسی - محاسبات عددی و تحلیل داده‌ها
کنفرانس علمی مکانیک و مهندسی - محاسبات عددی و تحلیل داده‌ها ۲۰۱۹، ۱۹ تا ۲۱ آوریل ۲۰۱۹، پکن
۱۹ تا ۲۱ آوریل ۲۰۱۹، پکن، چین
مطالعه رفتار انبساط لایه‌ای ورق‌های کامپوزیتی تقویت‌شده با الیاف کربن پیشرفته
گونگ یو۱*وانگ یانا۲، پنگ لی۳ژائو لیبین۴ژانگ جیانیو۱
۱دانشگاه چونگ‌کینگ، چونگ‌کینگ، کد پستی ۴۰۰۰۴۴، چین
۲موسسه تحقیقات هوانوردی چین، موسسه تحقیقات مواد هوانوردی پکن، پکن، ۱۰۰۰۹۵، چین
۳هواپیماهای تجاری چین، مرکز تحقیقات فناوری هواپیماهای غیرنظامی پکن، پکن، ۱۰۲۲۱۱، چین
۴دانشگاه هوانوردی و فضانوردی پکن، پکن، 100191، چین
چکیدهساختار لایه‌ای یکی از رایج‌ترین پیکربندی‌های کامپوزیت برای کامپوزیت‌ها است، اما لایه‌لایه شدن به دلیل خواص بین لایه‌ای ضعیف، به حالت اصلی شکست آن تبدیل می‌شود. تحقیق در مورد رفتار لایه‌بندی و انبساط چند لایه‌ای که معمولاً در عمل مهندسی مورد استفاده قرار می‌گیرد، همیشه موضوع داغی برای محققان بوده است. در این مقاله، نتایج تحقیقات لایه‌لایه شدن کامپوزیت تقویت‌شده با الیاف کربن در دانشگاه چونگ‌کینگ و آزمایشگاه شکست خستگی دانشگاه هوانوردی و فضانوردی پکن از دو جنبه تحقیقات تجربی و شبیه‌سازی عددی معرفی شده است. در نهایت، جهت توسعه این حوزه پیش‌بینی شده است.
کلمات کلیدی:کامپوزیت تقویت‌شده با الیاف کربن، لمینت، لایه‌لایه شدن، لایه‌لایه شدن خستگی
مقدمه
مواد کامپوزیتی دارای خواص عالی مانند استحکام ویژه بالا و سختی ویژه بالا هستند و به طور گسترده در هوافضا، فناوری انرژی و حمل و نقل شهری و ساخت و ساز مورد استفاده قرار گرفته‌اند. در طول پردازش و استفاده از مواد کامپوزیتی، الیاف و ماتریس تحت بار، درجات مختلفی از آسیب را متحمل می‌شوند. حالت‌های شکست رایج برای لمینت‌های کامپوزیتی شامل آسیب بین لایه‌ای و آسیب درون لایه‌ها است. به دلیل عدم تقویت در جهت ضخامت، خواص مکانیکی جانبی لمینت ضعیف است و احتمال آسیب لایه لایه شدن تحت بارهای ضربه خارجی بسیار زیاد است. وقوع و گسترش آسیب لایه‌ای منجر به کاهش استحکام و مقاومت سازه شده و حتی باعث حوادث فاجعه‌بار می‌شود.[1-3]بنابراین، مسئله لایه لایه شدن بیش از پیش مورد توجه طراحی سازه و تحلیل مقاومت مواد کامپوزیتی قرار گرفته و مطالعه رفتار انبساط لایه ای مواد کامپوزیتی ضروری است.[4].
تحقیق در مورد رفتار انبساط لایه‌ای لمینت
۱. مطالعه تجربی
چقرمگی شکست بین لایه‌ای یک پارامتر مشخصه خواص مکانیکی بین لایه‌های کامپوزیت است. استانداردهای آزمایش مربوطه برای تعیین چقرمگی شکست بین لایه‌ای لمینت‌های تک جهته هیبریدی نوع I، نوع II و I/II ایجاد شده است. دستگاه آزمایش مربوطه در شکل 1 نشان داده شده است. با این حال، لمینت‌های چند جهته مواد کامپوزیتی اغلب در سازه‌های مهندسی واقعی استفاده می‌شوند. بنابراین، مطالعه تجربی بر روی رفتار لایه‌بندی و انبساط لمینت‌های چند جهته اهمیت نظری و ارزش مهندسی بیشتری دارد. شروع و انبساط لایه لمینت چند لایه بین سطوح مشترک با زوایای لایه‌بندی دلخواه رخ می‌دهد و رفتار انبساط لایه‌ای به طور قابل توجهی با لمینت‌های تک جهته متفاوت است و مکانیسم انبساط پیچیده‌تر است. محققان مطالعات تجربی نسبتاً کمی در مورد لمینت‌های چند جهته دارند و تعیین چقرمگی شکست بین لایه‌ای هنوز یک استاندارد بین‌المللی ایجاد نکرده است. تیم تحقیقاتی از الیاف کربن T700 و T800 برای طراحی انواع لمینت‌های کامپوزیتی با زوایای لایه‌بندی مختلف استفاده کردند و تأثیر زاویه لایه‌بندی سطح مشترک و پل زدن الیاف بر رفتار لایه‌لایه شدن استاتیک و خستگی را بررسی کردند. مشخص شده است که پل فیبری تشکیل شده توسط لبه انتهایی لایه، تأثیر زیادی بر چقرمگی شکست بین لایه‌ای دارد. با گسترش لایه‌بندی، چقرمگی شکست بین لایه‌ای به تدریج از مقدار اولیه پایین‌تر افزایش می‌یابد و هنگامی که لایه‌بندی به طول مشخصی می‌رسد، به یک مقدار پایدار می‌رسد، یعنی پدیده منحنی مقاومت R. چقرمگی شکست اولیه لایه بین لایه‌ای تقریباً برابر و تقریباً برابر با چقرمگی شکست رزین است که به چقرمگی شکست خود ماتریس بستگی دارد.[5، 6]با این حال، مقادیر گسترش چقرمگی شکست بین لایه‌ای در فصل مشترک‌های مختلف بسیار متفاوت است. وابستگی قابل توجهی به زاویه لایه رابط نشان داده شده است. در پاسخ به این وابستگی، ژائو و همکاران.[5]بر اساس مکانیسم فیزیکی منبع مقاومت لایه‌ای، فرض می‌شود که مقدار پایداری چقرمگی شکست بین لایه‌ای از دو بخش تشکیل شده است، یک بخش کار شکست رابط لایه غیرمرتبط و بخش دیگر آسیب درون لایه‌ای و فیبر است. کار شکست ناشی از پل زدن. از طریق تحلیل المان محدود میدان جبهه تنش جبهه لایه‌ای، مشخص شد که بخش دوم کار شکست به عمق ناحیه آسیب جبهه لایه‌لایه شدن (مطابق شکل 3) بستگی دارد و عمق ناحیه آسیب متناسب با زاویه لایه‌بندی رابط است. یک مدل نظری از مقدار پایداری چقرمگی شکست نوع I که توسط تابع سینوسی زاویه لایه رابط بیان می‌شود، ارائه شده است.
گونگ و همکاران[7]آزمایش لایه‌بندی هیبریدی I/II را تحت نسبت‌های اختلاط مختلف انجام دادند و دریافتند که لایه‌بندی هیبریدی I/II در لایه نیز دارای ویژگی‌های منحنی مقاومت R قابل توجهی است. از طریق تجزیه و تحلیل چقرمگی شکست بین قطعات آزمایشی مختلف، مشخص شد که مقدار اولیه و مقدار پایدار چقرمگی شکست بین لایه‌ای قطعه آزمایشی با افزایش نسبت اختلاط به طور قابل توجهی افزایش می‌یابد. علاوه بر این، چقرمگی شکست اولیه و پایدار لایه بین لایه‌ای تحت نسبت‌های اختلاط مختلف را می‌توان با معیار BK توصیف کرد.
از نظر لایه‌بندی خستگی، پل‌بندی الیاف قابل توجهی نیز در طول آزمایش مشاهده شد. از طریق تجزیه و تحلیل داده‌های آزمایش، مشخص شد که انبساط لایه‌لایه شدن خستگی ماده کامپوزیت تحت تأثیر «منحنی مقاومت» قرار می‌گیرد، به طوری که مدل سنتی نرخ انبساط لایه‌بندی خستگی و مقدار آستانه دیگر قابل اجرا نیستند. بر اساس تجزیه و تحلیل نظری، ژانگ و پنگ[4،8،9]مقاومت انبساط لایه لایه شدن خستگی را برای بیان انرژی مورد نیاز برای انبساط لایه لایه شدن خستگی مواد کامپوزیتی معرفی کردند و در ادامه انرژی کرنش نرمال شده را پیشنهاد دادند. نرخ رهایی، مدل نرخ انبساط لایه لایه شده خستگی و مقدار آستانه پارامترهای کنترل است. کاربردپذیری مدل و پارامتر آستانه نرمال شده با آزمایش‌ها تأیید شده است. علاوه بر این، ژائو و همکاران.[3]به طور جامع اثرات پل زدن الیاف، نسبت تنش و نسبت اختلاط بار را بر رفتار لایه‌بندی و انبساط خستگی بررسی کردند و یک مدل نرخ انبساط لایه‌بندی شده خستگی نرمال شده با در نظر گرفتن تأثیر نسبت تنش ایجاد کردند. دقت مدل با آزمایش‌های لایه‌بندی خستگی با نسبت‌های تنش و نسبت‌های اختلاط مختلف تأیید شد. برای کمیت فیزیکی مقاومت انبساط لایه‌بندی شده خستگی در مدل نرخ انبساط لایه‌بندی شده خستگی نرمال شده، گونگ و همکارانش ...[1]بر ضعف روش محاسبه که تنها می‌تواند نقاط داده گسسته محدودی را از طریق آزمایش‌ها به دست آورد، غلبه کند و خستگی را از دیدگاه انرژی تعیین کند. یک مدل تحلیلی برای محاسبه مقاومت گسترش‌یافته طبقه‌بندی‌شده. این مدل می‌تواند تعیین کمی طبقه‌بندی خستگی و مقاومت انبساطی را محقق کند و پشتیبانی نظری برای کاربرد مدل نرخ انبساط طبقه‌بندی‌شده خستگی نرمال‌شده پیشنهادی ارائه دهد.
شکل 1 نمودار دستگاه آزمایش طبقه بندی شده
شکل 2 منحنی مقاومت R چقرمگی شکست بین لایه‌ای[5]
شکل 3 ناحیه آسیب لبه حمله لایه لایه و مورفولوژی گسترش یافته لایه لایه[5]
۲. مطالعه شبیه‌سازی عددی
شبیه‌سازی عددی انبساط لایه‌ای، یک موضوع تحقیقاتی مهم در زمینه طراحی سازه‌های کامپوزیتی است. هنگام پیش‌بینی شکست لایه‌لایه شدن لمینت‌های تک‌جهته کامپوزیتی، معیارهای انبساط لایه‌بندی موجود معمولاً از چقرمگی شکست بین لایه‌ای ثابت به عنوان پارامتر عملکرد پایه استفاده می‌کنند.[10]با مقایسه نرخ آزادسازی انرژی نوک ترک و چقرمگی شکست بین لایه‌ای. اندازه برای تعیین اینکه آیا لایه‌بندی در حال گسترش است یا خیر. مکانیسم شکست لایه‌های چند جهته پیچیده است.[11،12]که با منحنی‌های مقاومت R قابل توجه مشخص می‌شود[5،13]معیارهای انبساط لایه‌ای موجود، این ویژگی را در نظر نمی‌گیرند و برای شبیه‌سازی رفتار لایه‌لایه شدن لمینت‌های چند جهته پل‌دار حاوی الیاف اعمال نمی‌شوند. گونگ و همکاران.[10، 13]معیارهای انبساط لایه‌ای موجود را بهبود بخشید و پیشنهاد کرد که منحنی مقاومت R را در معیارها وارد کند و بر این اساس، یک معیار انبساط لایه‌ای با در نظر گرفتن اثرات پل زدن الیاف ایجاد کرد. پارامترهای تعریف و استفاده از واحد چسبنده سازنده دوخطی به طور سیستماتیک با روش‌های عددی، از جمله سختی اولیه سطح مشترک، استحکام سطح مشترک، ضریب ویسکوزیته و حداقل تعداد عناصر در ناحیه نیروی چسبندگی، مورد مطالعه قرار گرفتند. مدل پارامتر واحد چسبنده مربوطه ایجاد شد. در نهایت، اثربخشی و کاربرد معیار انبساط لایه‌ای بهبود یافته و مدل پارامتر واحد چسبنده با آزمایش لایه‌بندی استاتیک تأیید می‌شود. با این حال، معیارهای بهبود یافته فقط به دلیل وابستگی‌های موقعیتی می‌توانند برای شبیه‌سازی‌های لایه‌ای یک بعدی استفاده شوند و نه برای بسط‌های سلسله مراتبی دو یا سه بعدی. به منظور حل این مشکل، نویسنده همچنین یک معیار سازنده نیروی چسبندگی سه خطی جدید با در نظر گرفتن پل زدن الیاف پیشنهاد کرد.[14]رابطه‌ی ساختاری با فرآیند پیچیده‌ی انبساط لایه‌ای از دیدگاه میکروسکوپی مطابقت دارد و مزایای پارامترهای ساده و معنای فیزیکی واضح را دارد.
علاوه بر این، به منظور شبیه‌سازی دقیق پدیده مهاجرت لایه‌ای رایج در فرآیند لایه‌بندی لمینت‌های چند جهته[11،12]، ژائو و همکاران.[11،12]یک مدل هدایت مسیر ترک بر اساس المان محدود توسعه‌یافته ارائه داد که یک طراحی خاص را شبیه‌سازی می‌کند. مهاجرت سلسله مراتبی در یک آزمایش لایه‌بندی کامپوزیت. در عین حال، یک مدل انبساط لایه‌ای برای رفتار انبساط لایه‌ای زیگزاگ در امتداد فصل مشترک لایه‌ای 90°/90° پیشنهاد شده است که به طور دقیق رفتار انبساط لایه‌ای فصل مشترک 90°/90° را شبیه‌سازی می‌کند.
شکل 4 شبیه‌سازی عددی مهاجرت لایه‌ای و نتایج تجربی[15]
نتیجه‌گیری
این مقاله بر نتایج تحقیقات این گروه در زمینه لایه‌لایه شدن لایه‌های کامپوزیتی تمرکز دارد. جنبه‌های تجربی عمدتاً شامل تأثیر زاویه لایه‌چینی سطح مشترک و پل‌زنی الیاف بر رفتار انبساط لایه‌لایه شدن استاتیکی و خستگی است. از طریق تعداد زیادی از مطالعات تجربی، مشخص شده است که مکانیسم شکست چند جهته لایه‌های مواد کامپوزیتی پیچیده است. پل‌زنی الیاف یک مکانیسم سخت‌سازی رایج در لایه‌های چند جهته است که دلیل اصلی منحنی مقاومت R چقرمگی شکست بین لایه‌ای است. در حال حاضر، مطالعه منحنی مقاومت R تحت لایه‌بندی II نسبتاً کم است و نیاز به تحقیقات بیشتر دارد. با شروع از مکانیسم شکست، مدل لایه‌بندی خستگی شامل عوامل مؤثر مختلف پیشنهاد شده است که جهتی از تحقیقات لایه‌بندی خستگی است. از نظر شبیه‌سازی عددی، گروه تحقیقاتی یک معیار گسترش سلسله مراتبی بهبود یافته و یک مدل ساختاری منسجم برای بررسی تأثیر پل‌زنی الیاف بر رفتار انبساط لایه‌ای پیشنهاد کردند. علاوه بر این، از المان محدود توسعه‌یافته برای شبیه‌سازی بهتر پدیده مهاجرت سلسله مراتبی استفاده می‌شود. این روش نیاز به تقسیم سلولی ظریف را از بین می‌برد و مشکلات مرتبط با تقسیم مجدد مش را از بین می‌برد. این روش مزایای منحصر به فردی در شبیه‌سازی لایه‌بندی اشکال دلخواه دارد و تحقیقات کاربردی مهندسی بیشتری در مورد این روش در آینده مورد نیاز است.[16].
منابع
[1] وای گونگ، ال ژائو، جی ژانگ، ان هو. یک مدل جدید برای تعیین مقاومت در برابر لایه لایه شدن خستگی در لمینت‌های کامپوزیتی از دیدگاه انرژی. Compos Sci Technol 2018; 167: 489-96.
[2] L Zhao, Y Wang, J Zhang, Y Gong, N Hu, N Li. مدل مبتنی بر XFEM برای شبیه‌سازی رشد جدایش زیگزاگ در کامپوزیت‌های چندلایه تحت بارگذاری مود I. Compos Struct 2017; 160: 1155-62.
[3] ال ژائو، وای گونگ، جی ژانگ، وای وانگ، زد لو، ال پنگ، ان هو. تفسیری جدید از رفتار رشد لایه لایه شدن خستگی در لمینت‌های چند جهته CFRP. Compos Sci Technol 2016; 133: 79-88.
[4] ال پنگ، جی ژانگ، ال ژائو، آر بائو، اچ یانگ، بی فی. رشد لایه لایه شدن حالت اول در لمینت‌های کامپوزیتی چند جهته تحت بارگذاری خستگی. مجله کامپوزیت ماتر 2011؛ 45: 1077-90.
[5] ال ژائو، وای وانگ، جی ژانگ، وای گونگ، زد لو، ان هو، جی شو. یک مدل وابسته به سطح مشترک برای چقرمگی شکست فلات در ورقه‌های CFRP چند جهته تحت بارگذاری مود I. کامپوزیت‌ها بخش B: مهندسی 2017؛ 131: 196-208.
[6] L Zhao، Y Gong، J Zhang، Y Chen، B Fei. شبیه‌سازی رشد جدایش لایه‌ای در لمینت‌های چند جهته تحت بارگذاری مود I و مود ترکیبی I/II با استفاده از المان‌های چسبنده. Compos Struct 2014; 116: 509-22.
[7] وای گونگ، بی ژانگ، ال ژائو، جی ژانگ، ان هو، سی ژانگ. رفتار منحنی R در جدایش لایه‌ای I/II مود ترکیبی در ورقه‌های کربن/اپوکسی با سطوح تماس یک جهته و چند جهته. کامپوس استراکچر 2019. (در دست بررسی).
[8] ال پنگ، جی شو، جی ژانگ، ال ژائو. رشد لایه لایه شدن حالت مختلط در لمینت‌های کامپوزیتی چند جهته تحت بارگذاری خستگی. Eng Fract Mech 2012; 96: 676-86.
[9] جی ژانگ، ال پنگ، ال ژائو، بی فی. نرخ رشد لایه لایه شدن خستگی و آستانه‌های آن در لمینت‌های کامپوزیتی تحت بارگذاری حالت ترکیبی. Int J Fatigue 2012; 40: 7-15.
[10] وای گونگ، ال ژائو، جی ژانگ، وای وانگ، ان هو. معیار انتشار لایه لایه شدن شامل اثر پل زدن الیاف برای لایه لایه شدن حالت ترکیبی I/II در لمینت‌های چند جهته CFRP. Compos Sci Technol 2017; 151: 302-9.
[11] وای گونگ، بی ژانگ، اس آر هالت. مهاجرت لایه لایه شدن در لمینت‌های کامپوزیتی چند جهته تحت بارگذاری شبه استاتیکی و خستگی مود I. کامپوس استراکچر 2018؛ 189: 160-76.
[12] وای گونگ، بی ژانگ، اس موخوپادهای، اس آر هالت. مطالعه تجربی مهاجرت جدایش لایه‌ای در لمینت‌های چند جهته تحت بارگذاری استاتیکی و خستگی حالت II، با مقایسه با حالت I. Compos Struct 2018; 201: 683-98.
[13] وای گونگ، ال ژائو، جی ژانگ، ان هو. معیار قانون توان بهبود یافته برای انتشار لایه لایه شدن با اثر پل زدن الیاف در مقیاس بزرگ در لمینت‌های چند جهته کامپوزیتی. کامپوس استراکچر 2018؛ 184: 961-8.
[14] وای گونگ، وای هو، ال ژائو، دبلیو لی، جی یانگ، جی ژانگ، ان هو. یک مدل ناحیه چسبنده سه خطی جدید برای رشد لایه لایه شدن در لمینت‌های DCB با اثر پل زدن الیاف. Compos Struct 2019. (در حال ارائه)
[15] ال ژائو، جی ژی، جی ژانگ، زد لیو، ان هو. شبیه‌سازی XFEM از لایه‌لایه شدن در ورقه‌های کامپوزیتی. کامپوزیت‌ها بخش الف: علوم کاربردی و تولید 2016؛ 80: 61-71.
[16] ژائو لیبین، گونگ یو، ژانگ جیانیو. پیشرفت تحقیقات در مورد رفتار انبساط لایه‌ای کامپوزیت‌های تقویت‌شده با الیاف. مجله علوم هوانوردی 2019: 1-28.
منبع:گونگ یو، وانگ یانا، پنگ لی، ژائو لیبین، ژانگ جیانیو. مطالعه رفتار انبساط لایه‌ای کامپوزیت‌های تقویت‌شده با الیاف کربن پیشرفته [C]. مکانیک و مهندسی - محاسبات عددی و تحلیل داده‌ها، کنفرانس علمی ۲۰۱۹. انجمن مکانیک چین، انجمن مکانیک پکن، ۲۰۱۹. از طریق آیکسوئشو
زمان ارسال: ۱۵ نوامبر ۲۰۱۹