MEKANIIKKA JA TEKNIIKKA - Numeerinen laskenta ja data-analyysi
Mekaniikka ja tekniikka — Numeeriset laskelmat ja data-analyysi 2019 Akateeminen konferenssi, 19.-21. huhtikuuta 2019, Peking
19.–21. huhtikuuta 2019, Peking, Kiina
Tutkimus edistyneiden hiilikuitulujitettujen komposiittilaminaattilevyjen kerroslaajenemiskäyttäytymisestä
Gong Yu1*, Wang Yana2, Peng Lei3, Zhao Libin4, Zhang Jianyu1
1Chongqingin yliopisto, Chongqing, 400044, Kiina
2Kiinan ilmailututkimuslaitos Pekingin ilmailumateriaalien tutkimuslaitos, Peking, 100095, Kiina
3Kiinan kaupalliset lentokoneet Pekingin siviili-lentokoneiden teknologian tutkimuskeskus, Peking, 102211, Kiina
4Pekingin ilmailu- ja avaruustekniikan yliopisto, Peking, 100191, Kiina
AbstraktiLaminaattirakenne on yksi yleisimmin käytetyistä komposiittikonfiguraatioista komposiiteille, mutta delaminaatiosta tulee sen tärkein vikaantumistapa heikkojen kerrosten välisten ominaisuuksien vuoksi. Insinööritieteissä yleisesti käytetyn monikerroksisen laminaatin kerrostumisen ja laajenemiskäyttäytymisen tutkimus on aina ollut kuuma aihe tutkijoille. Tässä artikkelissa esitellään Chongqingin yliopiston ja Pekingin ilmailu- ja avaruustekniikan yliopiston väsymismurtumislaboratorion hiilikuituvahvisteisen komposiitin delaminaatiota koskevia tutkimustuloksia kokeellisen tutkimuksen ja numeerisen simuloinnin näkökulmasta. Lopuksi tarkastellaan alan kehityssuuntaa.
Avainsanat:hiilikuituvahvisteinen komposiitti, laminaatti, delaminaatio, väsymiskerrostuminen
johdanto
Komposiittimateriaaleilla on erinomaiset ominaisuudet, kuten korkea ominaislujuus ja korkea ominaisjäykkyys, ja niitä on käytetty laajalti ilmailu- ja avaruustekniikassa, energiatekniikassa sekä siviililiikenteessä ja rakentamisessa. Komposiittimateriaalien prosessoinnin ja käytön aikana kuidut ja matriisi vaurioituvat kuormituksen alaisena eriasteisesti. Yleisiä komposiittilaminaattien vikaantumistapoja ovat kerrosten välinen vaurio ja kerrosten sisäinen vaurio. Koska paksuussuunnassa ei ole vahvikkeita, laminaatin sivuttaiset mekaaniset ominaisuudet ovat huonot, ja delaminaatiovaurioita esiintyy erittäin todennäköisesti ulkoisten iskukuormien alaisena. Kerrosvaurioiden esiintyminen ja laajeneminen johtaa rakenteellisen jäykkyyden ja lujuuden heikkenemiseen ja jopa aiheuttaa katastrofaalisia onnettomuuksia.[1–3]Siksi delaminaatio-ongelma on yhä tärkeämpi komposiittimateriaalien rakennesuunnittelussa ja lujuusanalyysissä, ja on tarpeen tutkia komposiittimateriaalien kerroslaajenemiskäyttäytymistä.[4].
Laminaatin kerroslaajenemiskäyttäytymisen tutkimus
1. Kokeellinen tutkimus
Kerrosten välinen murtumissitkeys on komposiittikerrosten välisten mekaanisten ominaisuuksien tyypillinen parametri. Tyypin I, tyypin II ja I/II hybridi-yksisuuntaisten laminaattien kerrosten välisen murtumissitkeyden määrittämiseksi on laadittu vastaavat testistandardit. Vastaava testilaitteisto on esitetty kuvassa 1. Komposiittimateriaalien monisuuntaisia laminaatteja käytetään kuitenkin usein todellisissa rakenteissa. Siksi monisuuntaisten laminaattien kerrostumis- ja laajenemiskäyttäytymisen kokeellisella tutkimuksella on tärkeämpi teoreettinen merkitys ja tekninen arvo. Monikerroksisen laminaattikerroksen alkaminen ja laajeneminen tapahtuvat mielivaltaisten kerroskulmien rajapintojen välillä, ja kerroksellisen laajenemisen käyttäytyminen eroaa merkittävästi yksisuuntaisista laminaateista, ja laajenemismekanismi on monimutkaisempi. Tutkijoilla on suhteellisen vähän kokeellisia tutkimuksia monisuuntaisista laminaateista, eikä kerrosten välisen murtumissitkeyden määrittämiselle ole vielä vahvistettu kansainvälistä standardia. Tutkimusryhmä käytti T700- ja T800-hiilikuitua suunnitellakseen erilaisia komposiittilaminaatteja, joilla on erilaiset rajapinnan asettelukulmat, ja tutki rajapinnan asettelukulman ja kuitujen silloittumisen vaikutusta staattiseen ja väsymisdelaminaatiokäyttäytymiseen. On havaittu, että kerroksen takareunan muodostamalla kuitusillalla on suuri vaikutus kerrosten väliseen murtumissitkeyteen. Kerrostumisen laajentuessa kerrosten välinen murtumissitkeys kasvaa vähitellen pienemmästä alkuarvosta, ja kun kerrostuneisuus saavuttaa tietyn pituuden, se saavuttaa vakaan arvon, eli R-vastuskäyräilmiön. Välikerroksen alkuperäinen murtumissitkeys on lähes yhtä suuri ja suunnilleen yhtä suuri kuin hartsin murtumissitkeys, joka riippuu itse matriisin murtumissitkeydestä.[5, 6]Eri rajapintojen kerrostenvälisen murtumissitkeyden venymän arvot kuitenkin vaihtelevat suuresti. Tässä esitetään merkittävä rajapintakerroksen kulman riippuvuus. Vastauksena tähän riippuvuuteen Zhao et al.[5]Kerrostuneen vastuslähteen fysikaalisen mekanismin perusteella oletetaan, että kerrosten välinen murtumissitkeys koostuu kahdesta osasta: toinen osa on toisiinsa liittymättömän kerroksen rajapinnan murtumistyö ja toinen osa on kerroksen sisäinen vaurio ja kuitu. Tämä tarkoittaa siltautumisen aiheuttamaa murtumistyötä. Kerrostetun rintaman jännitysrintaman elementtimenetelmäanalyysin avulla havaitaan, että murtumistyön toinen osa riippuu delaminaatiorintaman vauriovyöhykkeen syvyydestä (kuten kuvassa 3 on esitetty), ja vauriovyöhykkeen syvyys on verrannollinen rajapinnan kerroskulmaan. Tässä esitetään teoreettinen malli I-tyypin murtumissitkeyden stabiilisuusarvosta, joka ilmaistaan rajapinnan kerroksen kulman sinimuotoisena funktiona.
Gong ym.[7]suorittivat I/II-hybridikerrostumiskokeen eri sekoitussuhteilla ja havaitsivat, että laminaatin I/II-hybridikerrostumisella on myös merkittäviä R-kestävyyskäyrän ominaisuuksia. Analysoimalla murtumissitkeyttä eri testikappaleiden välillä havaittiin, että testikappaleen kerrosten välisen murtumissitkeyden alkuarvo ja stabiili arvo kasvavat merkittävästi sekoitussuhteen kasvaessa. Lisäksi välikerroksen alku- ja stabiili murtumissitkeys eri sekoitussuhteilla voidaan kuvata BK-kriteerillä.
Väsymiskerrostumisen osalta havaittiin myös merkittävää kuitujen silloittumista kokeen aikana. Koetietojen analyysin perusteella havaitaan, että komposiittimateriaalin väsymisdelaminaatiolaajenemiseen vaikuttaa "vastuskäyrä", joten perinteinen väsymiskerrostumislaajenemisnopeusmalli ja kynnysarvo eivät enää ole sovellettavissa. Teoreettisen analyysin perusteella Zhang ja Peng[4,8,9]esitteli väsymisdelaminaatiolaajenemiskestävyyden ilmaisemaan komposiittimateriaalien väsymisdelaminaatiolaajenemiseen tarvittavaa energiaa ja ehdotti lisäksi normalisoitua venymäenergiaa. Vapautumisnopeus on väsymiskerrostunut laajenemisnopeusmalli ja ohjausparametrien kynnysarvo. Mallin ja normalisoidun kynnysparametrin sovellettavuus on varmistettu kokeiluilla. Lisäksi Zhao et al.[3]tarkastelivat kattavasti kuitusilloituksen, jännityssuhteen ja kuormitussekoitussuhteen vaikutuksia väsymiskerrostumiseen ja laajenemiskäyttäytymiseen ja laativat normalisoidun väsymiskerrostuneen laajenemisnopeusmallin, jossa otettiin huomioon jännityssuhteen vaikutus. Mallin tarkkuus varmistettiin väsymiskerrostumiskokeilla, joissa käytettiin eri jännityssuhteita ja sekoitussuhteita. Normalisoidun väsymiskerrostuneen laajenemisnopeusmallin väsymiskerrostuneen laajenemiskestävyyden fysikaaliselle suureelle Gong et al.[1]laskentamenetelmän heikkouden voittaminen, joka mahdollistaa vain rajoitetun määrän diskreettejä datapisteitä kokeiden avulla, ja väsymisen määrittäminen energian näkökulmasta. Analyyttinen malli kerrostuneen laajentuneen kestävyyden laskemiseksi. Malli pystyy toteuttamaan väsymiskerrostumisen ja laajenemiskestävyyden kvantitatiivisen määrittämisen ja tarjoaa teoreettista tukea ehdotetun normalisoidun väsymiskerrostuneen laajenemisnopeusmallin soveltamiselle.
Kuva 1 kerrostetun testilaitteen kaavio
Kuva 2 Kerrosten välisen murtumissitkeyden R-kestävyyskäyrä[5]
Kuva 3 Kerroksittainen etureunan vaurioalue ja kerrostunut laajennettu morfologia[5]
2. Numeerinen simulaatiotutkimus
Kerroslaajenemisen numeerinen simulointi on tärkeä tutkimussisältö komposiittirakenteiden suunnittelun alalla. Komposiittisten yksisuuntaisten laminaattien delaminaatiomurtuman ennustamisessa olemassa olevat kerroslaajenemiskriteerit käyttävät yleensä vakiokerrosten välistä murtumissitkeyttä perussuorituskykyparametrina.[10], vertaamalla halkeaman kärjen energian vapautumisnopeutta ja kerrosten välistä murtumissitkeyttä. Koko sen määrittämiseksi, laajeneeko kerros. Monisuuntaisten laminaattien murtumismekanismi on monimutkainen[11,12], jolle on ominaista merkittävät R-vastuskäyrät[5,13]Nykyiset kerroslaajenemiskriteerit eivät ota tätä ominaisuutta huomioon, eivätkä ne sovellu kuituja sisältävien silloitettujen monisuuntaisten laminaattien delaminaatiokäyttäytymisen simulointiin. Gong ym.[10, 13]paransi olemassa olevia kerroslaajenemiskriteerejä ja ehdotti R-vastuskäyrän sisällyttämistä kriteereihin, ja tämän perusteella laati kerroslaajenemiskriteerin, joka ottaa huomioon kuitujen silloittumisen vaikutukset. Bilineaarisen konstitutiivisen koheesioyksikön määritelmää ja käyttöparametreja tutkittiin systemaattisesti numeerisilla menetelmillä, mukaan lukien alkuperäinen rajapinnan jäykkyys, rajapinnan lujuus, viskositeettikerroin ja koheesiovoimavyöhykkeen elementtien vähimmäismäärä. Vastaava koheesioyksikön parametrimalli laadittiin. Lopuksi parannetun kerroslaajenemiskriteerin ja koheesioyksikön parametrimallin tehokkuus ja sovellettavuus varmistettiin staattisella kerrostumistestillä. Parannettuja kriteerejä voidaan kuitenkin käyttää vain yksiulotteisissa kerrossimulaatioissa sijaintiriippuvuuksien vuoksi, eikä kaksi- tai kolmiulotteisissa hierarkkisissa laajennuksissa. Tämän ongelman ratkaisemiseksi kirjoittaja ehdotti lisäksi uutta kolmilinjaista koheesiovoimaa, joka on konstitutiivista ottaen huomioon kuitujen silloittumisen.[14]Konstitutiivinen suhde sopii kerroslaajenemisen monimutkaiseen prosessiin mikroskooppisesta näkökulmasta, ja sillä on yksinkertaisten parametrien ja selkeän fysikaalisen merkityksen etuna.
Lisäksi, jotta voidaan simuloida tarkasti monisuuntaisten laminaattien kerrostumisprosessissa yleistä kerrostunutta migraatioilmiötä[11,12]Zhao ym.[11,12]esitti halkeaman reitin ohjausmallin, joka perustuu laajennettuun äärelliseen elementtimenetelmään ja simuloi erityistä suunnittelua. Hierarkkinen migraatio komposiittikerrostuskokeessa. Samanaikaisesti ehdotettiin kerroslaajenemismallia siksak-muotoiselle kerroslaajenemiskäyttäytymiselle 90°/90° kerrosrajapintaa pitkin, joka simuloi tarkasti 90°/90° rajapinnan kerroslaajenemiskäyttäytymistä.
Kuva 4 Kerrosmigraation numeerinen simulointi ja kokeelliset tulokset[15]
Johtopäätös
Tämä artikkeli keskittyy tämän ryhmän tutkimustuloksiin komposiittilaminaattien delaminaation alalla. Kokeelliset näkökohdat sisältävät pääasiassa rajapinnan kerroskulman ja kuitujen silloittumisen vaikutuksen staattiseen ja väsymisdelaminaatiolaajenemiskäyttäytymiseen. Lukuisten kokeellisten tutkimusten perusteella on havaittu, että komposiittimateriaalien monisuuntainen laminaattimurtumismekanismi on monimutkainen. Kuitujen silloittuminen on yleinen monisuuntaisten laminaattien karkaisumekanismi, mikä on tärkein syy kerrosten välisen murtumissitkeyden R-kestävyyskäyrään. Tällä hetkellä R-kestävyyskäyrän tutkimus II-kerrostuksella on suhteellisen puutteellinen ja vaatii lisätutkimuksia. Murtumismekanismista alkaen esitetään väsymiskerrostumismalli, joka sisältää useita vaikuttavia tekijöitä, mikä on väsymiskerrostumistutkimuksen suunta. Numeerisen simuloinnin osalta tutkimusryhmä ehdotti parannettua hierarkkista laajenemiskriteeriä ja koheesio-konstitutiivista mallia kuitujen silloittumisen vaikutuksen huomioon ottamiseksi kerrostuneeseen laajenemiskäyttäytymiseen. Lisäksi laajennettua äärelliselementtimenetelmää käytetään hierarkkisen migraatioilmiön simuloimiseen paremmin. Tämä menetelmä poistaa tarpeen hienojakoiselle solujaolle, mikä poistaa verkon uudelleenjakautumiseen liittyvät ongelmat. Sillä on ainutlaatuisia etuja mielivaltaisten muotojen kerrostumisen simuloinnissa, ja menetelmän teknistä sovellustutkimusta tarvitaan lisää tulevaisuudessa.[16].
Viitteet
[1] Y Gong, L Zhao, J Zhang, N Hu. Uusi malli komposiittilaminaattien väsymisdelaminaatiokestävyyden määrittämiseksi energian näkökulmasta. Compos Sci Technol 2018; 167: 489-96.
[2] L Zhao, Y Wang, J Zhang, Y Gong, N Hu, N Li. XFEM-pohjainen malli siksak-delaminaation kasvun simuloimiseksi laminoiduissa komposiiteissa moodin I kuormituksen alaisena. Compos Struct 2017; 160: 1155-62.
[3] L Zhao, Y Gong, J Zhang, Y Wang, Z Lu, L Peng, N Hu. Uusi tulkinta väsymysdelaminaation kasvukäyttäytymisestä CFRP-monisuuntaisissa laminaateissa. Compos Sci Technol 2016; 133: 79-88.
[4] L Peng, J Zhang, L Zhao, R Bao, H Yang, B Fei. Monisuuntaisten komposiittilaminaattien moodin I delaminaation kasvu väsytyskuormituksen alaisena. J Compos Mater 2011; 45: 1077-90.
[5] L Zhao, Y Wang, J Zhang, Y Gong, Z Lu, N Hu, J Xu. Rajapintariippuva malli tasannemurtumissitkeydelle monisuuntaisissa CFRP-laminaateissa moodin I kuormituksen alaisena. Composites Part B: Engineering 2017; 131: 196-208.
[6] L Zhao, Y Gong, J Zhang, Y Chen, B Fei. Monisuuntaisten laminaattien delaminaatiokasvun simulointi moodi I- ja sekamoodi I/II -kuormituksilla käyttäen koheesioelementtejä. Compos Struct 2014; 116: 509-22.
[7] Y Gong, B Zhang, L Zhao, J Zhang, N Hu, C Zhang. Sekamuotoisen I/II-delaminaation R-käyrän käyttäytyminen hiili/epoksilaminaateissa, joissa on yksi- ja monisuuntaiset rajapinnat. Compos Struct 2019. (Arvioinnin alla).
[8] L Peng, J Xu, J Zhang, L Zhao. Monisuuntaisten komposiittilaminaattien sekamuotoinen delaminaatiokasvu väsytyskuormituksen alaisena. Eng Fract Mech 2012; 96: 676-86.
[9] J Zhang, L Peng, L Zhao, B Fei. Komposiittilaminaattien väsymisdelaminaation kasvunopeudet ja kynnysarvot sekakuormituksessa. Int J Fatigue 2012; 40: 7-15.
[10] Y Gong, L Zhao, J Zhang, Y Wang, N Hu. Delaminaation etenemiskriteeri, mukaan lukien kuitujen silloittumisen vaikutus sekamuotoisessa I/II-delaminaatiossa CFRP-monisuuntaisissa laminaateissa. Compos Sci Technol 2017; 151: 302-9.
[11] Y Gong, B Zhang, SR Hallett. Monisuuntaisten komposiittilaminaattien delaminaatiomigraatio moodin I kvaasistaattisen ja väsytyskuormituksen alaisena. Compos Struct 2018; 189: 160-76.
[12] Y Gong, B Zhang, S Mukhopadhyay, SR Hallett. Kokeellinen tutkimus delaminaatioiden irtoamisesta monisuuntaisissa laminaateissa staattisessa kuormituksessa tilassa II ja väsymiskuormituksessa verrattuna tilaan I. Compos Struct 2018; 201: 683-98.
[13] Y Gong, L Zhao, J Zhang, N Hu. Parannettu potenssilakikriteeri delaminaation etenemiselle laajamittaisen kuitusilloittumisen vaikutuksella komposiitti monisuuntaisissa laminaateissa. Compos Struct 2018; 184: 961-8.
[14] Y Gong, Y Hou, L Zhao, W Li, G Yang, J Zhang, N Hu. Uusi kolmilinearinen koheesiovyöhykemalli DCB-laminaattien delaminaatiokasvulle kuitusilloittumisen vaikutuksella. Compos Struct 2019. (Lähetetään myöhemmin)
[15] L Zhao, J Zhi, J Zhang, Z Liu, N Hu. Komposiittilaminaattien delaminaation XFEM-simulointi. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing 2016; 80: 61-71.
[16] Zhao Libin, Gong Yu, Zhang Jianyu. Kuituvahvisteisten komposiittilaminaattien kerrostuneesta laajenemiskäyttäytymisestä tehdyn tutkimuksen edistyminen. Journal of Aeronautical Sciences 2019: 1-28.
Lähde:Gong Yu, Wang Yana, Peng Lei, Zhao Libin, Zhang Jianyu. Tutkimus edistyneiden hiilikuitulujitettujen komposiittilaminaattien kerrostuneesta laajenemiskäyttäytymisestä [C]. Mekaniikka ja tekniikka - Numeerinen laskenta ja data-analyysi 2019 Academic Conference. Kiinan mekaniikan seura, Pekingin mekaniikan seura, 2019. kautta ixueshu
Julkaisun aika: 15. marraskuuta 2019