WERKTUIGKENIKA EN TECHNIEK - Numerike berekkening en gegevensanalyse
Mechanika en technyk - Numerike berekkeningen en gegevensanalyse 2019 Akademyske konferinsje, 19-21 april 2019, Peking
19-21 april 2019, Peking, Sina
Undersyk nei it laachútwreidingsgedrach fan avansearre koalstofvezelfersterke kompositlaminaatplaten
Gong Yu1*, Wang Yana2, Peng Lei3, Zhao Libin4, Zhang Jianyu1
1Universiteit fan Chongqing, Chongqing, 400044, Sina
2Sina Loftfeartûndersyksynstitút Peking Loftfeartmaterialenûndersyksynstitút, Peking, 100095, Sina
3Sina Kommersjele Fleantugen Peking Civil Aircraft Technology Research Center, Peking, 102211, Sina
4Universiteit fan Loftfeart en Astronautyk fan Peking, Peking, 100191, Sina
AbstraktLaminaatstruktuer is ien fan 'e meast brûkte kompositkonfiguraasjes foar kompositen, mar delaminaasje wurdt de wichtichste falmodus fanwegen swakke ynterlaminêre eigenskippen. Undersyk nei de stratifikaasje en útwreidingsgedrach fan mearlaachse laminaten dy't faak brûkt wurde yn 'e yngenieurspraktyk is altyd in hjit ûnderwerp west foar wittenskippers. Yn dit artikel wurde de ûndersyksresultaten fan koalstofvezelfersterke kompositdelaminaasje oan 'e Universiteit fan Chongqing en it Peking Universiteit fan Loftfeart en Astronautika Wurgensbreuklaboratoarium yntrodusearre fanút twa aspekten fan eksperiminteel ûndersyk en numerike simulaasje. Uteinlik wurdt de ûntwikkelingsrjochting fan it fjild prospektearre.
Slútwurden:koalstoffiberfersterke komposit, laminaat, delaminaasje, wurgensstratifikaasje
ynlieding
Kompositmaterialen hawwe poerbêste eigenskippen lykas hege spesifike sterkte en hege spesifike stivens, en binne in soad brûkt yn loftfeart, enerzjytechnology, en sivile ferfier en bou. Tidens de ferwurking en it gebrûk fan kompositmaterialen sille de fezels en matriks ferskillende graden fan skea ûndergean ûnder lading. Faak foarkommende falingsmodi foar kompositlaminaten omfetsje skea tusken lagen en skea binnen lagen. Troch it gebrek oan fersterking yn 'e dikterjochting binne de laterale meganyske eigenskippen fan it laminaat min, en delaminaasjeskea is tige wierskynlik ûnder eksterne ynfloedbelastingen. It foarkommen en útwreidzjen fan stratifisearre skea sil liede ta in ôfname fan strukturele styfheid en sterkte, en sels katastrofale ûngemakken feroarsaakje.[1-3]Dêrom wurdt it delaminaasjeprobleem hieltyd mear oanbelangjend troch it struktureel ûntwerp en sterkte-analyze fan kompositmaterialen, en is it needsaaklik om it laach-útwreidingsgedrach fan kompositmaterialen te bestudearjen.[4].
Undersyk nei laachútwreidingsgedrach fan laminaat
1. Eksperimintele stúdzje
Ynterlaminêre brekttaaiens is in karakteristike parameter fan 'e meganyske eigenskippen tusken gearstalde lagen. Oerienkommende testnormen binne fêststeld foar it bepalen fan ynterlaminêre brekttaaiens fan Type I, Type II en I/II hybride unidireksjonele laminaten. It oerienkommende testapparaat wurdt werjûn yn figuer 1. De multidireksjonele laminaten fan gearstalde materialen wurde lykwols faak brûkt yn 'e werklike yngenieursstruktuer. Dêrom hat de eksperimintele stúdzje oer it stratifikaasje- en útwreidingsgedrach fan multidireksjonele laminaten wichtiger teoretyske betsjutting en yngenieurswearde. Mearlaachlaminaatlaachinisjaasje en útwreiding fine plak tusken ynterfaces mei willekeurige laachhoeken, en it laachútwreidingsgedrach is signifikant oars as dat fan unidireksjonele laminaten, en it útwreidingsmeganisme is yngewikkelder. Undersykers hawwe relatyf pear eksperimintele stúdzjes oer multidireksjonele laminaten, en it bepalen fan ynterlaminêre brekttaaiens hat noch gjin ynternasjonale standert fêststeld. It ûndersyksteam brûkte T700 en T800 koalstofvezel om in ferskaat oan gearstalde laminaten te ûntwerpen mei ferskate ynterface-layuphoeken, en bestudearre de ynfloed fan ynterface-layuphoeke en fezelbrêgen op statysk en wurgensdelaminaasjegedrach. It is fûn dat fezelbrêgen foarme troch de efterste râne fan 'e laach in grutte ynfloed hawwe op 'e ynterlaminêre brektaaiens. As de stratifikaasje útwreidet, sil de ynterlaminêre brektaaiens stadichoan tanimme fan in legere begjinwearde, en as de stratifikaasje in bepaalde lingte berikt, berikt it in stabile wearde, dat is it R-wjerstânskromme-ferskynsel. De begjinbrektaaiens fan 'e tuskenlaach is hast gelyk en sawat gelyk oan 'e brektaaiens fan 'e hars, dy't ôfhinklik is fan 'e brektaaiens fan 'e matriks sels.[5, 6]De útwreidingswearden fan 'e ynterlaminêre brektaaiens fan ferskate ynterfaces ferskille lykwols sterk. In wichtige ôfhinklikens fan 'e hoeke fan 'e ynterfacelaach wurdt presintearre. Yn reaksje op dizze ôfhinklikens hawwe Zhao et al.[5]Op basis fan it fysike meganisme fan 'e stratifisearre wjerstânsboarne wurdt beskôge dat de ynterlaminêre brektaaiheidsstabiliteitswearde út twa dielen bestiet, ien diel is it breukwurk fan 'e net-relatearre laachynterface, en it oare diel is de intralaachskea en fezels. It wurk fan breuk feroarsake troch brêgen. Troch de eindige elemintenanalyze fan it spanningsfrontfjild fan 'e laachfront wurdt fûn dat it twadde diel fan it breukwurk ôfhinklik is fan 'e djipte fan' e skeasône fan 'e delaminaasjefront (lykas werjûn yn figuer 3), en de djipte fan' e skeasône is evenredich mei de ynterface-opmaakhoeke. In teoretysk model fan 'e I-type brektaaiheidsstabiliteitswearde útdrukt troch de sinusfoarmige funksje fan' e ynterfacelaachhoeke wurdt presintearre.
Gong et al.[7]fierde de I/II hybride stratifikaasjetest út ûnder ferskillende mingferhâldingen, en fûn dat de I/II hybride stratifikaasje yn it laminaat ek wichtige R-wjerstânskromme-eigenskippen hat. Troch de analyze fan 'e brektaaiens tusken ferskate teststikken wurdt fûn dat de begjinwearde en de stabile wearde fan 'e ynterlaminêre brektaaiens fan it teststik signifikant tanimme mei de tanimming fan 'e mingferhâlding. Derneist kin de begjin- en stabile brektaaiens fan 'e tuskenlaach ûnder ferskillende mingferhâldingen wurde beskreaun troch it BK-kriterium.
Wat wurgensstratifikaasje oanbelanget, waard ek wichtige glêstriedbrêgen waarnommen tidens de test. Troch de analyze fan 'e testgegevens wurdt fûn dat de wurgensdelaminaasje-útwreiding fan it gearstalde materiaal beynfloede wurdt troch de "wjerstânskurve", sadat it tradisjonele model foar wurgensstratifikaasje-útwreidingssnelheid en de drompelwearde net mear fan tapassing binne. Op basis fan teoretyske analyze hawwe Zhang en Peng[4,8,9]yntrodusearre de wurgensdelaminaasje-útwreidingswjerstân om de enerzjy út te drukken dy't nedich is foar de wurgensdelaminaasje-útwreiding fan gearstalde materialen, en stelde fierder de normalisearre spanningsenerzjy foar. De frijlittingssnelheid is it model fan 'e wurgensstratifisearre útwreidingssnelheid en de drompelwearde fan 'e kontrôleparameters. De tapasberens fan it model en de normalisearre drompelparameter wurdt ferifiearre troch eksperiminten. Fierder hawwe Zhao et al.[3]hawwe de effekten fan glêstriedbrêgen, spanningsferhâlding en lading-mingferhâlding op wurgensstratifikaasje en útwreidingsgedrach wiidweidich beskôge, en in normalisearre wurgensstratifisearre útwreidingssnelheidsmodel fêststeld wêrby't rekken holden wurdt mei de ynfloed fan spanningsferhâlding. De krektens fan it model waard ferifiearre troch wurgensstratifikaasjetests mei ferskate spanningsferhâldingen en mingferhâldingen. Foar de fysike kwantiteit fan wurgensstratifisearre útwreidingswjerstân yn it normalisearre wurgensstratifisearre útwreidingssnelheidsmodel, Gong et al.[1]de swakte fan 'e berekkeningsmetoade oerwinne dy't allinich beheinde aparte gegevenspunten kin krije troch eksperiminten, en wurgens fêststelle út it enerzjy-eachpunt. In analytysk model foar de berekkening fan stratifisearre útwreide wjerstân. It model kin de kwantitative bepaling fan wurgensstratifikaasje en útwreidingswjerstân realisearje, en teoretyske stipe leverje foar de tapassing fan it foarstelde normalisearre wurgensstratifisearre útwreidingssnelheidsmodel.
Figuer 1 diagram fan in stratifisearre testapparaat
Figuer 2 R-wjerstânskurve foar tuskenlaachbreuktaaiheid[5]
Figuer 3 Laachskea oan 'e foarrâne en stratifisearre útwreide morfology[5]
2. Numerike simulaasjestúdzje
De numerike simulaasje fan laachútwreiding is in wichtige ûndersyksynhâld op it mêd fan kompositstruktuerûntwerp. By it foarsizzen fan it delaminaasjefalen fan komposit unidireksjonele laminaten brûke de besteande stratifikaasje-útwreidingskritearia meastentiids konstante ynterlaminêre brekttaaiens as de basisprestaasjeparameter.[10], troch it fergelykjen fan 'e enerzjyfrijlittingsnelheid fan' e barstpunt en de ynterlaminêre brekttaaiens. Grutte om te bepalen oft de laach útwreidet. It falmeganisme fan multi-direksjonele laminaten is kompleks.[11,12], dy't karakterisearre wurdt troch wichtige R-wjerstânskurven[5,13]De besteande kritearia foar laachútwreiding hâlde gjin rekken mei dizze funksje en binne net fan tapassing op 'e simulaasje fan it delaminaasjegedrach fan glêstriedhâldende brêge-multireksjonele laminaten. Gong et al.[10, 13]ferbettere de besteande stratifisearre útwreidingskritearia en stelde foar om de R-wjerstânskurve yn 'e kritearia yn te fieren, en op basis hjirfan in stratifisearre útwreidingskritearia fêststeld dy't rekken hâlde mei de effekten fan glêstriedbrêgen. De definysje en gebrûksparameters fan 'e bilineare konstitutive kohesive ienheid waarden systematysk bestudearre troch numerike metoaden, ynklusyf de earste ynterfacestivens, ynterfacesterkte, viskositeitskoëffisjint en it minimale oantal eleminten yn 'e kohesive krêftsône. It oerienkommende kohesive ienheidsparametermodel waard fêststeld. Uteinlik wurde de effektiviteit en tapassing fan it ferbettere laachútwreidingskritearia en kohesive ienheidsparametermodel ferifiearre troch statyske stratifikaasjetest. De ferbettere kritearia kinne lykwols allinich brûkt wurde foar iendiminsjonale laachsimulaasjes fanwegen posysjonele ôfhinklikheden en net foar twa- of trijediminsjonale hiërargyske útwreidings. Om dit probleem op te lossen, stelde de auteur fierder in nije trilineare kohesive krêftkonstitutive foar dy't rekken hâldt mei glêstriedbrêgen.[14]De konstitutive relaasje past by it komplekse proses fan laachútwreiding fanút in mikroskopysk perspektyf, en hat de foardielen fan ienfâldige parameters en dúdlike fysike betsjutting.
Derneist, om it stratifisearre migraasjeferskynsel sekuer te simulearjen dat gewoan is yn it stratifikaasjeproses fan multi-direksjonele laminaten[11,12], Zhao et al.[11,12]stelde in model foar foar it begelieding fan in barstpaad foar basearre op útwreide eindige eleminten, en simulearre in spesjaal ûntwerp. Hiërargyske migraasje yn in gearstalde stratifikaasjetest. Tagelyk wurdt in laachútwreidingsmodel foarsteld foar it zigzag-laachútwreidingsgedrach lâns de 90°/90° laachynterface, dat it laachútwreidingsgedrach fan 'e 90°/90°-ynterface sekuer simulearret.
Figuer 4 Numerike simulaasje fan laachmigraasje en eksperimintele resultaten[15]
Konklúzje
Dit artikel rjochtet him op 'e ûndersyksresultaten fan dizze groep op it mêd fan delaminaasje fan gearstalde laminaaten. De eksperimintele aspekten omfetsje benammen de ynfloed fan 'e ynterface-layuphoeke en glêstriedbrêgen op it statyske en wurgensdelaminaasje-útwreidingsgedrach. Troch in grut oantal eksperimintele stúdzjes is fûn dat it multidireksjonele laminaatfalenmeganisme fan gearstalde materialen yngewikkeld is. Glastriedbrêgen is in gewoan ferhurdingsmeganisme fan multidireksjonele laminaten, wat de wichtichste reden is foar de R-wjerstânskurve fan ynterlaminêre brektaaiens. Op it stuit is de R-wjerstânskurve-stúdzje ûnder de II-stratifikaasje relatyf tekoart en hat fierder ûndersyk nedich. Utgeande fan it falenmeganisme wurdt it wurgensstratifikaasjemodel mei ferskate ynfloedsfaktoaren foarsteld, wat in rjochting is fan ûndersyk nei wurgensstratifikaasje. Yn termen fan numerike simulaasje stelde de ûndersyksgroep in ferbettere hiërarchyske útwreidingskriterium en in gearhingjend konstitutyf model foar om de ynfloed fan glêstriedbrêgen op it stratifisearre útwreidingsgedrach te beskôgjen. Derneist wurdt it útwreide eindige elemint brûkt om it hiërarchyske migraasjeferskynsel better te simulearjen. Dizze metoade elimineert de needsaak foar fynseldieling, wêrtroch't de problemen dy't ferbûn binne mei mesh-herferdieling eliminearre wurde. It hat unike foardielen yn it simulearjen fan 'e stratifikaasje fan willekeurige foarmen, en mear ûndersyk nei yngenieursapplikaasjes fan dizze metoade is yn 'e takomst nedich.[16].
Referinsjes
[1] Y Gong, L Zhao, J Zhang, N Hu. In nij model foar it bepalen fan 'e wjerstân tsjin wurgensdelaminaasje yn kompositlaminaten út in enerzjyperspektyf. Compos Sci Technol 2018; 167: 489-96.
[2] L Zhao, Y Wang, J Zhang, Y Gong, N Hu, N Li. XFEM-basearre model foar it simulearjen fan zigzag-delaminaasjegroei yn laminearre kompositen ûnder modus I-lading. Compos Struct 2017; 160: 1155-62.
[3] L Zhao, Y Gong, J Zhang, Y Wang, Z Lu, L Peng, N Hu. In nije ynterpretaasje fan groeigedrach troch wurgensdelaminaasje yn CFRP multidireksjonele laminaten. Compos Sci Technol 2016; 133: 79-88.
[4] L Peng, J Zhang, L Zhao, R Bao, H Yang, B Fei. Modus I delaminaasjegroei fan multidireksjonele kompositlaminaten ûnder wurgensbelêsting. J Compos Mater 2011; 45: 1077-90.
[5] L Zhao, Y Wang, J Zhang, Y Gong, Z Lu, N Hu, J Xu. In ynterface-ôfhinklik model fan plateau-brektaaiens yn multidireksjonele CFRP-laminaten ûnder modus I-belesting. Composites Part B: Engineering 2017; 131: 196-208.
[6] L Zhao, Y Gong, J Zhang, Y Chen, B Fei. Simulaasje fan delaminaasjegroei yn multidireksjonele laminaten ûnder modus I en mingde modus I/II ladingen mei help fan kohesive eleminten. Compos Struct 2014; 116: 509-22.
[7] Y Gong, B Zhang, L Zhao, J Zhang, N Hu, C Zhang. R-krommegedrach fan 'e mingde-modus I/II-delaminaasje yn koalstof/epoxylaminaten mei unidireksjonele en multidireksjonele ynterfaces. Compos Struct 2019. (Under resinsje).
[8] L Peng, J Xu, J Zhang, L Zhao. Mixed-mode delaminaasjegroei fan multidireksjonele kompositlaminaten ûnder wurgensbelêsting. Eng Fract Mech 2012; 96: 676-86.
[9] J Zhang, L Peng, L Zhao, B Fei. Groeisnelheden en drompelwearden fan fermoeidheidsdelaminaasje fan kompositlaminaten ûnder mingde modusbelesting. Int J Fatigue 2012; 40: 7-15.
[10] Y Gong, L Zhao, J Zhang, Y Wang, N Hu. Kriterium foar delaminaasjepropagaasje ynklusyf it effekt fan glêstriedbrêgen foar mingde-modus I/II-delaminaasje yn CFRP multidireksjonele laminaten. Compos Sci Technol 2017; 151: 302-9.
[11] Y Gong, B Zhang, SR Hallett. Delaminaasjemigraasje yn multidireksjonele kompositlaminaten ûnder modus I quasi-statysk en wurgensbelêsting. Compos Struct 2018; 189: 160-76.
[12] Y Gong, B Zhang, S Mukhopadhyay, SR Hallett. Eksperimintele stúdzje oer delaminaasjemigraasje yn multidireksjonele laminaten ûnder statyske en wurgensbelêsting fan modus II, mei ferliking mei modus I. Compos Struct 2018; 201: 683-98.
[13] Y Gong, L Zhao, J Zhang, N Hu. In ferbettere krêftwetkriterium foar de delaminaasjepropagaasje mei it effekt fan grutskalige glêstriedbrêgen yn komposite multidireksjonele laminaten. Compos Struct 2018; 184: 961-8.
[14] Y Gong, Y Hou, L Zhao, W Li, G Yang, J Zhang, N Hu. In nij trije-lineêr kohesyf sônemodel foar de delaminaasjegroei yn DCB-laminaten mei it effekt fan glêstriedbrêgen. Compos Struct 2019. (Yn te stjoeren)
[15] L Zhao, J Zhi, J Zhang, Z Liu, N Hu. XFEM-simulaasje fan delaminaasje yn kompositlaminaten. Kompositen Diel A: Tapaste Wittenskip en Produksje 2016; 80: 61-71.
[16] Zhao Libin, Gong Yu, Zhang Jianyu. Undersyksfoarútgong oer stratifisearre útwreidingsgedrach fan glêstriedfersterke kompositlaminaten. Journal of Aeronautical Sciences 2019: 1-28.
Boarne:Gong Yu, Wang Yana, Peng Lei, Zhao Libin, Zhang Jianyu. Undersyk nei stratifisearre útwreidingsgedrach fan avansearre koalstofvezelfersterke kompositlaminaten [C]. Mechanics and Engineering - Numerike berekkening en gegevensanalyse 2019 Akademyske konferinsje. Sineeske Feriening foar Mechanika, Beijing Mechanics Society, 2019. fia ixueshu
Pleatsingstiid: 15 novimber 2019