MECÁNICA E ENXEÑARÍA - Computación Numérica e Análise de Datos
Mecánica e Enxeñaría — Cálculos Numéricos e Análise de Datos Conferencia Académica 2019, 19-21 de abril de 2019, Pequín
19-21 de abril de 2019, Pequín, China
Estudo sobre o comportamento de expansión en capas de láminas de materiais compostos reforzados con fibra de carbono avanzada
Gong Yu1*Wang Yana2, Peng Lei3, Zhao Libin4, Zhang Jianyu1
1Universidade de Chongqing, Chongqing, 400044, China
2Instituto de Investigación da Aviación de China Instituto de Investigación de Materiais Aeronáuticos de Pequín, Pequín, 100095, China
3Centro de Investigación Tecnolóxica de Aeronaves Civís de Pequín, Pequín, 102211, China, avións comerciais de China
4Universidade de Aeronáutica e Astronáutica de Pequín, Pequín, 100191, China
ResumoA estrutura laminar é unha das configuracións de materiais compostos máis empregadas, pero a delaminación convértese no seu principal modo de fallo debido ás súas débiles propiedades interlaminares. A investigación sobre o comportamento de estratificación e expansión de laminados multicapa empregado habitualmente na práctica da enxeñaría sempre foi un tema candente para os estudosos. Neste artigo, preséntanse os resultados da investigación sobre a delaminación de materiais compostos reforzados con fibra de carbono na Universidade de Chongqing e no Laboratorio de Fracturas por Fatiga da Universidade de Aeronáutica e Astronáutica de Pequín desde dous aspectos da investigación experimental e a simulación numérica. Finalmente, prospérase a dirección de desenvolvemento do campo.
Palabras clave:composto reforzado con fibra de carbono, laminado, delaminación, estratificación por fatiga
introdución
Os materiais compostos teñen excelentes propiedades, como unha alta resistencia específica e unha alta rixidez específica, e foron amplamente utilizados na industria aeroespacial, na tecnoloxía enerxética e no transporte e a construción civil. Durante o procesamento e o uso de materiais compostos, as fibras e a matriz sufrirán diferentes graos de dano baixo carga. Os modos de fallo comúns para os laminados compostos inclúen os danos entre capas e os danos dentro das capas. Debido á falta de reforzo na dirección do grosor, as propiedades mecánicas laterais do laminado son deficientes e é moi probable que se produzan danos por delaminación baixo cargas de impacto externo. A aparición e expansión de danos estratificados levará a unha diminución da rixidez e a resistencia estruturais, e mesmo provocará accidentes catastróficos.[1-3]Polo tanto, o problema da delaminación é cada vez máis preocupante no deseño estrutural e na análise de resistencia dos materiais compostos, e é necesario estudar o comportamento de expansión en capas dos materiais compostos.[4].
Investigación sobre o comportamento de expansión en capas de laminados
1. Estudo experimental
A tenacidade á fractura interlaminar é un parámetro característico das propiedades mecánicas entre as capas compostas. Establecéronse estándares de ensaio correspondentes para a determinación da tenacidade á fractura interlaminar de laminados unidireccionais híbridos de tipo I, tipo II e I/II. O aparello de ensaio correspondente móstrase na Figura 1. Non obstante, os laminados multidireccionais de materiais compostos úsanse a miúdo na estrutura de enxeñaría real. Polo tanto, o estudo experimental sobre o comportamento de estratificación e expansión de laminados multidireccionais ten un significado teórico e un valor de enxeñaría máis importantes. A iniciación e expansión da capa de laminado multicapa ocorren entre interfaces con ángulos de estratificación arbitrarios, e o comportamento de expansión en capas é significativamente diferente do dos laminados unidireccionais, e o mecanismo de expansión é máis complicado. Os investigadores teñen relativamente poucos estudos experimentais sobre laminados multidireccionais, e a determinación da tenacidade á fractura interlaminar aínda non estableceu un estándar internacional. O equipo de investigación utilizou fibra de carbono T700 e T800 para deseñar unha variedade de laminados compostos con diferentes ángulos de disposición da interface e estudou a influencia do ángulo de disposición da interface e a ponte da fibra no comportamento de delaminación estática e por fatiga. Descubriuse que a ponte de fibra formada polo bordo posterior da capa ten unha grande influencia na tenacidade á fractura interlaminar. A medida que a estratificación se expande, a tenacidade á fractura interlaminar aumentará gradualmente desde un valor inicial máis baixo e, cando a estratificación alcanza unha determinada lonxitude, alcanza un valor estable, é dicir, o fenómeno da curva de resistencia R. A tenacidade á fractura inicial da intercapa é case igual e aproximadamente igual á tenacidade á fractura da resina, que depende da tenacidade á fractura da propia matriz.[5, 6]Non obstante, os valores de extensión da tenacidade á fractura interlaminar de diferentes interfaces varían moito. Preséntase unha dependencia significativa do ángulo da capa de interface. En resposta a esta dependencia, Zhao et al.[5]Baseándose no mecanismo físico da fonte de resistencia estratificada, considérase que o valor de estabilidade da tenacidade á fractura interlaminar consta de dúas partes, unha parte é o traballo de fractura da interface da capa non relacionada e a outra parte é o dano intracapa e a fibra. O traballo de fractura causado pola ponte. Mediante a análise de elementos finitos do campo da fronte de tensión da fronte en capas, chégase á conclusión de que a segunda parte do traballo de fractura depende da profundidade da zona de dano da fronte de delaminación (como se mostra na Figura 3), e a profundidade da zona de dano é proporcional ao ángulo de disposición da interface. Preséntase un modelo teórico do valor de estabilidade da tenacidade á fractura de tipo I expresado pola función sinusoidal do ángulo da capa da interface.
Gong e outros.[7]realizaron a proba de estratificación híbrida I/II baixo diferentes proporcións de mestura e descubriron que a estratificación híbrida I/II no laminado tamén ten características significativas da curva de resistencia R. Mediante a análise da tenacidade á fractura entre diferentes probetas, observouse que o valor inicial e o valor estable da tenacidade á fractura interlaminar da probeta aumentan significativamente co aumento da proporción de mestura. Ademais, a tenacidade á fractura inicial e estable da intercapa baixo diferentes proporcións de mestura pódese describir mediante o criterio BK.
En termos de estratificación por fatiga, tamén se observou unha importante formación de pontes de fibras durante a proba. Mediante a análise dos datos da proba, comprobouse que a expansión da delaminación por fatiga do material composto vese afectada pola "curva de resistencia", polo que o modelo tradicional da taxa de expansión da estratificación por fatiga e o valor limiar xa non son aplicables. Baseándose na análise teórica, Zhang e Peng[4,8,9]introduciron a resistencia á expansión por delaminación por fatiga para expresar a enerxía necesaria para a expansión por delaminación por fatiga dos materiais compostos e, ademais, propuxeron a enerxía de deformación normalizada. A taxa de liberación é o modelo de taxa de expansión estratificada por fatiga e o valor limiar dos parámetros de control. A aplicabilidade do modelo e o parámetro limiar normalizado verifícase mediante experimentos. Ademais, Zhao et al.[3]consideraron exhaustivamente os efectos da ponte de fibras, a relación de tensión e a relación carga-mestura na estratificación da fatiga e o comportamento de expansión, e estableceron un modelo normalizado de taxa de expansión estratificada por fatiga considerando a influencia da relación de tensión. A precisión do modelo verificouse mediante probas de estratificación da fatiga con diferentes relacións de tensión e relacións de mestura. Para a cantidade física da resistencia á expansión estratificada pola fatiga no modelo normalizado de taxa de expansión estratificada por fatiga, Gong et al.[1]superar a debilidade do método de cálculo que só pode obter puntos de datos discretos limitados mediante experimentos e establecer a fatiga desde o punto de vista da enerxía. Un modelo analítico para o cálculo da resistencia estendida estratificada. O modelo pode realizar a determinación cuantitativa da estratificación da fatiga e a resistencia á expansión e proporcionar soporte teórico para a aplicación do modelo de taxa de expansión estratificada da fatiga normalizada proposto.
Figura 1 diagrama do dispositivo de proba estratificado
Figura 2 Curva de resistencia R da tenacidade á fractura entre capas[5]
Figura 3 Zona de dano do bordo de ataque en capas e morfoloxía estendida estratificada[5]
2. Estudo de simulación numérica
A simulación numérica da expansión en capas é un contido de investigación importante no campo do deseño de estruturas compostas. Ao predicir a falla por delaminación de laminados unidireccionais compostos, os criterios de expansión da estratificación existentes adoitan usar unha tenacidade á fractura interlaminar constante como parámetro básico de rendemento.[10], comparando a taxa de liberación de enerxía da punta da fisura e a tenacidade á fractura interlaminar. Tamaño para determinar se a estratificación se está expandindo. O mecanismo de falla dos laminados multidireccionais é complexo[11,12], que se caracteriza por curvas de resistencia R significativas[5,13]Os criterios de expansión en capas existentes non teñen en conta esta característica e non se aplican á simulación do comportamento de delaminación de laminados multidireccionais con ponte que conteñen fibra. Gong et al.[10, 13]melloraron os criterios de expansión estratificada existentes e propuxeron introducir a curva de resistencia R nos criterios e, baseándose nisto, estableceron un criterio de expansión estratificada considerando os efectos da ponte de fibras. Os parámetros de definición e uso da unidade cohesiva constitutiva bilineal estudáronse sistematicamente mediante métodos numéricos, incluíndo a rixidez inicial da interface, a resistencia da interface, o coeficiente de viscosidade e o número mínimo de elementos na zona de forza cohesiva. Estableceuse o modelo de parámetros da unidade cohesiva correspondente. Finalmente, a eficacia e aplicabilidade do criterio de expansión en capas mellorado e do modelo de parámetros da unidade cohesiva verifícanse mediante probas de estratificación estática. Non obstante, os criterios mellorados só se poden usar para simulacións en capas unidimensionais debido ás dependencias posicionais e non para extensións xerárquicas bidimensionais ou tridimensionais. Para resolver este problema, o autor propuxo ademais un novo constitutivo de forza cohesiva trilineal considerando a ponte de fibras[14]A relación constitutiva adáptase ao complexo proceso de expansión en capas desde unha perspectiva microscópica e ten as vantaxes de parámetros sinxelos e un significado físico claro.
Ademais, para simular con precisión o fenómeno de migración estratificada común no proceso de estratificación de laminados multidireccionais[11,12], Zhao et al.[11,12]propuxo un modelo de guía de traxectoria de fisuras baseado en elementos finitos estendidos, simulando un deseño especial. Migración xerárquica nunha proba de estratificación composta. Ao mesmo tempo, propúxose un modelo de expansión en capas para o comportamento de expansión en capas en zigzag ao longo da interface en capas de 90°/90°, que simula con precisión o comportamento de expansión en capas da interface de 90°/90°.
Figura 4 Simulación numérica da migración por capas e resultados experimentais[15]
Conclusión
Este artigo céntrase nos resultados da investigación deste grupo no campo da delaminación de laminados compostos. Os aspectos experimentais inclúen principalmente a influencia do ángulo de disposición da interface e a ponte de fibras no comportamento de expansión da delaminación estática e por fatiga. A través dun gran número de estudos experimentais, comprobouse que o mecanismo de falla multidireccional dos laminados de materiais compostos é complicado. A ponte de fibras é un mecanismo de endurecemento común dos laminados multidireccionais, que é a principal razón da curva de resistencia R da tenacidade á fractura interlaminar. Na actualidade, o estudo da curva de resistencia R baixo a estratificación II é relativamente escaso e necesita máis investigación. Partindo do mecanismo de falla, proponse o modelo de estratificación da fatiga que inclúe varios factores de influencia, que é unha dirección da investigación da estratificación da fatiga. En termos de simulación numérica, o grupo de investigación propuxo un criterio de expansión xerárquica mellorado e un modelo constitutivo cohesivo para considerar a influencia da ponte de fibras no comportamento de expansión estratificada. Ademais, o elemento finito estendido utilízase para simular mellor o fenómeno de migración xerárquica. Este método elimina a necesidade de división celular fina, eliminando os problemas asociados coa redivisión da malla. Ten vantaxes únicas á hora de simular a estratificación de formas arbitrarias e necesítase máis investigación sobre a aplicación en enxeñaría deste método no futuro.[16].
Referencias
[1] Y Gong, L Zhao, J Zhang, N Hu. Un novo modelo para determinar a resistencia á delaminación por fatiga en laminados compostos desde o punto de vista da enerxía. Compos Sci Technol 2018; 167: 489-96.
[2] L Zhao, Y Wang, J Zhang, Y Gong, N Hu, N Li. Modelo baseado en XFEM para simular o crecemento da delaminación en zigzag en materiais compostos laminados baixo carga de modo I. Compos Struct 2017; 160: 1155-62.
[3] L Zhao, Y Gong, J Zhang, Y Wang, Z Lu, L Peng, N Hu. Unha nova interpretación do comportamento de crecemento da delaminación por fatiga en laminados multidireccionais de CFRP. Compos Sci Technol 2016; 133: 79-88.
[4] L Peng, J Zhang, L Zhao, R Bao, H Yang, B Fei. Crecemento da delaminación en modo I de laminados compostos multidireccionais baixo carga de fatiga. J Compos Mater 2011; 45: 1077-90.
[5] L Zhao, Y Wang, J Zhang, Y Gong, Z Lu, N Hu, J Xu. Un modelo dependente da interface da tenacidade á fractura en meseta en laminados CFRP multidireccionais baixo carga de modo I. Composites Part B: Engineering 2017; 131: 196-208.
[6] L Zhao, Y Gong, J Zhang, Y Chen, B Fei. Simulación do crecemento da delaminación en laminados multidireccionais baixo cargas de modo I e modo mixto I/II usando elementos cohesivos. Compos Struct 2014; 116: 509-22.
[7] Y Gong, B Zhang, L Zhao, J Zhang, N Hu, C Zhang. Comportamento da curva R da delaminación I/II de modo mixto en laminados de carbono/epoxi con interfaces unidireccionais e multidireccionais. Compos Struct 2019. (En revisión).
[8] L Peng, J Xu, J Zhang, L Zhao. Crecemento por delaminación en modo mixto de laminados compostos multidireccionais baixo carga de fatiga. Eng Fract Mech 2012; 96: 676-86.
[9] J Zhang, L Peng, L Zhao, B Fei. Taxas de crecemento da delaminación por fatiga e limiares de laminados compostos baixo carga de modo mixto. Int J Fatigue 2012; 40: 7-15.
[10] Y Gong, L Zhao, J Zhang, Y Wang, N Hu. Criterio de propagación da delaminación, incluído o efecto da ponte de fibra para a delaminación de modo mixto I/II en laminados multidireccionais de CFRP. Compos Sci Technol 2017; 151: 302-9.
[11] Y Gong, B Zhang, SR Hallett. Migración da delaminación en laminados compostos multidireccionais baixo carga cuasiestática e de fatiga de modo I. Compos Struct 2018; 189: 160-76.
[12] Y Gong, B Zhang, S Mukhopadhyay, SR Hallett. Estudo experimental sobre a migración da delaminación en laminados multidireccionais baixo carga estática e de fatiga en modo II, en comparación co modo I. Compos Struct 2018; 201: 683-98.
[13] Y Gong, L Zhao, J Zhang, N Hu. Un criterio mellorado de lei de potencia para a propagación da delaminación co efecto da ponte de fibras a grande escala en laminados compostos multidireccionais. Compos Struct 2018; 184: 961-8.
[14] Y Gong, Y Hou, L Zhao, W Li, G Yang, J Zhang, N Hu. Un novo modelo de zona cohesiva trilineal para o crecemento da delaminación en laminados DCB co efecto da ponte de fibras. Compos Struct 2019. (Por enviar)
[15] L Zhao, J Zhi, J Zhang, Z Liu, N Hu. Simulación XFEM da delaminación en laminados compostos. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing 2016; 80: 61-71.
[16] Zhao Libin, Gong Yu, Zhang Jianyu. Progresos na investigación sobre o comportamento de expansión estratificada de laminados compostos reforzados con fibra. Journal of Aeronautical Sciences 2019: 1-28.
Orixe:Gong Yu, Wang Yana, Peng Lei, Zhao Libin, Zhang Jianyu. Estudo sobre o comportamento de expansión estratificada de laminados compostos avanzados reforzados con fibra de carbono [C]. Mecánica e Enxeñaría - Computación Numérica e Análise de Datos Conferencia Académica 2019. Sociedade Chinesa de Mecánica, Sociedade de Mecánica de Pequín, 2019. vía ixueshu
Data de publicación: 15 de novembro de 2019