उन्नत कार्बन फाइबर प्रबलित कम्पोजिट लेमिनेट शीट के स्तरित विस्तार व्यवहार पर अध्ययन

यांत्रिकी और इंजीनियरिंग - संख्यात्मक संगणना और डेटा विश्लेषण
यांत्रिकी और इंजीनियरिंग - संख्यात्मक गणना और डेटा विश्लेषण 2019 शैक्षणिक सम्मेलन, 19-21 अप्रैल, 2019, बीजिंग
19-21 अप्रैल, 2019, बीजिंग, चीन

उन्नत कार्बन फाइबर प्रबलित कम्पोजिट लेमिनेट शीट के स्तरित विस्तार व्यवहार पर अध्ययन

गोंग यू^1*, वांग याना², पेंग लेई³, झाओ लिबिन⁴, झांग जियान्यु¹

¹चोंग्किंग विश्वविद्यालय, चोंग्किंग, 400044, चीन
²चीन विमानन अनुसंधान संस्थान बीजिंग वैमानिकी सामग्री अनुसंधान संस्थान, बीजिंग, 100095, चीन
³चीन वाणिज्यिक विमान बीजिंग नागरिक विमान प्रौद्योगिकी अनुसंधान केंद्र, बीजिंग, 102211, चीन
⁴बीजिंग यूनिवर्सिटी ऑफ एयरोनॉटिक्स एंड एस्ट्रोनॉटिक्स, बीजिंग, 100191, चीन

अमूर्तलेमिनेट संरचना कंपोजिट के लिए सबसे अधिक इस्तेमाल किए जाने वाले कंपोजिट विन्यासों में से एक है, लेकिन कमजोर इंटरलेमिनर गुणों के कारण विघटन इसकी मुख्य विफलता मोड बन जाता है। इंजीनियरिंग अभ्यास में आमतौर पर इस्तेमाल किए जाने वाले बहु-परत लेमिनेट स्तरीकरण और विस्तार व्यवहार पर शोध हमेशा विद्वानों के लिए एक गर्म विषय रहा है। इस पत्र में, चोंगकिंग विश्वविद्यालय और बीजिंग यूनिवर्सिटी ऑफ एरोनॉटिक्स एंड एस्ट्रोनॉटिक्स थकान फ्रैक्चर प्रयोगशाला में कार्बन फाइबर प्रबलित समग्र विघटन के शोध परिणामों को प्रयोगात्मक अनुसंधान और संख्यात्मक सिमुलेशन के दो पहलुओं से पेश किया गया है। अंत में, क्षेत्र की विकास दिशा का पूर्वानुमान लगाया गया है।

कीवर्ड:कार्बन फाइबर प्रबलित समग्र, टुकड़े टुकड़े, विघटन, थकान स्तरीकरण

परिचय

मिश्रित सामग्रियों में उच्च विशिष्ट शक्ति और उच्च विशिष्ट कठोरता जैसे उत्कृष्ट गुण होते हैं, और इनका व्यापक रूप से एयरोस्पेस, ऊर्जा प्रौद्योगिकी और नागरिक परिवहन और निर्माण में उपयोग किया जाता है। मिश्रित सामग्रियों के प्रसंस्करण और उपयोग के दौरान, फाइबर और मैट्रिक्स लोड के तहत क्षति की विभिन्न डिग्री से गुजरेंगे। मिश्रित लेमिनेट के लिए सामान्य विफलता मोड में इंटरलेयर क्षति और परतों के भीतर क्षति शामिल है। मोटाई की दिशा में सुदृढीकरण की कमी के कारण, लेमिनेट के पार्श्व यांत्रिक गुण खराब होते हैं, और बाहरी प्रभाव भार के तहत विघटन क्षति होने की अत्यधिक संभावना होती है। स्तरीकृत क्षति की घटना और विस्तार से संरचनात्मक कठोरता और ताकत में कमी आएगी, और यहां तक ​​कि भयावह दुर्घटनाएं भी हो सकती हैं^[1-3]इसलिए, संमिश्र सामग्रियों के संरचनात्मक डिजाइन और शक्ति विश्लेषण से विघटन की समस्या अधिक से अधिक चिंतित है, और संमिश्र सामग्रियों के स्तरित विस्तार व्यवहार का अध्ययन करना आवश्यक है^[4].

लेमिनेट के स्तरित विस्तार व्यवहार पर अनुसंधान
1. प्रायोगिक अध्ययन

इंटरलैमिनर फ्रैक्चर टफनेस समग्र परतों के बीच यांत्रिक गुणों का एक विशिष्ट पैरामीटर है। टाइप I, टाइप II और I/II हाइब्रिड यूनिडायरेक्शनल लेमिनेट की इंटरलैमिनर फ्रैक्चर टफनेस के निर्धारण के लिए संगत परीक्षण मानक स्थापित किए गए हैं। संबंधित परीक्षण उपकरण चित्र 1 में दिखाया गया है। हालांकि, मिश्रित सामग्रियों के बहु-दिशात्मक लेमिनेट का उपयोग अक्सर वास्तविक इंजीनियरिंग संरचना में किया जाता है। इसलिए, बहु-दिशात्मक लेमिनेट के स्तरीकरण और विस्तार व्यवहार पर प्रायोगिक अध्ययन में अधिक महत्वपूर्ण सैद्धांतिक महत्व और इंजीनियरिंग मूल्य है। बहु-परत लेमिनेट परत की शुरुआत और विस्तार मनमाने ढंग से लेयरिंग कोणों के साथ इंटरफेस के बीच होता है, और स्तरित विस्तार व्यवहार यूनिडायरेक्शनल लेमिनेट से काफी अलग होता है, और विस्तार तंत्र अधिक जटिल होता है। शोधकर्ताओं के पास बहु-दिशात्मक लेमिनेट पर अपेक्षाकृत कम प्रायोगिक अध्ययन हैं, और इंटरलैमिनर फ्रैक्चर टफनेस के निर्धारण ने अभी तक एक अंतरराष्ट्रीय मानक स्थापित नहीं किया है। शोध दल ने विभिन्न इंटरफेस ले-अप कोणों के साथ विभिन्न प्रकार के मिश्रित लेमिनेट डिजाइन करने के लिए T700 और T800 कार्बन फाइबर का उपयोग किया, और स्थिर और थकान विघटन व्यवहार पर इंटरफेस ले-अप कोण और फाइबर ब्रिजिंग के प्रभाव का अध्ययन किया। यह पाया गया है कि परत के अनुगामी किनारे द्वारा गठित फाइबर ब्रिजिंग का इंटरलेमिनर फ्रैक्चर टफनेस पर बहुत प्रभाव पड़ता है। जैसे-जैसे स्तरीकरण फैलता है, इंटरलेमिनर फ्रैक्चर टफनेस धीरे-धीरे कम प्रारंभिक मूल्य से बढ़ेगा, और जब स्तरीकरण एक निश्चित लंबाई तक पहुंचता है, तो यह एक स्थिर मूल्य पर पहुंच जाता है, यानी आर प्रतिरोध वक्र घटना। इंटरलेयर की प्रारंभिक फ्रैक्चर टफनेस लगभग बराबर और राल की फ्रैक्चर टफनेस के लगभग बराबर होती है, जो मैट्रिक्स की फ्रैक्चर टफनेस पर निर्भर करती है^{[5, 6]}। हालाँकि, विभिन्न इंटरफेस के इंटरलेमिनर फ्रैक्चर टफनेस एक्सटेंशन मान बहुत भिन्न होते हैं। महत्वपूर्ण इंटरफ़ेस परत कोण निर्भरता प्रस्तुत की गई है। इस निर्भरता के जवाब में, झाओ एट अल।^[5]स्तरीकृत प्रतिरोध स्रोत के भौतिक तंत्र के आधार पर, यह माना जाता है कि इंटरलैमिनर फ्रैक्चर टफनेस स्थिरता मूल्य में दो भाग होते हैं, एक भाग असंबंधित परत इंटरफ़ेस का फ्रैक्चर कार्य होता है, और दूसरा भाग इंट्रालेयर क्षति और फाइबर होता है। ब्रिजिंग के कारण फ्रैक्चर का कार्य। स्तरित मोर्चे के तनाव सामने क्षेत्र के परिमित तत्व विश्लेषण के माध्यम से, यह पाया गया है कि फ्रैक्चर कार्य का दूसरा भाग डेलामिनेशन फ्रंट क्षति क्षेत्र की गहराई पर निर्भर करता है (जैसा कि चित्र 3 में दिखाया गया है), और क्षति क्षेत्र की गहराई इंटरफ़ेस लेअप कोण के समानुपाती होती है। इंटरफ़ेस परत कोण के साइनसोइडल फ़ंक्शन द्वारा व्यक्त I-प्रकार फ्रैक्चर टफनेस स्थिरता मूल्य का एक सैद्धांतिक मॉडल प्रस्तुत किया गया है।
गोंग एट अल.^[7]विभिन्न मिश्रण अनुपातों के तहत I/II हाइब्रिड स्तरीकरण परीक्षण किया गया, और पाया गया कि लेमिनेट में I/II हाइब्रिड स्तरीकरण में भी महत्वपूर्ण R प्रतिरोध वक्र विशेषताएँ हैं। विभिन्न परीक्षण टुकड़ों के बीच फ्रैक्चर कठोरता के विश्लेषण के माध्यम से, यह पाया गया कि परीक्षण टुकड़े के इंटरलेमिनर फ्रैक्चर कठोरता का प्रारंभिक मूल्य और स्थिर मूल्य मिश्रण अनुपात की वृद्धि के साथ काफी बढ़ जाता है। इसके अलावा, विभिन्न मिश्रण अनुपातों के तहत इंटरलेयर की प्रारंभिक और स्थिर फ्रैक्चर कठोरता को बीके मानदंड द्वारा वर्णित किया जा सकता है।
थकान स्तरीकरण के संदर्भ में, परीक्षण के दौरान महत्वपूर्ण फाइबर ब्रिजिंग भी देखी गई। परीक्षण डेटा के विश्लेषण के माध्यम से, यह पाया गया कि समग्र सामग्री का थकान विघटन विस्तार "प्रतिरोध वक्र" से प्रभावित होता है, ताकि पारंपरिक थकान स्तरीकरण विस्तार दर मॉडल और सीमा मूल्य अब लागू न हों। सैद्धांतिक विश्लेषण के आधार पर, झांग और पेंग^[4,8,9]मिश्रित सामग्रियों के थकान विघटन विस्तार के लिए आवश्यक ऊर्जा को व्यक्त करने के लिए थकान विघटन विस्तार प्रतिरोध की शुरुआत की, और आगे सामान्यीकृत तनाव ऊर्जा का प्रस्ताव दिया। रिलीज दर थकान स्तरीकृत विस्तार दर मॉडल और नियंत्रण मापदंडों का सीमा मूल्य है। मॉडल और सामान्यीकृत सीमा पैरामीटर की प्रयोज्यता प्रयोगों द्वारा सत्यापित की जाती है। इसके अलावा, झाओ एट अल।^[3]फाइबर ब्रिजिंग, तनाव अनुपात और लोड-मिक्सिंग अनुपात के थकान स्तरीकरण और विस्तार व्यवहार पर प्रभावों पर व्यापक रूप से विचार किया गया, और तनाव अनुपात के प्रभाव पर विचार करते हुए एक सामान्यीकृत थकान स्तरीकृत विस्तार दर मॉडल स्थापित किया। मॉडल की सटीकता को विभिन्न तनाव अनुपातों और मिश्रण अनुपातों के साथ थकान स्तरीकरण परीक्षणों द्वारा सत्यापित किया गया था। सामान्यीकृत थकान स्तरीकृत विस्तार दर मॉडल में थकान स्तरीकृत विस्तार प्रतिरोध की भौतिक मात्रा के लिए, गोंग एट अल।^[1]गणना पद्धति की कमज़ोरी को दूर करें जो प्रयोगों के माध्यम से केवल सीमित असतत डेटा बिंदु प्राप्त कर सकती है, और ऊर्जा के दृष्टिकोण से थकान स्थापित कर सकती है। स्तरीकृत विस्तारित प्रतिरोध की गणना के लिए एक विश्लेषणात्मक मॉडल। मॉडल थकान स्तरीकरण और विस्तार प्रतिरोध के मात्रात्मक निर्धारण को महसूस कर सकता है, और प्रस्तावित सामान्यीकृत थकान स्तरीकृत विस्तार दर मॉडल के अनुप्रयोग के लिए सैद्धांतिक समर्थन प्रदान कर सकता है।

चित्र 1 स्तरीकृत परीक्षण उपकरण आरेख

चित्र 2 अंतर-परत फ्रैक्चर कठोरता आर प्रतिरोध वक्र^[5]


चित्र 3 स्तरित अग्रणी किनारा क्षति क्षेत्र और स्तरीकृत विस्तारित आकारिकी^[5]

2. संख्यात्मक सिमुलेशन अध्ययन

स्तरित विस्तार का संख्यात्मक अनुकरण समग्र संरचना डिजाइन के क्षेत्र में एक महत्वपूर्ण शोध सामग्री है। समग्र यूनिडायरेक्शनल लेमिनेट्स की विघटन विफलता की भविष्यवाणी करते समय, मौजूदा स्तरीकरण विस्तार मानदंड आमतौर पर बुनियादी प्रदर्शन पैरामीटर के रूप में निरंतर इंटरलैमिनर फ्रैक्चर टफनेस का उपयोग करते हैं^[10]दरार टिप ऊर्जा रिलीज दर और इंटरलैमिनर फ्रैक्चर टफनेस की तुलना करके। आकार यह निर्धारित करने के लिए कि क्या लेयरिंग का विस्तार हो रहा है। बहु-दिशात्मक लेमिनेट की विफलता तंत्र जटिल है^[11,12], जो महत्वपूर्ण आर प्रतिरोध वक्रों द्वारा चिह्नित है^[5,13]मौजूदा स्तरित विस्तार मानदंड इस विशेषता को ध्यान में नहीं रखता है और फाइबर युक्त ब्रिज्ड मल्टीडायरेक्शनल लेमिनेट के विघटन व्यवहार के सिमुलेशन पर लागू नहीं होता है। गोंग एट अल।^{[10, 13]}मौजूदा स्तरीकृत विस्तार मानदंड में सुधार किया और मानदंड में आर प्रतिरोध वक्र को पेश करने का प्रस्ताव दिया, और इसके आधार पर, फाइबर ब्रिजिंग के प्रभावों पर विचार करते हुए एक स्तरीकृत विस्तार मानदंड स्थापित किया। द्विरेखीय संघटक संसंजक इकाई की परिभाषा और उपयोग मापदंडों का व्यवस्थित रूप से संख्यात्मक तरीकों से अध्ययन किया गया, जिसमें प्रारंभिक इंटरफ़ेस कठोरता, इंटरफ़ेस शक्ति, चिपचिपापन गुणांक और संसंजक बल क्षेत्र में तत्वों की न्यूनतम संख्या शामिल है। इसी संसंजक इकाई पैरामीटर मॉडल की स्थापना की गई। अंत में, बेहतर स्तरित विस्तार मानदंड और संसंजक इकाई पैरामीटर मॉडल की प्रभावशीलता और प्रयोज्यता को स्थैतिक स्तरीकरण परीक्षण द्वारा सत्यापित किया जाता है। हालांकि, बेहतर मानदंड का उपयोग केवल एक-आयामी स्तरित सिमुलेशन के लिए किया जा सकता है, जो कि स्थितिगत निर्भरता के कारण होता है और दो- या तीन-आयामी पदानुक्रमित विस्तार के लिए नहीं। इस समस्या को हल करने के लिए, लेखक ने फाइबर ब्रिजिंग पर विचार करते हुए एक नया त्रिरेखीय संसंजक बल संघटक प्रस्तावित किया।^[14]संरचनात्मक संबंध सूक्ष्म दृष्टिकोण से स्तरित विस्तार की जटिल प्रक्रिया के अनुकूल है, और इसमें सरल पैरामीटर और स्पष्ट भौतिक अर्थ के फायदे हैं।
इसके अलावा, बहु-दिशात्मक लेमिनेट की स्तरीकरण प्रक्रिया में सामान्य स्तरीकृत माइग्रेशन घटना को सटीक रूप से अनुकरण करने के लिए^[11,12], झाओ एट अल.^[11,12]विस्तारित परिमित तत्व पर आधारित एक दरार पथ मार्गदर्शन मॉडल प्रस्तावित किया, जो एक विशेष डिजाइन का अनुकरण करता है। एक समग्र स्तरीकरण परीक्षण में पदानुक्रमित प्रवास। साथ ही, 90°/90° स्तरित इंटरफ़ेस के साथ ज़िगज़ैग स्तरित विस्तार व्यवहार के लिए एक स्तरित विस्तार मॉडल प्रस्तावित किया गया है, जो 90°/90° इंटरफ़ेस के स्तरित विस्तार व्यवहार का सटीक रूप से अनुकरण करता है।

चित्र 4 स्तरित प्रवास का संख्यात्मक अनुकरण और प्रयोगात्मक परिणाम^[15]

निष्कर्ष

यह पत्र समग्र लेमिनेट विघटन के क्षेत्र में इस समूह के शोध परिणामों पर केंद्रित है। प्रायोगिक पहलुओं में मुख्य रूप से स्थिर और थकान विघटन विस्तार व्यवहार पर इंटरफ़ेस लेअप कोण और फाइबर ब्रिजिंग का प्रभाव शामिल है। बड़ी संख्या में प्रायोगिक अध्ययनों के माध्यम से, यह पाया गया है कि मिश्रित सामग्रियों का बहु-दिशात्मक लेमिनेट विफलता तंत्र जटिल है। फाइबर ब्रिजिंग बहु-दिशात्मक लेमिनेट का एक सामान्य सख्त तंत्र है, जो इंटरलामिनर फ्रैक्चर कठोरता के आर-प्रतिरोध वक्र का मुख्य कारण है। वर्तमान में, द्वितीय स्तरीकरण के तहत आर प्रतिरोध वक्र अध्ययन अपेक्षाकृत कम है और आगे के शोध की आवश्यकता है। विफलता तंत्र से शुरू करते हुए, विभिन्न प्रभावित करने वाले कारकों सहित थकान स्तरीकरण मॉडल प्रस्तावित किया गया है, जो थकान स्तरीकरण अनुसंधान की एक दिशा है। संख्यात्मक सिमुलेशन के संदर्भ में, अनुसंधान समूह ने स्तरीकृत विस्तार व्यवहार पर फाइबर ब्रिजिंग के प्रभाव पर विचार करने के लिए एक बेहतर पदानुक्रमित विस्तार मानदंड और एक सुसंगत संवैधानिक मॉडल प्रस्तावित किया। इसके अलावा, विस्तारित परिमित तत्व का उपयोग पदानुक्रमित प्रवास घटना को बेहतर ढंग से अनुकरण करने के लिए किया जाता है। यह विधि महीन कोशिका विभाजन की आवश्यकता को समाप्त करती है, जिससे जाल पुनर्विभाजन से जुड़ी समस्याएं समाप्त हो जाती हैं। मनमाने आकार के स्तरीकरण का अनुकरण करने में इसके अनूठे लाभ हैं, और भविष्य में इस विधि के अधिक इंजीनियरिंग अनुप्रयोग अनुसंधान की आवश्यकता है^[16].

संदर्भ

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[13] वाई गोंग, एल झाओ, जे झांग, एन हू। समग्र बहुदिशात्मक लेमिनेट में बड़े पैमाने पर फाइबर ब्रिजिंग के प्रभाव के साथ विघटन प्रसार के लिए एक बेहतर शक्ति कानून मानदंड। कंपोज स्ट्रक्चर 2018; 184: 961-8।
[14] वाई गोंग, वाई होउ, एल झाओ, डब्ल्यू ली, जी यांग, जे झांग, एन हू। फाइबर ब्रिजिंग के प्रभाव से डीसीबी लेमिनेट में डेलामिनेशन वृद्धि के लिए एक नया तीन-रैखिक कोसिव ज़ोन मॉडल। कंपोज़ स्ट्रक्चर 2019। (प्रस्तुत किया जाना है)
[15] एल झाओ, जे ज़ी, जे झांग, जेड लियू, एन हू। कम्पोजिट लेमिनेट में डिलेमिनेशन का एक्सएफईएम सिमुलेशन। कम्पोजिट पार्ट ए: एप्लाइड साइंस एंड मैन्युफैक्चरिंग 2016; 80: 61-71।
[16] झाओ लिबिन, गोंग यू, झांग जियान्यु। फाइबर प्रबलित समग्र लेमिनेट के स्तरीकृत विस्तार व्यवहार पर अनुसंधान प्रगति। जर्नल ऑफ एरोनॉटिकल साइंसेज 2019: 1-28।

स्रोत:गोंग यू, वांग याना, पेंग लेई, झाओ लिबिन, झांग जियान्यु। उन्नत कार्बन फाइबर प्रबलित समग्र लेमिनेट के स्तरीकृत विस्तार व्यवहार पर अध्ययन [सी]। मैकेनिक्स और इंजीनियरिंग - संख्यात्मक संगणना और डेटा विश्लेषण 2019 अकादमिक सम्मेलन। चीनी मैकेनिक्स सोसायटी, बीजिंग मैकेनिक्स सोसायटी, 2019। के जरिए इक्सुएशु