MEHANIKA I INŽENJERSTVO - Numeričko računanje i analiza podataka
Akademska konferencija Mehanika i inženjerstvo — Numerički izračuni i analiza podataka 2019., 19.-21. travnja 2019., Peking
19.-21. travnja 2019., Peking, Kina
Studija o ponašanju slojevitog širenja naprednih kompozitnih laminata ojačanih karbonskim vlaknima
Gong Yu1*, Wang Yana2, Peng Lei3, Zhao Libin4, Zhang Jianyu1
1Sveučilište Chongqing, Chongqing, 400044, Kina
2Kineski institut za istraživanje zrakoplovstva Pekinški institut za istraživanje zrakoplovnih materijala, Peking, 100095, Kina
3Kineski komercijalni zrakoplovi Pekinški centar za istraživanje tehnologije civilnih zrakoplova, Peking, 102211, Kina
4Pekinško sveučilište za aeronautiku i astronautiku, Peking, 100191, Kina
SažetakLaminatna struktura jedna je od najčešće korištenih kompozitnih konfiguracija za kompozite, ali delaminacija postaje njezin glavni način loma zbog slabih međuslojnih svojstava. Istraživanje ponašanja stratifikacije i širenja višeslojnih laminata koje se uobičajeno koristi u inženjerskoj praksi oduvijek je bila vruća tema za znanstvenike. U ovom radu predstavljeni su rezultati istraživanja delaminacije kompozita ojačanih ugljičnim vlaknima na Sveučilištu Chongqing i Laboratoriju za lom umora Sveučilišta u Pekingu, a to iz dva aspekta eksperimentalnog istraživanja i numeričke simulacije. Konačno, predviđen je smjer razvoja ovog područja.
Ključne riječi:kompozit ojačan ugljičnim vlaknima, laminat, delaminacija, stratifikacija zamora
uvod
Kompozitni materijali imaju izvrsna svojstva poput visoke specifične čvrstoće i visoke specifične krutosti te se široko koriste u zrakoplovstvu, energetskoj tehnologiji te civilnom prometu i građevinarstvu. Tijekom obrade i upotrebe kompozitnih materijala, vlakna i matrica pretrpjet će različite stupnjeve oštećenja pod opterećenjem. Uobičajeni načini loma kompozitnih laminata uključuju međuslojna oštećenja i oštećenja unutar slojeva. Zbog nedostatka armature u smjeru debljine, bočna mehanička svojstva laminata su loša, a oštećenja od delaminacije vrlo su vjerojatna pod vanjskim udarnim opterećenjima. Pojava i širenje slojevitih oštećenja dovest će do smanjenja strukturne krutosti i čvrstoće, pa čak i uzrokovati katastrofalne nesreće.[1-3]Stoga se problem delaminacije sve više bavi strukturnim dizajnom i analizom čvrstoće kompozitnih materijala, te je potrebno proučavati ponašanje slojevitog širenja kompozitnih materijala.[4].
Istraživanje ponašanja laminata pri slojevitom širenju
1. Eksperimentalna studija
Interlaminarna lomna žilavost je karakterističan parametar mehaničkih svojstava između kompozitnih slojeva. Odgovarajući standardi ispitivanja utvrđeni su za određivanje interlaminarne lomne žilavosti jednosmjernih laminata tipa I, tipa II i I/II hibridnih. Odgovarajući ispitni aparat prikazan je na slici 1. Međutim, višesmjerni laminati kompozitnih materijala često se koriste u stvarnim inženjerskim konstrukcijama. Stoga eksperimentalna studija o ponašanju stratifikacije i širenja višesmjernih laminata ima važniji teorijski značaj i inženjersku vrijednost. Inicijacija i širenje višeslojnih laminatnih slojeva događa se između spojeva s proizvoljnim kutovima slojevitosti, a ponašanje slojevitog širenja značajno se razlikuje od ponašanja jednosmjernih laminata, a mehanizam širenja je složeniji. Istraživači imaju relativno malo eksperimentalnih studija o višesmjernim laminatima, a određivanje interlaminarne lomne žilavosti još nije uspostavilo međunarodni standard. Istraživački tim koristio je karbonska vlakna T700 i T800 za projektiranje različitih kompozitnih laminata s različitim kutovima postavljanja spoja te je proučavao utjecaj kuta postavljanja spoja i premošćivanja vlakana na statičko ponašanje i ponašanje delaminacije uslijed zamora. Utvrđeno je da premošćivanje vlakana koje tvori stražnji rub sloja ima veliki utjecaj na međuslojnu žilavost loma. Kako se slojevitost širi, međuslojna žilavost loma postupno će se povećavati od niže početne vrijednosti, a kada slojevitost dosegne određenu duljinu, doseže stabilnu vrijednost, odnosno fenomen R krivulje otpora. Početna žilavost loma međusloja gotovo je jednaka i približno jednaka žilavosti loma smole, koja ovisi o žilavosti loma same matrice.[5, 6]Međutim, vrijednosti produženja interlaminarne lomne žilavosti različitih međupovršina uvelike se razlikuju. Prikazana je značajna ovisnost kuta međupovršinskog sloja. Kao odgovor na ovu ovisnost, Zhao i sur.[5]Na temelju fizičkog mehanizma izvora stratificiranog otpora, smatra se da se vrijednost stabilnosti međuslojne žilavosti loma sastoji od dva dijela, jedan dio je rad loma nepovezanog slojevitog spoja, a drugi dio je unutarslojno oštećenje i vlakna. Rad loma uzrokovan premošćivanjem. Analizom konačnih elemenata polja naprezanja slojevitog fronta utvrđeno je da drugi dio rada loma ovisi o dubini zone oštećenja fronta delaminacije (kao što je prikazano na slici 3), a dubina zone oštećenja proporcionalna je kutu slaganja međusloja. Prikazan je teorijski model vrijednosti stabilnosti žilavosti loma tipa I izražen sinusoidnom funkcijom kuta međusloja.
Gong i sur.[7]proveden je test hibridne stratifikacije I/II pod različitim omjerima miješanja i utvrđeno je da hibridna stratifikacija I/II u laminatu također ima značajne karakteristike krivulje otpora R. Analizom žilavosti loma između različitih ispitnih uzoraka utvrđeno je da početna vrijednost i stabilna vrijednost međuslojne žilavosti loma ispitnog uzorka značajno rastu s povećanjem omjera miješanja. Osim toga, početna i stabilna žilavost loma međusloja pod različitim omjerima miješanja mogu se opisati BK kriterijem.
Što se tiče stratifikacije umora, tijekom ispitivanja uočeno je i značajno premošćivanje vlakana. Analizom podataka ispitivanja utvrđeno je da na širenje kompozitnog materijala uslijed delaminacije umora utječe „krivulja otpora“, tako da tradicionalni model brzine širenja uslijed stratifikacije umora i granična vrijednost više nisu primjenjivi. Na temelju teorijske analize, Zhang i Peng[4,8,9]uveli su otpor širenju uslijed delaminacije uslijed zamora kako bi izrazili energiju potrebnu za širenje kompozitnih materijala uslijed delaminacije uslijed zamora, te su nadalje predložili normaliziranu energiju deformacije. Brzina otpuštanja je model brzine stratificiranog širenja uslijed zamora i granična vrijednost kontrolnih parametara. Primjenjivost modela i normaliziranog parametra praga potvrđena je eksperimentima. Nadalje, Zhao i sur.[3]sveobuhvatno su razmotrili učinke premošćivanja vlakana, omjera naprezanja i omjera opterećenja i miješanja na ponašanje stratifikacije umora i širenja te uspostavili normalizirani model brzine stratificiranog širenja umora uzimajući u obzir utjecaj omjera naprezanja. Točnost modela provjerena je testovima stratifikacije umora s različitim omjerima naprezanja i omjerima miješanja. Za fizičku veličinu otpora širenja umora u normaliziranom modelu brzine stratificiranog širenja umora, Gong i sur.[1]prevladati slabosti metode izračuna koja može dobiti samo ograničene diskretne podatkovne točke putem eksperimenata i utvrditi umor s energetskog gledišta. Analitički model za izračun slojevitog produženog otpora. Model može ostvariti kvantitativno određivanje slojevitosti umora i otpora širenju te pružiti teorijsku podršku za primjenu predloženog normaliziranog modela stope slojevitog širenja umora.
Slika 1 dijagram stratificiranog ispitnog uređaja
Slika 2 Krivulja otpornosti na lom među slojevima R[5]
Slika 3. Slojevita zona oštećenja prednjeg ruba i stratificirana proširena morfologija[5]
2. Studija numeričke simulacije
Numerička simulacija slojevitog širenja važan je istraživački sadržaj u području projektiranja kompozitnih struktura. Prilikom predviđanja loma uslijed delaminacije kompozitnih jednosmjernih laminata, postojeći kriteriji slojevitog širenja obično koriste konstantnu međuslojnu lomnu žilavost kao osnovni parametar performansi.[10], usporedbom brzine oslobađanja energije vrha pukotine i međuslojne žilavosti loma. Veličina za određivanje širi li se slojevitost. Mehanizam loma višesmjernih laminata je složen[11,12], koji je karakteriziran značajnim krivuljama otpora R[5,13]Postojeći kriteriji slojevitog širenja ne uzimaju u obzir ovu značajku i ne primjenjuju se na simulaciju ponašanja delaminacije premoštenih višesmjernih laminata koji sadrže vlakna. Gong i sur.[10, 13]poboljšao je postojeće kriterije stratificiranog širenja i predložio uvođenje krivulje otpora R u kriterije, te na temelju toga uspostavio kriterij stratificiranog širenja uzimajući u obzir učinke premošćivanja vlakana. Definicija i parametri korištenja bilinearne konstitutivne kohezivne jedinice sustavno su proučavani numeričkim metodama, uključujući početnu krutost međupovršine, čvrstoću međupovršine, koeficijent viskoznosti i minimalni broj elemenata u zoni kohezijske sile. Utvrđen je odgovarajući model parametara kohezijske jedinice. Konačno, učinkovitost i primjenjivost poboljšanog kriterija slojevitog širenja i modela parametara kohezijske jedinice provjerene su statičkim testom stratifikacije. Međutim, poboljšani kriteriji mogu se koristiti samo za jednodimenzionalne slojevite simulacije zbog pozicijskih ovisnosti, a ne za dvo- ili trodimenzionalna hijerarhijska proširenja. Kako bi riješio ovaj problem, autor je nadalje predložio novi trilinearni konstitutivni model kohezijske sile koji uzima u obzir premošćivanje vlakana.[14]Konstitutivni odnos odgovara složenom procesu slojevitog širenja iz mikroskopske perspektive i ima prednosti jednostavnih parametara i jasnog fizičkog značenja.
Osim toga, kako bi se točno simulirao fenomen stratificirane migracije uobičajen u procesu stratifikacije višesmjernih laminata[11,12], Zhao i sur.[11,12]predložio je model vođenja puta pukotine temeljen na proširenom konačnom elementu, simulirajući poseban dizajn. Hijerarhijska migracija u testu kompozitne stratifikacije. Istovremeno, predložen je model slojevitog širenja za ponašanje cik-cak slojevitog širenja duž slojevitog sučelja od 90°/90°, koji točno simulira ponašanje slojevitog širenja sučelja od 90°/90°.
Slika 4 Numerička simulacija slojevite migracije i eksperimentalni rezultati[15]
Zaključak
Ovaj rad fokusira se na rezultate istraživanja ove grupe u području delaminacije kompozitnih laminata. Eksperimentalni aspekti uglavnom uključuju utjecaj kuta postavljanja međupovršine i premošćivanja vlakana na ponašanje statičkog širenja i širenja uslijed zamora. Kroz veliki broj eksperimentalnih studija utvrđeno je da je mehanizam loma višesmjernih laminata kompozitnih materijala složen. Premošćivanje vlakana uobičajeni je mehanizam kaljenja višesmjernih laminata, što je glavni razlog R-krivulje otpora interlaminarne žilavosti loma. Trenutno je studija R-krivulje otpora pod II stratifikacijom relativno manjkava i zahtijeva daljnja istraživanja. Polazeći od mehanizma loma, predlaže se model stratifikacije umora koji uključuje različite utjecajne čimbenike, što je smjer istraživanja stratifikacije umora. U smislu numeričke simulacije, istraživačka grupa predložila je poboljšani kriterij hijerarhijskog širenja i kohezijski konstitutivni model kako bi se uzeo u obzir utjecaj premošćivanja vlakana na ponašanje stratificiranog širenja. Osim toga, prošireni konačni element koristi se za bolju simulaciju fenomena hijerarhijske migracije. Ova metoda eliminira potrebu za finom diobom ćelija, eliminirajući probleme povezane s ponovnom podjelom mreže. Ima jedinstvene prednosti u simuliranju stratifikacije proizvoljnih oblika, te su u budućnosti potrebna daljnja inženjerska istraživanja primjene ove metode.[16].
Reference
[1] Y Gong, L Zhao, J Zhang, N Hu. Novi model za određivanje otpornosti na zamor materijala na delaminaciju u kompozitnim laminatima s gledišta energije. Compos Sci Technol 2018; 167: 489-96.
[2] L Zhao, Y Wang, J Zhang, Y Gong, N Hu, N Li. Model temeljen na XFEM-u za simuliranje rasta cik-cak delaminacije u laminiranim kompozitima pod opterećenjem u modu I. Compos Struct 2017; 160: 1155-62.
[3] L Zhao, Y Gong, J Zhang, Y Wang, Z Lu, L Peng, N Hu. Novo tumačenje ponašanja rasta delaminacije uslijed zamora u višesmjernim CFRP laminatima. Compos Sci Technol 2016; 133: 79-88.
[4] L Peng, J Zhang, L Zhao, R Bao, H Yang, B Fei. Rast delaminacije u modu I višesmjernih kompozitnih laminata pod opterećenjem umora. J Compos Mater 2011; 45: 1077-90.
[5] L Zhao, Y Wang, J Zhang, Y Gong, Z Lu, N Hu, J Xu. Model lomne žilavosti na platou koji ovisi o sučelju u višesmjernim CFRP laminatima pod opterećenjem u modu I. Kompoziti, dio B: Inženjerstvo 2017; 131: 196-208.
[6] L Zhao, Y Gong, J Zhang, Y Chen, B Fei. Simulacija rasta delaminacije u višesmjernim laminatima pod opterećenjima moda I i miješanog moda I/II korištenjem kohezivnih elemenata. Compos Struct 2014; 116: 509-22.
[7] Y Gong, B Zhang, L Zhao, J Zhang, N Hu, C Zhang. Ponašanje R-krivulje miješane I/II delaminacije u ugljik/epoksidnim laminatima s jednosmjernim i višesmjernim međusmjerima. Compos Struct 2019. (U recenziji).
[8] L Peng, J Xu, J Zhang, L Zhao. Rast delaminacije miješanim načinom rada višesmjernih kompozitnih laminata pod opterećenjem zamora. Eng Fract Mech 2012; 96: 676-86.
[9] J Zhang, L Peng, L Zhao, B Fei. Brzine rasta delaminacije uslijed zamora i pragovi kompozitnih laminata pod miješanim načinom opterećenja. Int J Fatigue 2012; 40: 7-15.
[10] Y Gong, L Zhao, J Zhang, Y Wang, N Hu. Kriterij širenja delaminacije uključujući učinak premošćivanja vlakana za miješanu I/II delaminaciju u CFRP višesmjernim laminatima. Compos Sci Technol 2017; 151: 302-9.
[11] Y Gong, B Zhang, SR Hallett. Migracija delaminacije u višesmjernim kompozitnim laminatima pod kvazistatičkim i zamornim opterećenjem moda I. Compos Struct 2018; 189: 160-76.
[12] Y Gong, B Zhang, S Mukhopadhyay, SR Hallett. Eksperimentalna studija o migraciji delaminacije u višesmjernim laminatima pod statičkim i zamornim opterećenjem u modu II, u usporedbi s modom I. Compos Struct 2018; 201: 683-98.
[13] Y Gong, L Zhao, J Zhang, N Hu. Poboljšani kriterij potencije za širenje delaminacije s učinkom premošćivanja vlakana velikih razmjera u kompozitnim višesmjernim laminatima. Compos Struct 2018; 184: 961-8.
[14] Y Gong, Y Hou, L Zhao, W Li, G Yang, J Zhang, N Hu. Novi trolinearni kohezijski zonski model za rast delaminacije u DCB laminatima s učinkom premošćivanja vlakana. Compos Struct 2019. (Za predaju)
[15] L Zhao, J Zhi, J Zhang, Z Liu, N Hu. XFEM simulacija delaminacije u kompozitnim laminatima. Kompoziti, dio A: Primijenjena znanost i proizvodnja 2016; 80: 61-71.
[16] Zhao Libin, Gong Yu, Zhang Jianyu. Napredak istraživanja ponašanja slojevitog širenja vlaknima ojačanih kompozitnih laminata. Journal of Aeronautical Sciences 2019: 1-28.
Izvor:Gong Yu, Wang Yana, Peng Lei, Zhao Libin, Zhang Jianyu. Studija o ponašanju stratificiranog širenja naprednih kompozitnih laminata ojačanih ugljičnim vlaknima [C]. Mehanika i inženjerstvo - Numeričko računanje i analiza podataka 2019. Akademska konferencija. Kinesko društvo za mehaniku, Pekinško društvo za mehaniku, 2019. preko Ixueshu
Vrijeme objave: 15. studenog 2019.