Մեխանիկա և ճարտարագիտություն - թվային հաշվարկներ և տվյալների վերլուծություն
Մեխանիկա և ճարտարագիտություն՝ թվային հաշվարկներ և տվյալների վերլուծություն 2019 ակադեմիական կոնֆերանս, ապրիլի 19-21, 2019, Պեկին
2019թ. ապրիլի 19-21, Պեկին, Չինաստան
Ածխածնային մանրաթելով ամրացված կոմպոզիտային լամինատների շերտավոր ընդարձակման վարքագծի ուսումնասիրություն
Գոնգ Յու1*, Վան Յանա2, Պենգ Լեյ3, Ժաո Լիբին4, Չժան Ջիանյու1
1Չունցինի համալսարան, Չունցին, 400044, Չինաստան
2Չինաստանի ավիացիոն հետազոտությունների ինստիտուտ, Պեկինի ավիացիոն նյութերի հետազոտությունների ինստիտուտ, Պեկին, 100095, Չինաստան
3Չինաստանի առևտրային ինքնաթիռներ Պեկինի քաղաքացիական ավիացիայի տեխնոլոգիական հետազոտական կենտրոն, Պեկին, 102211, Չինաստան
4Պեկինի օդագնացության և աստղագնացության համալսարան, Պեկին, 100191, Չինաստան
ԱբստրակտԼամինատային կառուցվածքը կոմպոզիտների համար ամենատարածված կոմպոզիտային կոնֆիգուրացիաներից մեկն է, սակայն շերտազատումը դառնում է դրա հիմնական ձախողման եղանակը՝ թույլ միջշերտային հատկությունների պատճառով: Բազմաշերտ լամինատային շերտավորման և ընդարձակման վարքագծի վերաբերյալ հետազոտությունները, որոնք լայնորեն կիրառվում են ճարտարագիտական պրակտիկայում, միշտ էլ թեժ թեմա են եղել գիտնականների համար: Այս հոդվածում ներկայացվում են Չունցինի համալսարանի և Պեկինի օդագնացության և աստղագնացության համալսարանի հոգնածության կոտրվածքների լաբորատորիայում ածխածնային մանրաթելով ամրացված կոմպոզիտային շերտազատման հետազոտության արդյունքները՝ փորձարարական հետազոտությունների և թվային մոդելավորման երկու ասպեկտներից: Վերջապես, դիտարկվում է ոլորտի զարգացման ուղղությունը:
Հիմնաբառեր՝ածխածնային մանրաթելով ամրացված կոմպոզիտ, լամինատ, շերտազատում, հոգնածության շերտավորում
ներածություն
Կոմպոզիտային նյութերն ունեն գերազանց հատկություններ, ինչպիսիք են բարձր տեսակարար ամրությունը և բարձր տեսակարար կոշտությունը, և լայնորեն օգտագործվել են ավիատիեզերական, էներգետիկ տեխնոլոգիաների, քաղաքացիական տրանսպորտի և շինարարության մեջ: Կոմպոզիտային նյութերի մշակման և օգտագործման ընթացքում մանրաթելերն ու մատրիցը կենթարկվեն տարբեր աստիճանի վնասման բեռնվածքի տակ: Կոմպոզիտային լամինատների համար տարածված վնասման ռեժիմներն են միջշերտային վնասը և շերտերի ներսում վնասը: Հաստության ուղղությամբ ամրացման բացակայության պատճառով լամինատի կողմնային մեխանիկական հատկությունները վատն են, և շերտավորման վնասը մեծ հավանականություն ունի արտաքին հարվածային բեռների տակ: Շերտավորված վնասի առաջացումը և ընդլայնումը կհանգեցնեն կառուցվածքային կոշտության և ամրության նվազմանը և նույնիսկ կհանգեցնեն աղետալի վթարների:[1-3]Հետևաբար, շերտավորման խնդիրը ավելի ու ավելի է մտահոգում կոմպոզիտային նյութերի կառուցվածքային նախագծմանը և ամրության վերլուծությանը, և անհրաժեշտ է ուսումնասիրել կոմպոզիտային նյութերի շերտավոր ընդարձակման վարքագիծը։[4].
Լամինատի շերտավոր ընդարձակման վարքագծի հետազոտություն
1. Փորձարարական ուսումնասիրություն
Միջշերտային կոտրման ամրությունը կոմպոզիտային շերտերի միջև մեխանիկական հատկությունների բնութագրական պարամետր է: I, II տիպի և I/II հիբրիդային միակողմանի լամինատների միջշերտային կոտրման ամրության որոշման համար սահմանվել են համապատասխան փորձարկման ստանդարտներ: Համապատասխան փորձարկման սարքը ներկայացված է նկար 1-ում: Այնուամենայնիվ, կոմպոզիտային նյութերի բազմակողմանի լամինատները հաճախ օգտագործվում են իրական ինժեներական կառուցվածքներում: Հետևաբար, բազմակողմանի լամինատների շերտավորման և ընդարձակման վարքագծի վերաբերյալ փորձարարական ուսումնասիրությունն ունի ավելի կարևոր տեսական նշանակություն և ինժեներական արժեք: Բազմաշերտ լամինատային շերտերի սկիզբը և ընդարձակումը տեղի են ունենում կամայական շերտավորման անկյուններով միջերեսների միջև, և շերտավոր ընդարձակման վարքագիծը զգալիորեն տարբերվում է միակողմանի լամինատներից, և ընդարձակման մեխանիզմն ավելի բարդ է: Հետազոտողները համեմատաբար քիչ փորձարարական ուսումնասիրություններ ունեն բազմակողմանի լամինատների վերաբերյալ, և միջշերտային կոտրման ամրության որոշումը դեռևս միջազգային ստանդարտ չի սահմանել: Հետազոտական խումբը օգտագործել է T700 և T800 ածխածնային մանրաթել՝ տարբեր միջերեսային դասավորության անկյուններով կոմպոզիտային լամինատներ նախագծելու համար, և ուսումնասիրել է միջերեսային դասավորության անկյան և մանրաթելերի կամրջման ազդեցությունը ստատիկ և հոգնածության շերտավորման վարքագծի վրա: Պարզվել է, որ շերտի հետևի եզրով ձևավորված մանրաթելային կամուրջը մեծ ազդեցություն ունի միջշերտային կոտրման ամրության վրա: Շերտավորման ընդարձակմանը զուգընթաց, միջշերտային կոտրման ամրությունը աստիճանաբար կաճի ավելի ցածր սկզբնական արժեքից, և երբ շերտավորումը հասնում է որոշակի երկարության, այն հասնում է կայուն արժեքի, այսինքն՝ R դիմադրության կորի երևույթի: Միջշերտի սկզբնական կոտրման ամրությունը գրեթե հավասար է և մոտավորապես հավասար է խեժի կոտրման ամրությանը, որը կախված է մատրիցայի կոտրման ամրությունից:[5, 6]Սակայն, տարբեր միջերեսների միջշերտային կոտրման ամրության ձգման արժեքները մեծապես տարբերվում են։ Ներկայացվում է միջերեսային շերտի անկյան զգալի կախվածություն։ Այս կախվածությանը ի պատասխան, Չժաոն և այլք։[5]Շերտավորված դիմադրության աղբյուրի ֆիզիկական մեխանիզմի հիման վրա, համարվում է, որ միջշերտային կոտրվածքի ամրության կայունության արժեքը բաղկացած է երկու մասից՝ մեկ մասը կապ չունեցող շերտի միջերեսի կոտրվածքի աշխատանքն է, իսկ մյուս մասը՝ ներշերտային վնասվածքը և մանրաթելը: Կոտրվածքի աշխատանքը, որը առաջանում է կամրջման հետևանքով: Շերտավորված ճակատի լարվածության ճակատային դաշտի վերջավոր տարրերի վերլուծության միջոցով պարզվել է, որ կոտրվածքի աշխատանքի երկրորդ մասը կախված է շերտավորման ճակատի վնասման գոտու խորությունից (ինչպես ցույց է տրված նկար 3-ում), և վնասման գոտու խորությունը համեմատական է միջերեսի տեղադրման անկյան հետ: Ներկայացվում է I-տիպի կոտրվածքի ամրության կայունության արժեքի տեսական մոդել, որը արտահայտվում է միջերեսային շերտի անկյան սինուսոիդալ ֆունկցիայով:
Գոնգ և այլք։[7]իրականացրել է I/II հիբրիդային շերտավորման փորձարկում տարբեր խառնման հարաբերակցություններով և պարզել, որ լամինատի I/II հիբրիդային շերտավորումը նույնպես ունի նշանակալի R դիմադրության կորի բնութագրեր: Տարբեր փորձարկվող կտորների միջև կոտրման ամրության վերլուծության միջոցով պարզվել է, որ փորձարկվող կտորի միջշերտային կոտրման ամրության սկզբնական արժեքը և կայուն արժեքը զգալիորեն աճում են խառնման հարաբերակցության աճին զուգընթաց: Բացի այդ, միջշերտի սկզբնական և կայուն կոտրման ամրությունը տարբեր խառնման հարաբերակցություններով կարելի է նկարագրել BK չափանիշով:
Հոգնածության շերտավորման առումով, փորձարկման ընթացքում նկատվել է նաև մանրաթելերի զգալի կամրջում։ Փորձարկման տվյալների վերլուծության միջոցով պարզվել է, որ կոմպոզիտային նյութի հոգնածության շերտավորման ընդլայնումը ազդվում է «դիմադրության կորից», այնպես որ հոգնածության շերտավորման ընդլայնման արագության ավանդական մոդելը և շեմային արժեքը այլևս կիրառելի չեն։ Տեսական վերլուծության հիման վրա Չժանը և Պենգը...[4,8,9]Ներկայացրել է հոգնածության շերտավորման ընդարձակման դիմադրությունը՝ կոմպոզիտային նյութերի հոգնածության շերտավորման ընդարձակման համար անհրաժեշտ էներգիան արտահայտելու համար, և հետագայում առաջարկել է նորմալացված դեֆորմացիայի էներգիան: Արտանետման արագությունը հոգնածության շերտավորված ընդարձակման արագության մոդելն է և կառավարման պարամետրերի շեմային արժեքը: Մոդելի և նորմալացված շեմային պարամետրի կիրառելիությունը ստուգվել է փորձերով: Ավելին, Չժաոն և այլք...[3]Համապարփակ կերպով դիտարկել են մանրաթելային կամրջման, լարման հարաբերակցության և բեռնվածքի խառնման հարաբերակցության ազդեցությունը հոգնածության շերտավորման և ընդարձակման վարքագծի վրա և ստեղծել են նորմալացված հոգնածության շերտավորված ընդարձակման արագության մոդել՝ հաշվի առնելով լարման հարաբերակցության ազդեցությունը: Մոդելի ճշգրտությունը ստուգվել է հոգնածության շերտավորման փորձարկումներով՝ տարբեր լարման հարաբերակցություններով և խառնման հարաբերակցություններով: Նորմալացված հոգնածության շերտավորված ընդարձակման արագության մոդելում հոգնածության շերտավորված ընդարձակման դիմադրության ֆիզիկական քանակի համար Գոնգը և այլք...[1]Հաղթահարել հաշվարկման մեթոդի թուլությունը, որը կարող է փորձերի միջոցով ստանալ միայն սահմանափակ դիսկրետ տվյալներ և սահմանել հոգնածությունը էներգիայի տեսանկյունից: Շերտավորված ընդարձակված դիմադրության հաշվարկման վերլուծական մոդել: Մոդելը կարող է իրականացնել հոգնածության շերտավորման և ընդարձակման դիմադրության քանակական որոշումը և տեսական աջակցություն տրամադրել առաջարկվող նորմալացված հոգնածության շերտավորված ընդարձակման արագության մոդելի կիրառմանը:
Նկար 1՝ շերտավորված փորձարկման սարքի դիագրամ
Նկար 2 Միջշերտային կոտրվածքային ամրության R դիմադրության կորը[5]
Նկար 3. Շերտավոր առաջատար եզրի վնասման գոտի և շերտավորված ընդլայնված ձևաբանություն[5]
2. Թվային մոդելավորման ուսումնասիրություն
Շերտավոր ընդարձակման թվային մոդելավորումը կարևոր հետազոտական բովանդակություն է կոմպոզիտային կառուցվածքների նախագծման ոլորտում: Կոմպոզիտային միակողմանի լամինատների շերտավորման ձախողումը կանխատեսելիս, գոյություն ունեցող շերտավորման ընդարձակման չափանիշները սովորաբար օգտագործում են միջշերտային կոտրման կայունությունը որպես հիմնական կատարողականի պարամետր:[10], համեմատելով ճաքի ծայրի էներգիայի արտանետման արագությունը և միջշերտային կոտրման ամրությունը: Չափսը՝ որոշելու համար, թե արդյոք շերտավորումը լայնանում է: Բազմաուղղված լամինատների ձախողման մեխանիզմը բարդ է[11,12], որը բնութագրվում է նշանակալի R դիմադրության կորերով[5,13]Գոյություն ունեցող շերտավոր ընդարձակման չափանիշները հաշվի չեն առնում այս առանձնահատկությունը և չեն կիրառվում մանրաթել պարունակող կամրջային բազմակողմանի լամինատների շերտավորման վարքագծի մոդելավորման համար: Գոնգ և այլք:[10, 13]բարելավվել են առկա շերտավորված ընդարձակման չափանիշները և առաջարկվել է չափանիշներում ներմուծել R դիմադրության կորը, և դրա հիման վրա սահմանվել է շերտավորված ընդարձակման չափանիշ՝ հաշվի առնելով մանրաթելային կամրջման ազդեցությունը: Երկգծային կազմող կպչուն միավորի սահմանման և օգտագործման պարամետրերը համակարգված կերպով ուսումնասիրվել են թվային մեթոդներով, ներառյալ սկզբնական միջերեսային կոշտությունը, միջերեսային ամրությունը, մածուցիկության գործակիցը և կպչուն ուժի գոտում տարրերի նվազագույն քանակը: Սահմանվել է համապատասխան կպչուն միավորի պարամետրի մոդելը: Վերջապես, բարելավված շերտավորված ընդարձակման չափանիշի և կպչուն միավորի պարամետրի մոդելի արդյունավետությունն ու կիրառելիությունը ստուգվել են ստատիկ շերտավորման թեստով: Այնուամենայնիվ, բարելավված չափանիշները կարող են օգտագործվել միայն միաչափ շերտավորված մոդելավորումների համար՝ դիրքային կախվածությունների պատճառով, և ոչ թե երկչափ կամ եռաչափ հիերարխիկ ընդլայնումների համար: Այս խնդիրը լուծելու համար հեղինակը նաև առաջարկել է նոր եռագիծ կպչուն ուժի կազմող՝ հաշվի առնելով մանրաթելային կամրջումը:[14]Կառուցողական կապը համապատասխանում է շերտավոր ընդարձակման բարդ գործընթացին մանրադիտակային տեսանկյունից և ունի պարզ պարամետրերի և հստակ ֆիզիկական իմաստի առավելությունները։
Բացի այդ, բազմաուղղված լամինատների շերտավորման գործընթացում տարածված շերտավորված միգրացիայի երևույթը ճշգրիտ մոդելավորելու համար[11,12], Չժաո և այլք։[11,12]Առաջարկվել է ճաքի ուղղության ուղղորդման մոդել՝ հիմնված ընդլայնված վերջավոր տարրերի վրա, որը մոդելավորում է հատուկ նախագիծ: Հիերարխիկ միգրացիա կոմպոզիտային շերտավորման փորձարկման մեջ: Միաժամանակ, առաջարկվում է շերտավոր ընդարձակման մոդել՝ 90°/90° շերտավոր միջերեսի երկայնքով զիգզագաձև շերտավոր ընդարձակման վարքագծի համար, որը ճշգրտորեն մոդելավորում է 90°/90° միջերեսի շերտավոր ընդարձակման վարքագիծը:
Նկար 4. Շերտավոր միգրացիայի թվային մոդելավորում և փորձարարական արդյունքներ[15]
Եզրակացություն
Այս հոդվածը կենտրոնանում է այս խմբի հետազոտությունների արդյունքների վրա՝ կոմպոզիտային լամինատների շերտազատման ոլորտում: Փորձարարական ասպեկտները հիմնականում ներառում են միջերեսային դասավորության անկյան և մանրաթելերի կամրջման ազդեցությունը ստատիկ և հոգնածության շերտազատման ընդարձակման վարքագծի վրա: Մեծ թվով փորձարարական ուսումնասիրությունների միջոցով պարզվել է, որ կոմպոզիտային նյութերի բազմակողմանի լամինատային խզման մեխանիզմը բարդ է: Մանրաթելային կամրջումը բազմակողմանի լամինատների տարածված ամրացման մեխանիզմ է, որը միջշերտային կոտրման ամրության R-դիմադրության կորի հիմնական պատճառն է: Ներկայումս II շերտավորման ներքո R դիմադրության կորի ուսումնասիրությունը համեմատաբար թերի է և կարիք ունի հետագա ուսումնասիրության: Սկսած խզման մեխանիզմից, առաջարկվում է հոգնածության շերտավորման մոդել, որը ներառում է տարբեր ազդող գործոններ, որը հոգնածության շերտավորման հետազոտության ուղղություն է: Թվային մոդելավորման առումով, հետազոտական խումբը առաջարկել է բարելավված հիերարխիկ ընդլայնման չափանիշ և համակցված կառուցվածքային մոդել՝ մանրաթելերի կամրջման ազդեցությունը շերտավորված ընդլայնման վարքագծի վրա դիտարկելու համար: Բացի այդ, ընդլայնված վերջավոր տարրը օգտագործվում է հիերարխիկ միգրացիայի երևույթն ավելի լավ մոդելավորելու համար: Այս մեթոդը վերացնում է նուրբ բջիջների բաժանման անհրաժեշտությունը՝ վերացնելով ցանցի վերաբաժանման հետ կապված խնդիրները: Այն ունի եզակի առավելություններ կամայական ձևերի շերտավորման մոդելավորման հարցում, և ապագայում անհրաժեշտ է այս մեթոդի ավելի շատ ինժեներական կիրառման հետազոտություններ։[16].
Հղումներ
[1] Յ. Գոնգ, Լ. Չժաո, Ջ. Չժանգ, Ն. Հու։ Կոմպոզիտային լամինատների հոգնածության շերտավորման դիմադրության որոշման նորարարական մոդել էներգիայի տեսանկյունից։ Compos Sci Technol 2018; 167: 489-96։
[2] Լ. Չժաո, Ի. Վան, Ջ. Չժանգ, Ի. Գոնգ, Ն. Հու, Ն. Լի։ XFEM-ի վրա հիմնված մոդել՝ լամինացված կոմպոզիտներում զիգզագաձև շերտավորման աճի մոդելավորման համար I ռեժիմի բեռնման դեպքում։ Compos Struct 2017; 160: 1155-62։
[3] Լ. Չժաո, Ի. Գոնգ, Ջ. Չժանգ, Ի. Վանգ, Զ. Լու, Լ. Պենգ, Ն. Հու։ CFRP բազմակողմանի լամինատներում հոգնածության շերտավորման աճի վարքագծի նոր մեկնաբանություն։ Compos Sci Technol 2016; 133: 79-88։
[4] Լ. Պենգ, Ջ. Չժան, Լ. Չժաո, Ռ. Բաո, Հ. Յանգ, Բ. Ֆեյ։ Բազմակողմանի կոմպոզիտային լամինատների I ռեժիմի շերտավորման աճը հոգնածության բեռի տակ։ J Compos Mater 2011; 45: 1077-90։
[5] Լ. Չժաո, Ի. Վանգ, Ջ. Չժանգ, Ի. Գոնգ, Զ. Լու, Ն. Հու, Ջ. Շու։ Բազմակողմանի CFRP լամինատներում I ռեժիմի բեռնման դեպքում կոտրման ամրության միջերեսային մոդել։ Կոմպոզիտներ, մաս B։ Ճարտարագիտություն 2017; 131: 196-208։
[6] Լ. Չժաո, Յ. Գոնգ, Ջ. Չժանգ, Յ. Չեն, Բ. Ֆեյ։ Բազմակողմանի լամինատներում շերտավորման աճի մոդելավորում I ռեժիմի և խառը ռեժիմ I/II բեռների դեպքում՝ օգտագործելով կպչուն տարրեր։ Compos Struct 2014; 116: 509-22։
[7] Յ. Գոնգ, Բ. Չժան, Լ. Չժաո, Ջ. Չժան, Ն. Հու, Ս. Չժան։ Միակողմանի և բազմակողմանի միջերեսներով ածխածնային/էպօքսիդային լամինատներում խառը ռեժիմով I/II շերտավորման R-կորի վարքագիծը։ Compos Struct 2019. (Վերանայման փուլում է)։
[8] Լ. Պենգ, Ջ. Շու, Ջ. Չժան, Լ. Չժաո։ Բազմակողմանի կոմպոզիտային լամինատների խառը ռեժիմի շերտավորման աճը հոգնածության բեռի տակ։ Eng Fract Mech 2012; 96: 676-86։
[9] Ջ. Չժան, Լ. Պենգ, Լ. Չժաո, Բ. Ֆեյ։ Խառը ռեժիմի բեռնվածքի տակ կոմպոզիտային լամինատների հոգնածության շերտավորման աճի տեմպերը և շեմային արժեքները։ Int J Fatigue 2012; 40: 7-15։
[10] Յ. Գոնգ, Լ. Չժաո, Ջ. Չժանգ, Յ. Վան, Ն. Հու։ Շերտավորման տարածման չափանիշ, ներառյալ մանրաթելային կամրջման ազդեցությունը CFRP բազմակողմանի լամինատներում խառը ռեժիմ I/II շերտավորման համար։ Compos Sci Technol 2017; 151: 302-9։
[11] Յ. Գոնգ, Բ. Չժան, Ս. Ռ. Հալեթ։ Բազմակողմանի կոմպոզիտային լամինատներում շերտավորման միգրացիան I ռեժիմի կիսաստատիկ և հոգնածության բեռնվածքի դեպքում։ Compos Struct 2018; 189: 160-76։
[12] Յ. Գոնգ, Բ. Չժան, Ս. Մուխոպադհայ, Ս. Ռ. Հալեթ։ II ռեժիմի ստատիկ և հոգնածության բեռնվածքի տակ բազմակողմանի լամինատներում շերտավորման միգրացիայի փորձարարական ուսումնասիրություն՝ I ռեժիմի հետ համեմատությամբ։ Compos Struct 2018; 201: 683-98։
[13] Յ. Գոնգ, Լ. Չժաո, Ջ. Չժանգ, Ն. Հու։ Բազմակողմանի կոմպոզիտային լամինատներում մեծածավալ մանրաթելային կամրջման ազդեցությամբ շերտավորման տարածման համար բարելավված աստիճանային օրենքի չափանիշ։ Compos Struct 2018; 184: 961-8։
[14] Յ. Գոնգ, Յ. Հոու, Լ. Չժաո, Վ. Լի, Գ. Յանգ, Ջ. Չժանգ, Ն. Հու։ DCB լամինատներում մանրաթելային կամրջման ազդեցությամբ շերտավորման աճի համար նորարարական եռագիծ կպչուն գոտու մոդել։ Compos Struct 2019. (Ներկայացվելու է)
[15] Լ. Չժաո, Ջ. Չժի, Ջ. Չժանգ, Զ. Լյու, Ն. Հու։ Կոմպոզիտային լամինատների շերտազատման XFEM մոդելավորում։ Կոմպոզիտներ, մաս A. Կիրառական գիտություն և արտադրություն 2016; 80: 61-71։
[16] Չժաո Լիբին, Գոնգ Յու, Չժան Ջիանյու։ Մանրաթելային ամրացված կոմպոզիտային լամինատների շերտավորված ընդարձակման վարքագծի վերաբերյալ հետազոտության առաջընթացը։ Ավիացիոն գիտությունների հանդես 2019: 1-28։
Աղբյուր՝Գոնգ Յու, Վան Յանա, Պենգ Լեյ, Չժաո Լիբին, Չժանգ Ցզյանյու։ Ուսումնասիրություն առաջադեմ ածխածնային մանրաթելով ամրացված կոմպոզիտային լամինատների շերտավորված ընդարձակման վարքագծի վերաբերյալ [C]: Մեխանիկա և ճարտարագիտություն - թվային հաշվարկներ և տվյալների վերլուծություն 2019 ակադեմիական կոնֆերանս։ Չինաստանի մեխանիկայի ընկերություն, Պեկինի մեխանիկայի ընկերություն, 2019։ միջոցով Իքսուեշու
Հրապարակման ժամանակը. Նոյեմբերի 15-2019