MEKANIKA DAN TEKNIK - Perhitungan Numerik dan Analisis Data
Mekanika dan Teknik — Perhitungan Numerik dan Analisis Data Konferensi Akademik 2019, 19-21 April 2019, Beijing
19-21 April 2019, Beijing, Tiongkok
Studi Perilaku Ekspansi Berlapis pada Lembaran Laminasi Komposit Bertulang Serat Karbon Canggih
Gong Yu1*, Wang Yan2, Peng Lei3, Zhao Libin4, Zhang Jianyu1
1Universitas Chongqing, Chongqing, 400044, Tiongkok
2Lembaga Penelitian Penerbangan Tiongkok Lembaga Penelitian Material Penerbangan Beijing, Beijing, 100095, Tiongkok
3Pusat Penelitian Teknologi Pesawat Komersial Tiongkok Beijing, Beijing, 102211, Tiongkok
4Universitas Aeronautika dan Astronautika Beijing, Beijing, 100191, Tiongkok
AbstrakStruktur laminasi merupakan salah satu konfigurasi komposit yang paling umum digunakan untuk komposit, tetapi delaminasi menjadi mode kegagalan utamanya karena sifat interlaminar yang lemah. Penelitian tentang stratifikasi laminasi multilapis dan perilaku ekspansi yang umum digunakan dalam praktik teknik selalu menjadi topik hangat bagi para akademisi. Dalam makalah ini, hasil penelitian delaminasi komposit yang diperkuat serat karbon di Laboratorium Fraktur Lelah Universitas Chongqing dan Universitas Aeronautika dan Astronautika Beijing diperkenalkan dari dua aspek penelitian eksperimental dan simulasi numerik. Akhirnya, arah pengembangan bidang ini diprospek.
Kata kunci:komposit yang diperkuat serat karbon, laminasi, delaminasi, stratifikasi kelelahan
perkenalan
Material komposit memiliki sifat-sifat yang sangat baik seperti kekuatan spesifik dan kekakuan spesifik yang tinggi, dan telah banyak digunakan dalam bidang kedirgantaraan, teknologi energi, serta transportasi dan konstruksi sipil. Selama pemrosesan dan penggunaan material komposit, serat dan matriks akan mengalami berbagai tingkat kerusakan akibat beban. Mode kegagalan umum untuk laminasi komposit meliputi kerusakan interlayer dan kerusakan dalam lapisan. Karena kurangnya penguatan pada arah ketebalan, sifat mekanis lateral laminasi buruk, dan kerusakan delaminasi sangat mungkin terjadi akibat beban benturan eksternal. Terjadinya dan meluasnya kerusakan berlapis akan menyebabkan penurunan kekakuan dan kekuatan struktural, dan bahkan menyebabkan kecelakaan yang fatal.[1-3]Oleh karena itu, masalah delaminasi semakin diperhatikan oleh desain struktural dan analisis kekuatan bahan komposit, dan perlu untuk mempelajari perilaku ekspansi berlapis bahan komposit.[4].
Penelitian tentang perilaku ekspansi berlapis laminasi
1. Studi eksperimental
Ketangguhan fraktur interlaminar merupakan parameter karakteristik sifat mekanis antara lapisan komposit. Standar uji yang sesuai telah ditetapkan untuk penentuan ketangguhan fraktur interlaminar laminasi searah hibrida Tipe I, Tipe II, dan I/II. Peralatan uji yang sesuai ditunjukkan pada Gambar 1. Namun, laminasi multiarah dari bahan komposit sering digunakan dalam struktur rekayasa yang sebenarnya. Oleh karena itu, studi eksperimental tentang perilaku stratifikasi dan ekspansi laminasi multiarah memiliki signifikansi teoritis dan nilai rekayasa yang lebih penting. Inisiasi dan ekspansi lapisan laminasi multilapis terjadi antara antarmuka dengan sudut pelapisan yang sewenang-wenang, dan perilaku ekspansi berlapis secara signifikan berbeda dari laminasi searah, dan mekanisme ekspansi lebih rumit. Para peneliti memiliki relatif sedikit studi eksperimental tentang laminasi multiarah, dan penentuan ketangguhan fraktur interlaminar belum menetapkan standar internasional. Tim peneliti menggunakan serat karbon T700 dan T800 untuk merancang berbagai laminasi komposit dengan sudut tata letak antarmuka yang berbeda, dan mempelajari pengaruh sudut tata letak antarmuka dan penjembatan serat pada perilaku delaminasi statis dan kelelahan. Telah ditemukan bahwa penjembatanan serat yang dibentuk oleh tepi belakang lapisan memiliki pengaruh besar pada ketangguhan patah antarlapisan. Saat stratifikasi mengembang, ketangguhan patah antarlapisan akan meningkat secara bertahap dari nilai awal yang lebih rendah, dan ketika stratifikasi mencapai panjang tertentu, ia mencapai nilai yang stabil, yaitu, fenomena kurva resistansi R. Ketangguhan patah awal dari interlayer hampir sama dan kira-kira sama dengan ketangguhan patah resin, yang bergantung pada ketangguhan patah matriks itu sendiri.[5, 6]. Namun, nilai perpanjangan ketangguhan fraktur interlaminar dari berbagai antarmuka sangat bervariasi. Ketergantungan sudut lapisan antarmuka yang signifikan disajikan. Menanggapi ketergantungan ini, Zhao et al.[5]berdasarkan mekanisme fisik sumber resistensi berlapis, dianggap bahwa nilai stabilitas ketangguhan fraktur interlaminar terdiri dari dua bagian, satu bagian adalah kerja fraktur antarmuka lapisan yang tidak terkait, dan bagian lainnya adalah kerusakan intralayer dan serat. Kerja fraktur yang disebabkan oleh penjembatanan. Melalui analisis elemen hingga dari medan depan tegangan dari depan berlapis, ditemukan bahwa bagian kedua dari kerja fraktur tergantung pada kedalaman zona kerusakan depan delaminasi (seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3), dan kedalaman zona kerusakan sebanding dengan sudut layup antarmuka. Model teoritis dari nilai stabilitas ketangguhan fraktur tipe-I yang diungkapkan oleh fungsi sinusoidal dari sudut lapisan antarmuka disajikan.
Gong dan kawan-kawan.[7]melakukan uji stratifikasi hibrida I/II di bawah rasio pencampuran yang berbeda, dan menemukan bahwa stratifikasi hibrida I/II dalam laminasi juga memiliki karakteristik kurva resistansi R yang signifikan. Melalui analisis ketangguhan patah antara berbagai benda uji, ditemukan bahwa nilai awal dan nilai stabil ketangguhan patah interlaminar dari benda uji meningkat secara signifikan dengan peningkatan rasio pencampuran. Selain itu, ketangguhan patah awal dan stabil dari interlayer di bawah rasio pencampuran yang berbeda dapat dijelaskan oleh kriteria BK.
Dalam hal stratifikasi kelelahan, penjembatanan serat yang signifikan juga diamati selama pengujian. Melalui analisis data pengujian, ditemukan bahwa ekspansi delaminasi kelelahan dari bahan komposit dipengaruhi oleh "kurva resistensi", sehingga model laju ekspansi stratifikasi kelelahan tradisional dan nilai ambang batas tidak lagi berlaku. Atas dasar analisis teoritis, Zhang dan Peng[4,8,9]memperkenalkan ketahanan ekspansi delaminasi kelelahan untuk mengekspresikan energi yang dibutuhkan untuk ekspansi delaminasi kelelahan material komposit, dan selanjutnya mengusulkan energi regangan yang dinormalkan. Laju pelepasan adalah model laju ekspansi stratifikasi kelelahan dan nilai ambang batas parameter kontrol. Penerapan model dan parameter ambang batas yang dinormalkan diverifikasi melalui eksperimen. Selanjutnya, Zhao dkk.[3]secara komprehensif mempertimbangkan efek penjembatanan serat, rasio tegangan dan rasio campuran beban pada stratifikasi kelelahan dan perilaku ekspansi, dan membentuk model laju ekspansi stratifikasi kelelahan yang dinormalkan dengan mempertimbangkan pengaruh rasio tegangan. Keakuratan model diverifikasi oleh uji stratifikasi kelelahan dengan rasio tegangan dan rasio campuran yang berbeda. Untuk kuantitas fisik ketahanan ekspansi stratifikasi kelelahan dalam model laju ekspansi stratifikasi kelelahan yang dinormalkan, Gong et al.[1]mengatasi kelemahan metode perhitungan yang hanya dapat memperoleh titik data diskrit terbatas melalui eksperimen, dan menetapkan kelelahan dari sudut pandang energi. Model analitis untuk perhitungan resistensi perluasan berlapis. Model tersebut dapat mewujudkan penentuan kuantitatif stratifikasi kelelahan dan resistensi ekspansi, dan memberikan dukungan teoritis untuk penerapan model laju ekspansi berlapis kelelahan ternormalisasi yang diusulkan.
Gambar 1 diagram alat uji stratifikasi
Gambar 2 Kurva ketahanan fraktur antar lapisan R[5]
Gambar 3 Zona kerusakan tepi terdepan berlapis dan morfologi meluas berlapis[5]
2. Studi simulasi numerik
Simulasi numerik ekspansi berlapis merupakan konten penelitian penting dalam bidang desain struktur komposit. Saat memprediksi kegagalan delaminasi laminasi searah komposit, kriteria ekspansi stratifikasi yang ada biasanya menggunakan ketangguhan fraktur interlaminar konstan sebagai parameter kinerja dasar.[10], dengan membandingkan laju pelepasan energi ujung retak dan ketangguhan fraktur interlaminar. Ukuran untuk menentukan apakah pelapisan tersebut mengembang. Mekanisme kegagalan laminasi multi arah bersifat kompleks[11,12], yang ditandai dengan kurva resistansi R yang signifikan[5,13]Kriteria perluasan berlapis yang ada tidak memperhitungkan fitur ini dan tidak berlaku untuk simulasi perilaku delaminasi laminasi multiarah yang mengandung serat. Gong dkk.[10, 13]memperbaiki kriteria ekspansi berlapis yang ada dan mengusulkan untuk memperkenalkan kurva resistansi R ke dalam kriteria, dan berdasarkan ini, menetapkan kriteria ekspansi berlapis yang mempertimbangkan efek penjembatanan serat. Definisi dan parameter penggunaan unit kohesif konstitutif bilinear dipelajari secara sistematis dengan metode numerik, termasuk kekakuan antarmuka awal, kekuatan antarmuka, koefisien viskositas dan jumlah minimum elemen dalam zona gaya kohesif. Model parameter unit kohesif yang sesuai ditetapkan. Akhirnya, efektivitas dan penerapan kriteria ekspansi berlapis yang ditingkatkan dan model parameter unit kohesif diverifikasi dengan uji stratifikasi statis. Namun, kriteria yang ditingkatkan hanya dapat digunakan untuk simulasi berlapis satu dimensi karena ketergantungan posisi dan bukan untuk ekstensi hierarkis dua atau tiga dimensi. Untuk menyelesaikan masalah ini, penulis selanjutnya mengusulkan konstitutif gaya kohesif trilinear baru dengan mempertimbangkan penjembatanan serat.[14]Hubungan konstitutif sesuai dengan proses kompleks perluasan berlapis dari perspektif mikroskopis, dan memiliki keunggulan parameter sederhana dan makna fisik yang jelas.
Selain itu, untuk mensimulasikan secara akurat fenomena migrasi berlapis yang umum terjadi dalam proses stratifikasi laminasi multi arah[11,12], Zhao dan kawan-kawan.[11,12]mengusulkan model panduan jalur retakan berdasarkan elemen finit yang diperluas, yang mensimulasikan desain khusus. Migrasi hierarkis dalam uji stratifikasi komposit. Pada saat yang sama, model ekspansi berlapis diusulkan untuk perilaku ekspansi berlapis zigzag di sepanjang antarmuka berlapis 90°/90°, yang secara akurat mensimulasikan perilaku ekspansi berlapis dari antarmuka 90°/90°.
Gambar 4 Simulasi numerik migrasi berlapis dan hasil eksperimen[15]
Kesimpulan
Makalah ini berfokus pada hasil penelitian kelompok ini di bidang delaminasi laminasi komposit. Aspek eksperimental terutama mencakup pengaruh sudut tata letak antarmuka dan penjembatan serat pada perilaku ekspansi delaminasi statis dan kelelahan. Melalui sejumlah besar studi eksperimental, ditemukan bahwa mekanisme kegagalan laminasi multiarah dari bahan komposit rumit. Penjembatan serat adalah mekanisme pengerasan umum dari laminasi multiarah, yang merupakan alasan utama untuk kurva resistansi-R dari ketangguhan fraktur interlaminar. Saat ini, studi kurva resistansi-R di bawah stratifikasi II relatif kurang dan perlu penelitian lebih lanjut. Dimulai dari mekanisme kegagalan, model stratifikasi kelelahan termasuk berbagai faktor yang memengaruhi diusulkan, yang merupakan arah penelitian stratifikasi kelelahan. Dalam hal simulasi numerik, kelompok penelitian mengusulkan kriteria ekspansi hierarkis yang ditingkatkan dan model konstitutif kohesif untuk mempertimbangkan pengaruh penjembatan serat pada perilaku ekspansi terstratifikasi. Selain itu, elemen hingga yang diperluas digunakan untuk mensimulasikan fenomena migrasi hierarkis dengan lebih baik. Metode ini menghilangkan kebutuhan akan pembelahan sel yang halus, sehingga menghilangkan masalah yang terkait dengan pembagian ulang jaring. Metode ini memiliki keunggulan unik dalam simulasi stratifikasi bentuk yang berubah-ubah, dan penelitian aplikasi teknik yang lebih banyak diperlukan di masa mendatang.[16].
Referensi
[1] Y Gong, L Zhao, J Zhang, N Hu. Model baru untuk menentukan ketahanan delaminasi kelelahan pada laminasi komposit dari sudut pandang energi. Compos Sci Technol 2018; 167: 489-96.
[2] L Zhao, Y Wang, J Zhang, Y Gong, N Hu, N Li. Model berbasis XFEM untuk simulasi pertumbuhan delaminasi zigzag pada komposit laminasi di bawah pembebanan mode I. Compos Struct 2017; 160: 1155-62.
[3] L Zhao, Y Gong, J Zhang, Y Wang, Z Lu, L Peng, N Hu. Interpretasi baru perilaku pertumbuhan delaminasi kelelahan pada laminasi multiarah CFRP. Compos Sci Technol 2016; 133: 79-88.
[4] L Peng, J Zhang, L Zhao, R Bao, H Yang, B Fei. Pertumbuhan delaminasi mode I pada laminasi komposit multi arah di bawah beban kelelahan. J Compos Mater 2011; 45: 1077-90.
[5] L Zhao, Y Wang, J Zhang, Y Gong, Z Lu, N Hu, J Xu. Model ketahanan fraktur plateau yang bergantung pada antarmuka pada laminasi CFRP multiarah di bawah pembebanan mode I. Komposit Bagian B: Teknik 2017; 131: 196-208.
[6] L Zhao, Y Gong, J Zhang, Y Chen, B Fei. Simulasi pertumbuhan delaminasi pada laminasi multi arah di bawah beban mode I dan mode campuran I/II menggunakan elemen kohesif. Compos Struct 2014; 116: 509-22.
[7] Y Gong, B Zhang, L Zhao, J Zhang, N Hu, C Zhang. Perilaku kurva-R dari delaminasi I/II mode campuran pada laminasi karbon/epoksi dengan antarmuka searah dan multiarah. Compos Struct 2019. (Dalam Tinjauan).
[8] L Peng, J Xu, J Zhang, L Zhao. Pertumbuhan delaminasi mode campuran dari laminasi komposit multi arah di bawah beban kelelahan. Eng Fract Mech 2012; 96: 676-86.
[9] J Zhang, L Peng, L Zhao, B Fei. Tingkat pertumbuhan delaminasi kelelahan dan ambang batas laminasi komposit di bawah pembebanan mode campuran. Int J Fatigue 2012; 40: 7-15.
[10] Y Gong, L Zhao, J Zhang, Y Wang, N Hu. Kriteria perambatan delaminasi termasuk efek penjembatanan serat untuk delaminasi mode campuran I/II pada laminasi multiarah CFRP. Compos Sci Technol 2017; 151: 302-9.
[11] Y Gong, B Zhang, SR Hallett. Migrasi delaminasi pada laminasi komposit multi arah di bawah mode I quasi-statis dan beban kelelahan. Compos Struct 2018; 189: 160-76.
[12] Y Gong, B Zhang, S Mukhopadhyay, SR Hallett. Studi eksperimental tentang migrasi delaminasi pada laminasi multi arah di bawah beban statis dan lelah mode II, dengan perbandingan dengan mode I. Compos Struct 2018; 201: 683-98.
[13] Y Gong, L Zhao, J Zhang, N Hu. Kriteria hukum daya yang ditingkatkan untuk perambatan delaminasi dengan efek penjembatan serat skala besar dalam laminasi multiarah komposit. Compos Struct 2018; 184: 961-8.
[14] Y Gong, Y Hou, L Zhao, W Li, G Yang, J Zhang, N Hu. Model zona kohesif tiga-linier baru untuk pertumbuhan delaminasi pada laminasi DCB dengan efek penjembatan serat. Compos Struct 2019. (Akan diserahkan)
[15] L Zhao, J Zhi, J Zhang, Z Liu, N Hu. Simulasi XFEM delaminasi pada laminasi komposit. Komposit Bagian A: Sains Terapan dan Manufaktur 2016; 80: 61-71.
[16] Zhao Libin, Gong Yu, Zhang Jianyu. Kemajuan penelitian pada perilaku ekspansi berlapis dari laminasi komposit yang diperkuat serat. Jurnal Ilmu Penerbangan 2019: 1-28.
Sumber:Gong Yu, Wang Yana, Peng Lei, Zhao Libin, Zhang Jianyu. Studi tentang perilaku ekspansi berlapis pada laminasi komposit yang diperkuat serat karbon canggih [C]. Mekanika dan Teknik - Komputasi Numerik dan Analisis Data Konferensi Akademik 2019. Perhimpunan Mekanika Tiongkok, Perhimpunan Mekanika Beijing, 2019. melalui ixueshu
Waktu posting: 15-Nov-2019