Rannsókn á lagskiptri útvíkkunarhegðun háþróaðra kolefnisþráðastyrktra samsettra lagskiptaplata

VÉLFRÆÐI OG VERKFRÆÐI - Töluleg útreikningur og gagnagreining
Vélfræði og verkfræði — Tölulegar útreikningar og gagnagreining 2019, fræðaráðstefna, 19.-21. apríl 2019, Peking
19.-21. apríl 2019, Peking, Kína

Rannsókn á lagskiptri útvíkkunarhegðun háþróaðra kolefnisþráðastyrktra samsettra lagskiptaplata

Gong Yu^1*, Wang Yana², Peng Lei³, Zhao Libin⁴, Zhang Jianyu¹

¹Háskólinn í Chongqing, Chongqing, 400044, Kína
²Kínverska flugrannsóknarstofnunin, Peking, rannsóknarstofnun fyrir flugefni, Peking, 100095, Kína
³Kínverskar atvinnuflugvélar Rannsóknarmiðstöð borgaralegra flugvéla í Peking, Peking, 102211, Kína
⁴Flug- og geimferðaháskólinn í Peking, Peking, 100191, Kína

ÁgripLagskipt uppbygging er ein algengasta samsetta uppsetningin fyrir samsett efni, en aflögun verður aðal bilunarháttur þess vegna veikra eiginleika millilaganna. Rannsóknir á lagskiptingu og útþensluhegðun marglaga lagskipta sem almennt er notuð í verkfræði hafa alltaf verið heitt umræðuefni meðal fræðimanna. Í þessari grein eru rannsóknarniðurstöður á aflögun koltrefjastyrktra samsettra efna við Chongqing-háskóla og Geimferðafræðiháskólann í Peking kynntar út frá tveimur þáttum tilraunarannsókna og tölulegrar hermunar. Að lokum er þróunarstefna sviðsins skoðuð.

Leitarorð:Kolefnisstyrkt samsett efni, lagskipt efni, aflagun, þreytulagskipting

kynning

Samsett efni hafa framúrskarandi eiginleika eins og mikinn sértækan styrk og mikla sértæka stífleika og hafa verið mikið notuð í geimferðum, orkutækni, borgaralegum flutningum og byggingariðnaði. Við vinnslu og notkun samsettra efna verða trefjar og grunnefni fyrir mismunandi skemmdum undir álagi. Algengar bilunaraðferðir fyrir samsett lagskipti eru meðal annars skemmdir á millilögum og skemmdir innan laga. Vegna skorts á styrkingu í þykktarátt eru hliðar vélrænir eiginleikar lagskiptisins lélegir og skemmdir vegna skemmda eru mjög líklegar við utanaðkomandi árekstrarálag. Tilvist og útþensla lagskiptra skemmda mun leiða til minnkunar á stífleika og styrk burðarvirkis og jafnvel valda stórslysum.^[1-3]Þess vegna er vandamálið með aflögun sífellt meira áhyggjuefni í byggingarhönnun og styrkgreiningu samsettra efna og nauðsynlegt er að rannsaka lagskipta útþensluhegðun samsettra efna.^[4].

Rannsóknir á lagskiptri útþensluhegðun lagskiptrar
1. Tilraunakennd rannsókn

Brotþol milli laga er einkennandi breyta fyrir vélræna eiginleika milli samsettra laga. Samsvarandi prófunarstaðlar hafa verið settir til að ákvarða brotþol milli laga í einátta blönduðum lagskiptum af gerð I, gerð II og I/II. Samsvarandi prófunarbúnaður er sýndur á mynd 1. Hins vegar eru fjölátta lagskipt efni oft notuð í raunverulegum verkfræðilegum mannvirkjum. Þess vegna hefur tilraunarannsókn á lagskiptingu og útþensluhegðun fjölátta lagskiptra efna mikilvægari fræðilega þýðingu og verkfræðilegt gildi. Upphaf og útþensla marglaga lagskiptra laga á sér stað milli snertiflata með handahófskenndum lagskiptahornum og lagskiptaútþensluhegðunin er verulega frábrugðin þeirri sem einkennir einátta lagskipti og útþensluferlið er flóknara. Rannsakendur hafa tiltölulega fáar tilraunarannsóknir á fjölátta lagskiptum og ákvörðun á brotþoli milli laga hefur ekki enn komið á fót alþjóðlegum staðli. Rannsóknarhópurinn notaði T700 og T800 kolefnistrefjar til að hanna fjölbreytt samsett lagskipt efni með mismunandi snertiflatahornum og rannsakaði áhrif snertiflatahorns og brúarmyndunar trefja á stöðurafmagns- og þreytuaflögunarhegðun. Komið hefur í ljós að brúarmyndun trefja sem myndast við aftari brún lagsins hefur mikil áhrif á brotþol millilaganna. Þegar lagskiptingin stækkar mun brotþol millilaganna smám saman aukast frá lægra upphafsgildi og þegar lagskiptingin nær ákveðinni lengd nær hún stöðugu gildi, það er að segja R-viðnámskúrfufyrirbærinu. Upphafsbrotþol millilagsins er næstum jafnt og nokkurn veginn jafnt brotþoli plastefnisins, sem er háð brotþoli fylliefnisins sjálfs.^{[5, 6]}Hins vegar eru gildi brotþols millilaganna á mismunandi snertiflötum mjög mismunandi. Mikilvæg hornháðni snertiflatarlagsins er kynnt. Sem svar við þessari háðni, ​​Zhao o.fl.^[5]Byggt á eðlisfræðilegum verkunarháttum lagskipta viðnámsgjafans er talið að gildi brotseigju millilaganna samanstandi af tveimur hlutum, annar hlutinn er brotvinna ótengds lagsmóts og hinn hlutinn er skemmdir og trefjar innan lagsins. Vinna brotsins sem orsakast af brúarmyndun. Með endanlegri þáttagreiningu á spennuframhlið lagskiptu framhliðarinnar kemur í ljós að seinni hluti brotvinnunnar er háður dýpt skemmdasvæðisins á aflögunarframhliðinni (eins og sýnt er á mynd 3) og dýpt skemmdasvæðisins er í réttu hlutfalli við uppsetningarhornið á viðmótinu. Kynnt er fræðilegt líkan af I-gerð brotseigjustöðugleikagildi, tjáð með sinusfalli horns viðmótslagsins.
Gong o.fl.^[7]framkvæmdi I/II blendingslagskiptingarpróf við mismunandi blöndunarhlutföll og komst að því að I/II blendingslagskiptin í lagskiptunum hefur einnig marktæka R-mótstöðuferilseinkenni. Með greiningu á brotseigju milli mismunandi prófunarhluta kom í ljós að upphafsgildi og stöðugt gildi millilagsbrotseigju prófunarhlutans aukast verulega með auknu blöndunarhlutfalli. Að auki er hægt að lýsa upphafs- og stöðugri brotseigju millilagsins við mismunandi blöndunarhlutföll með BK-viðmiðinu.
Hvað varðar þreytulagskiptingu sást einnig umtalsverð brúarmyndun trefja í prófuninni. Með greiningu prófunargagnanna kom í ljós að þreytuþensla samsetts efnisins er undir áhrifum „viðnámskúrfunnar“, þannig að hefðbundin þreytulagskiptingarlíkan og þröskuldsgildi eiga ekki lengur við. Á grundvelli fræðilegrar greiningar, Zhang og Peng^[4,8,9]kynnti þreytuaflögunarþensluþol til að tákna orkuna sem þarf til þreytuaflögunarþenslu samsettra efna og lagði einnig til staðlaða álagsorku. Losunarhraðinn er líkanið fyrir lagskipta þreytuþensluhraða og þröskuldsgildi stýribreytanna. Notkunargildi líkansins og staðlaða þröskuldsbreytunnar er staðfest með tilraunum. Ennfremur, Zhao o.fl.^[3]skoðaði ítarlega áhrif brúarmyndunar trefja, spennuhlutfalls og álagsblöndunarhlutfalls á þreytulagskiptingu og útþensluhegðun og setti á fót staðlað þreytulagskiptan útþensluhraðalíkan sem tók tillit til áhrifa spennuhlutfalls. Nákvæmni líkansins var staðfest með þreytulagskiptingarprófum með mismunandi spennuhlutföllum og blöndunarhlutföllum. Fyrir eðlisfræðilegt magn þreytulagskiptar útþensluþols í staðlaða þreytulagskipta útþensluhraðalíkaninu, Gong o.fl.^[1]að sigrast á veikleikum reikniaðferðarinnar sem getur aðeins aflað takmarkaðra stakra gagnapunkta með tilraunum og ákvarða þreytu frá orkusjónarmiði. Greiningarlíkan fyrir útreikning á lagskiptu útvíkkuðu viðnámi. Líkanið getur framkvæmt megindlega ákvörðun á lagskiptingu þreytu og þensluþoli og veitt fræðilegan stuðning við beitingu fyrirhugaðrar staðlaðrar þreytulagskipta þensluhraðalíkans.

Mynd 1 skýringarmynd af lagskiptu prófunartæki

Mynd 2 R-mótstöðukúrfa fyrir brotþol milli laga^[5]


Mynd 3 Lagskipt skaðasvæði á fremsta brún og lagskipt útvíkkuð formgerð^[5]

2. Töluleg hermunarrannsókn

Töluleg hermun á lagskiptri útþenslu er mikilvægt rannsóknarefni á sviði hönnunar samsettra mannvirkja. Þegar spáð er fyrir um skemmdir á samsettum einstefnulögðum lagskiptum, nota núverandi lagskipt útþensluviðmið venjulega fasta millilagsbrotseigju sem grunnafköstabreytu.^[10], með því að bera saman losunarhraða sprunguoddsins og seiglu millilagsbrota. Stærð til að ákvarða hvort lagskiptingin er að þenjast út. Bilunarferlið í fjölátta lagskiptum er flókið.^[11,12], sem einkennist af marktækum R viðnámskúrfum^[5,13]Núverandi viðmið um lagskipta útþenslu taka ekki tillit til þessa eiginleika og eiga ekki við um hermun á aflögunarhegðun trefjainnihaldandi brúaðra fjölátta lagskipta. Gong o.fl.^{[10, 13]}bætti núverandi lagskipta útþensluviðmið og lagði til að R-viðnámskúrfan yrði innleidd í viðmiðin, og byggði á þessu var lagskipta útþensluviðmið komið á fót sem tók tillit til áhrifa ljósleiðarabrúnar. Skilgreining og notkunarbreytur tvílínulegrar samheldnieiningar voru kerfisbundið rannsakaðar með tölulegum aðferðum, þar á meðal upphaflegur stífleiki viðmótsins, styrkur viðmótsins, seigjustuðullinn og lágmarksfjöldi þátta í samheldnikraftsvæðinu. Samsvarandi samheldnieiningarbreytulíkan var komið á fót. Að lokum er skilvirkni og notagildi bættra lagskipta útþensluviðmiða og samheldnieiningarbreytulíkansins staðfest með stöðugri lagskiptingarprófun. Hins vegar er aðeins hægt að nota bættu viðmiðin fyrir einsvíddar lagskiptar hermir vegna staðsetningarháttar og ekki fyrir tví- eða þrívíddar stigveldisútvíkkanir. Til að leysa þetta vandamál lagði höfundurinn einnig til nýjan þrílínulegan samheldnikraft sem tekur tillit til ljósleiðarabrúnar.^[14]Staðbundið samband passar við flókið ferli lagskipta útbreiðslu frá smásjársjónarmiði og hefur þá kosti að vera einfaldir breytur og skýr eðlisfræðileg merking.
Að auki, til að líkja nákvæmlega eftir lagskiptu flutningsfyrirbærinu sem er algengt í lagskiptingarferli fjölátta lagskipta^[11,12], Zhao o.fl.^[11,12]lagði til leiðbeiningarlíkan fyrir sprunguleið byggð á útvíkkuðum endanlegum þáttum, sem hermir eftir sérstakri hönnun. Stigveldisbundin flutningur í samsettri lagskiptingarprófun. Á sama tíma er lagt til lagskiptan útþenslulíkan fyrir sikksakklaga lagskipta útþensluhegðun meðfram 90°/90° lagskipta viðmótinu, sem hermir nákvæmlega eftir lagskipta útþensluhegðun 90°/90° viðmótsins.

Mynd 4 Töluleg hermun á lagskiptum flutningum og tilraunaniðurstöðum^[15]

Niðurstaða

Þessi grein fjallar um rannsóknarniðurstöður þessa hóps á sviði aflögunar samsettra lagskipta. Tilraunaþættirnir fela aðallega í sér áhrif tengifletishorns og brúarmyndunar trefja á kyrrstöðu- og þreytuaflögunarhegðun. Með fjölmörgum tilraunarannsóknum hefur komið í ljós að fjölátta bilunarferli samsettra efna er flókið. Brúarmyndun trefja er algengur herðingarferli í fjölátta lagskiptum, sem er aðalástæðan fyrir R-mótstöðukúrfunni fyrir brotseigju milli lagskipta. Eins og er er rannsókn á R-mótstöðukúrfunni undir II lagskiptingu tiltölulega skortur og þarfnast frekari rannsókna. Byrjandi á bilunarferlinu er lagt til þreytulagskiptingarlíkan sem inniheldur ýmsa áhrifaþætti, sem er stefna rannsókna á þreytulagskiptingu. Hvað varðar tölulega hermun lagði rannsóknarhópurinn til bætt stigveldisþensluviðmið og samheldið byggingarlíkan til að taka tillit til áhrifa trefjabrúar á lagskipta þensluhegðun. Að auki er útvíkkað endanlegt þáttur notaður til að herma betur eftir stigveldisflutningsfyrirbærinu. Þessi aðferð útilokar þörfina fyrir fína frumuskiptingu og útrýmir vandamálum sem tengjast endurskiptingu möskva. Það hefur einstaka kosti við að herma lagskiptingu handahófskenndra forma og þörf er á frekari rannsóknum á verkfræðilegri notkun þessarar aðferðar í framtíðinni.^[16].

Heimildir

[1] Y Gong, L Zhao, J Zhang, N Hu. Nýstárleg líkan til að ákvarða þreytuþol gegn eyðingu í samsettum lagskiptum efnum frá sjónarhóli orku. Compos Sci Technol 2018; 167: 489-96.
[2] L Zhao, Y Wang, J Zhang, Y Gong, N Hu, N Li. XFEM-byggð líkan til að herma eftir vaxtarþróun í lagskiptum samsettum efnum við hleðslu í fyrsta stigi. Compos Struct 2017; 160: 1155-62.
[3] L Zhao, Y Gong, J Zhang, Y Wang, Z Lu, L Peng, N Hu. Ný túlkun á vaxtarhegðun þreytueyðingar í fjölátta CFRP-laminötum. Compos Sci Technol 2016; 133: 79-88.
[4] L Peng, J Zhang, L Zhao, R Bao, H Yang, B Fei. Vöxtur aflögunar í gerð I í fjölátta samsettum lagskiptum undir þreytuálagi. J Compos Mater 2011; 45: 1077-90.
[5] L Zhao, Y Wang, J Zhang, Y Gong, Z Lu, N Hu, J Xu. Líkan af brotþoli á jafnsléttu í fjölátta CFRP-lagskiptum við álag í stillingu I, sem er háð snertifleti. Composites Part B: Engineering 2017; 131: 196-208.
[6] L Zhao, Y Gong, J Zhang, Y Chen, B Fei. Hermun á vexti afmyndunar í fjölátta lagskiptum undir álagi í stillingu I og blandaðri stillingu I/II með því að nota samloðandi frumefni. Compos Struct 2014; 116: 509-22.
[7] Y Gong, B Zhang, L Zhao, J Zhang, N Hu, C Zhang. Hegðun R-kúrfu blandaðrar I/II aflögunar í kolefnis-/epoxýlagskiptum með einátta og fjölátta tengifleti. Compos Struct 2019. (Í endurskoðun).
[8] L Peng, J Xu, J Zhang, L Zhao. Blandaður vaxtarhraði fjölátta samsettra lagskipta við þreytuálag. Eng Fract Mech 2012; 96: 676-86.
[9] J Zhang, L Peng, L Zhao, B Fei. Vaxtarhraði og þröskuldar þreytueyðingar í samsettum lagskiptum undir blandaðri álagsaðferð. Int J Fatigue 2012; 40: 7-15.
[10] Y Gong, L Zhao, J Zhang, Y Wang, N Hu. Viðmið um útbreiðslu aflögunar, þar á meðal áhrif brúarmyndunar trefja fyrir blandaða I/II aflögun í fjölátta CFRP lagskiptum. Compos Sci Technol 2017; 151: 302-9.
[11] Y Gong, B Zhang, SR Hallett. Flutningur á aflagningu í fjölátta samsettum lagskiptum undir kvasístöðuálagi og þreytuálagi í stillingu I. Compos Struct 2018; 189: 160-76.
[12] Y Gong, B Zhang, S Mukhopadhyay, SR Hallett. Tilraunakennd rannsókn á flutningi aflagningar í fjölátta lagskiptum undir stöðuálagi og þreytuálagi í stillingu II, með samanburði við stillingu I. Compos Struct 2018; 201: 683-98.
[13] Y Gong, L Zhao, J Zhang, N Hu. Bætt veldislögmál fyrir útbreiðslu aflagningar með áhrifum stórfelldrar brúarmyndunar trefja í samsettum fjölátta lagskiptum. Compos Struct 2018; 184: 961-8.
[14] Y Gong, Y Hou, L Zhao, W Li, G Yang, J Zhang, N Hu. Nýstárleg þriggja línuleg samheldnissvæðislíkan fyrir vöxt afmyndunar í DCB-lagskiptum með áhrifum trefjabrúar. Compos Struct 2019. (Á eftir að skila inn)
[15] L Zhao, J Zhi, J Zhang, Z Liu, N Hu. XFEM hermun á aflögun í samsettum lagskiptum efnum. Samsett efni, hluti A: Hagnýt vísindi og framleiðsla 2016; 80: 61-71.
[16] Zhao Libin, Gong Yu, Zhang Jianyu. Rannsóknarframfarir á lagskiptri útvíkkunarhegðun trefjastyrktra samsettra lagskipta. Journal of Aeronautical Sciences 2019: 1-28.

Heimild:Gong Yu, Wang Yana, Peng Lei, Zhao Libin, Zhang Jianyu. Rannsókn á lagskiptri útvíkkunarhegðun háþróaðra kolefnistrefjastyrktra samsettra lagskipta [C]. Vélfræði og verkfræði - Töluleg útreikningur og gagnagreining 2019 fræðaráðstefna. Kínverska vélfræðifélagið, Vélfræðifélag Peking, 2019. í gegnum ixueshu