MECCANICA E INGEGNERIA - Calcolo numerico e analisi dei dati
Meccanica e Ingegneria — Calcoli Numerici e Analisi dei Dati Conferenza Accademica 2019, 19-21 aprile 2019, Pechino
19-21 aprile 2019, Pechino, Cina
Studio sul comportamento di espansione a strati di fogli laminati compositi rinforzati con fibra di carbonio avanzata
Gong Yu1*, Wang Yana2, Peng Lei3, Zhao Libin4, Zhang Jianyu1
1Università di Chongqing, Chongqing, 400044, Cina
2Istituto di ricerca aeronautica cinese Istituto di ricerca sui materiali aeronautici di Pechino, Pechino, 100095, Cina
3Centro di ricerca sulla tecnologia degli aeromobili civili di Pechino, Pechino, 102211, Cina
4Università di Aeronautica e Astronautica di Pechino, Pechino, 100191, Cina
AstrattoLa struttura laminare è una delle configurazioni più comunemente utilizzate per i compositi, ma la delaminazione ne diventa la principale causa di guasti a causa delle deboli proprietà interlaminari. La ricerca sul comportamento di stratificazione e di espansione dei laminati multistrato, comunemente utilizzata nella pratica ingegneristica, è sempre stata un tema di grande attualità per gli studiosi. In questo articolo, i risultati della ricerca sulla delaminazione dei compositi rinforzati con fibra di carbonio, condotta presso il Laboratorio di Frattura a Fatica dell'Università di Chongqing e dell'Università di Aeronautica e Astronautica di Pechino, vengono presentati attraverso due aspetti della ricerca sperimentale e della simulazione numerica. Infine, vengono prospettate le direzioni di sviluppo del settore.
Parole chiave:composito rinforzato con fibra di carbonio, laminato, delaminazione, stratificazione a fatica
introduzione
I materiali compositi presentano eccellenti proprietà, come elevata resistenza specifica e elevata rigidità specifica, e sono ampiamente utilizzati nei settori aerospaziale, energetico, dei trasporti civili e delle costruzioni. Durante la lavorazione e l'utilizzo dei materiali compositi, le fibre e la matrice subiranno diversi gradi di danneggiamento sotto carico. Le modalità di guasto più comuni per i laminati compositi includono danni interstrato e danni all'interno degli strati. A causa della mancanza di rinforzo nella direzione dello spessore, le proprietà meccaniche laterali del laminato sono scarse ed è molto probabile che si verifichino danni da delaminazione sotto carichi d'impatto esterni. Il verificarsi e l'espansione di danni stratificati porterà a una diminuzione della rigidità e della resistenza strutturale e persino a incidenti catastrofici.[1-3]Pertanto, il problema della delaminazione è sempre più interessato dalla progettazione strutturale e dall'analisi della resistenza dei materiali compositi, ed è necessario studiare il comportamento di espansione a strati dei materiali compositi.[4].
Ricerca sul comportamento di espansione a strati del laminato
1. Studio sperimentale
La tenacità a frattura interlaminare è un parametro caratteristico delle proprietà meccaniche tra gli strati compositi. Sono stati stabiliti standard di prova corrispondenti per la determinazione della tenacità a frattura interlaminare di laminati unidirezionali ibridi di Tipo I, Tipo II e I/II. L'apparato di prova corrispondente è mostrato in Figura 1. Tuttavia, i laminati multidirezionali dei materiali compositi sono spesso utilizzati nelle strutture ingegneristiche reali. Pertanto, lo studio sperimentale sul comportamento di stratificazione ed espansione dei laminati multidirezionali ha un significato teorico e un valore ingegneristico più importanti. L'inizio e l'espansione degli strati nei laminati multistrato si verificano tra interfacce con angoli di stratificazione arbitrari, e il comportamento di espansione degli strati è significativamente diverso da quello dei laminati unidirezionali, e il meccanismo di espansione è più complicato. I ricercatori hanno relativamente pochi studi sperimentali sui laminati multidirezionali e la determinazione della tenacità a frattura interlaminare non ha ancora stabilito uno standard internazionale. Il team di ricerca ha utilizzato fibre di carbonio T700 e T800 per progettare una varietà di laminati compositi con diversi angoli di stratificazione dell'interfaccia e ha studiato l'influenza di quest'ultima e del ponte di fibre sul comportamento statico e di delaminazione a fatica. È stato scoperto che il ponte di fibre formato dal bordo di uscita dello strato ha una notevole influenza sulla tenacità a frattura interlaminare. Con l'espansione della stratificazione, la tenacità a frattura interlaminare aumenta gradualmente da un valore iniziale inferiore e, quando la stratificazione raggiunge una certa lunghezza, raggiunge un valore stabile, ovvero il fenomeno della curva di resistenza R. La tenacità a frattura iniziale dell'interstrato è pressoché uguale e approssimativamente uguale alla tenacità a frattura della resina, che dipende dalla tenacità a frattura della matrice stessa.[5, 6]Tuttavia, i valori di estensione della tenacità a frattura interlaminare di diverse interfacce variano notevolmente. Viene presentata una significativa dipendenza dall'angolo dello strato di interfaccia. In risposta a questa dipendenza, Zhao et al.[5]Sulla base del meccanismo fisico della sorgente di resistenza stratificata, si ritiene che il valore di stabilità della tenacità a frattura interlaminare sia composto da due parti: una rappresenta il lavoro di frattura dell'interfaccia tra strati non correlati, e l'altra il danno intrastrato e la fibra. Il lavoro di frattura è causato dal bridging. Attraverso l'analisi agli elementi finiti del campo di stress del fronte stratificato, si è scoperto che la seconda parte del lavoro di frattura dipende dalla profondità della zona di danno del fronte di delaminazione (come mostrato in Figura 3), e la profondità della zona di danno è proporzionale all'angolo di stratificazione dell'interfaccia. Viene presentato un modello teorico del valore di stabilità della tenacità a frattura di tipo I, espresso dalla funzione sinusoidale dell'angolo dello strato di interfaccia.
Gong e altri[7]hanno eseguito il test di stratificazione ibrida I/II con diversi rapporti di miscelazione e hanno riscontrato che la stratificazione ibrida I/II nel laminato presenta anche caratteristiche significative della curva di resistenza R. Analizzando la tenacità a frattura tra diversi provini, si è riscontrato che il valore iniziale e il valore stabile della tenacità a frattura interlaminare del provino aumentano significativamente con l'aumentare del rapporto di miscelazione. Inoltre, la tenacità a frattura iniziale e stabile dell'interstrato con diversi rapporti di miscelazione può essere descritta dal criterio BK.
In termini di stratificazione a fatica, è stata osservata anche una significativa formazione di ponti tra le fibre durante il test. L'analisi dei dati di prova ha evidenziato che l'espansione per delaminazione a fatica del materiale composito è influenzata dalla "curva di resistenza", rendendo il tradizionale modello di velocità di espansione per stratificazione a fatica e il valore di soglia non più applicabili. Sulla base dell'analisi teorica, Zhang e Peng[4,8,9]Hanno introdotto la resistenza all'espansione per delaminazione a fatica per esprimere l'energia richiesta per l'espansione per delaminazione a fatica dei materiali compositi e hanno inoltre proposto l'energia di deformazione normalizzata. La velocità di rilascio è il modello della velocità di espansione stratificata a fatica e il valore di soglia dei parametri di controllo. L'applicabilità del modello e del parametro di soglia normalizzato è verificata sperimentalmente. Inoltre, Zhao et al.[3]hanno considerato in modo esaustivo gli effetti del ponte di fibre, del rapporto di sforzo e del rapporto di miscelazione del carico sulla stratificazione della fatica e sul comportamento di espansione, e hanno stabilito un modello normalizzato di velocità di espansione stratificata a fatica che considera l'influenza del rapporto di sforzo. L'accuratezza del modello è stata verificata mediante test di stratificazione della fatica con diversi rapporti di sforzo e di miscelazione. Per la quantità fisica di resistenza all'espansione stratificata a fatica nel modello normalizzato di velocità di espansione stratificata a fatica, Gong et al.[1]Superare la debolezza del metodo di calcolo, che consente di ottenere solo dati discreti limitati tramite esperimenti, e determinare la fatica dal punto di vista energetico. Un modello analitico per il calcolo della resistenza estesa stratificata. Il modello consente la determinazione quantitativa della stratificazione della fatica e della resistenza all'espansione, e fornisce supporto teorico per l'applicazione del modello di velocità di espansione stratificata a fatica normalizzata proposto.
Figura 1 diagramma del dispositivo di prova stratificato
Figura 2 Curva di resistenza R alla tenacità alla frattura interstrato[5]
Figura 3 Zona di danneggiamento del bordo d'attacco stratificato e morfologia estesa stratificata[5]
2. Studio di simulazione numerica
La simulazione numerica dell'espansione stratificata è un importante contenuto di ricerca nel campo della progettazione di strutture composite. Nel prevedere la rottura per delaminazione di laminati compositi unidirezionali, i criteri di espansione stratificata esistenti utilizzano solitamente la tenacità a frattura interlaminare costante come parametro prestazionale di base.[10], confrontando il tasso di rilascio di energia all'apice della cricca e la tenacità alla frattura interlaminare. Misurare per determinare se la stratificazione si sta espandendo. Il meccanismo di rottura dei laminati multidirezionali è complesso.[11,12], che è caratterizzato da curve di resistenza R significative[5,13]Gli attuali criteri di espansione a strati non tengono conto di questa caratteristica e non si applicano alla simulazione del comportamento di delaminazione di laminati multidirezionali a ponte contenenti fibre. Gong et al.[10, 13]ha migliorato i criteri di espansione stratificata esistenti e ha proposto di introdurre la curva di resistenza R nei criteri, e sulla base di ciò, ha stabilito un criterio di espansione stratificata che considera gli effetti del ponte di fibre. La definizione e i parametri di utilizzo dell'unità coesiva coesiva bilineare sono stati studiati sistematicamente con metodi numerici, inclusi la rigidezza iniziale dell'interfaccia, la resistenza dell'interfaccia, il coefficiente di viscosità e il numero minimo di elementi nella zona di forza coesiva. È stato stabilito il corrispondente modello di parametri dell'unità coesiva. Infine, l'efficacia e l'applicabilità del criterio di espansione stratificata migliorato e del modello di parametri dell'unità coesiva sono state verificate mediante test di stratificazione statica. Tuttavia, i criteri migliorati possono essere utilizzati solo per simulazioni stratificate monodimensionali a causa delle dipendenze posizionali e non per estensioni gerarchiche bidimensionali o tridimensionali. Per risolvere questo problema, l'autore ha inoltre proposto un nuovo criterio costitutivo di forza coesiva trilineare che considera il ponte di fibre.[14]La relazione costitutiva si adatta al complesso processo di espansione stratificata da una prospettiva microscopica e presenta i vantaggi di parametri semplici e di un chiaro significato fisico.
Inoltre, per simulare accuratamente il fenomeno di migrazione stratificata comune nel processo di stratificazione dei laminati multidirezionali[11,12], Zhao e altri[11,12]È stato proposto un modello di guida del percorso di fessura basato su elementi finiti estesi, che simula un design speciale. Migrazione gerarchica in un test di stratificazione composita. Allo stesso tempo, viene proposto un modello di espansione a strati per il comportamento di espansione a zigzag lungo l'interfaccia a strati 90°/90°, che simula accuratamente il comportamento di espansione a strati dell'interfaccia 90°/90°.
Figura 4 Simulazione numerica della migrazione a strati e risultati sperimentali[15]
Conclusione
Questo articolo si concentra sui risultati della ricerca di questo gruppo nel campo della delaminazione di laminati compositi. Gli aspetti sperimentali includono principalmente l'influenza dell'angolo di stratificazione dell'interfaccia e del bridging delle fibre sul comportamento di espansione statica e a fatica della delaminazione. Attraverso un gran numero di studi sperimentali, si evince che il meccanismo di rottura multidirezionale dei laminati compositi è complesso. Il bridging delle fibre è un meccanismo di tenacizzazione comune nei laminati multidirezionali, che è la causa principale della curva di resistenza R della tenacità a frattura interlaminare. Attualmente, lo studio della curva di resistenza R con stratificazione II è relativamente carente e necessita di ulteriori ricerche. Partendo dal meccanismo di rottura, viene proposto un modello di stratificazione a fatica che include vari fattori di influenza, che rappresenta una direzione della ricerca sulla stratificazione a fatica. In termini di simulazione numerica, il gruppo di ricerca ha proposto un criterio di espansione gerarchica migliorato e un modello coesivo coesivo per considerare l'influenza del bridging delle fibre sul comportamento di espansione stratificato. Inoltre, l'elemento finito esteso viene utilizzato per simulare meglio il fenomeno di migrazione gerarchica. Questo metodo elimina la necessità di una divisione cellulare fine, eliminando i problemi associati alla ridivisione della mesh. Presenta vantaggi unici nella simulazione della stratificazione di forme arbitrarie e in futuro saranno necessarie ulteriori ricerche applicative ingegneristiche su questo metodo.[16].
Riferimenti
[1] Y Gong, L Zhao, J Zhang, N Hu. Un nuovo modello per determinare la resistenza alla delaminazione da fatica nei laminati compositi da un punto di vista energetico. Compos Sci Technol 2018; 167: 489-96.
[2] L Zhao, Y Wang, J Zhang, Y Gong, N Hu, N Li. Modello basato su XFEM per simulare la crescita della delaminazione a zigzag in compositi laminati sotto carico di modalità I. Compos Struct 2017; 160: 1155-62.
[3] L Zhao, Y Gong, J Zhang, Y Wang, Z Lu, L Peng, N Hu. Una nuova interpretazione del comportamento di crescita della delaminazione da fatica nei laminati multidirezionali CFRP. Compos Sci Technol 2016; 133: 79-88.
[4] L Peng, J Zhang, L Zhao, R Bao, H Yang, B Fei. Crescita della delaminazione in modalità I di laminati compositi multidirezionali sotto carico di fatica. J Compos Mater 2011; 45: 1077-90.
[5] L Zhao, Y Wang, J Zhang, Y Gong, Z Lu, N Hu, J Xu. Un modello dipendente dall'interfaccia della tenacità alla frattura del plateau in laminati CFRP multidirezionali sottoposti a carico in modalità I. Compositi Parte B: Ingegneria 2017; 131: 196-208.
[6] L Zhao, Y Gong, J Zhang, Y Chen, B Fei. Simulazione della crescita della delaminazione in laminati multidirezionali sottoposti a carichi di modo I e misto I/II utilizzando elementi coesivi. Compos Struct 2014; 116: 509-22.
[7] Y Gong, B Zhang, L Zhao, J Zhang, N Hu, C Zhang. Comportamento della curva R della delaminazione I/II in modalità mista in laminati carbonio/epossidica con interfacce unidirezionali e multidirezionali. Compos Struct 2019. (In fase di revisione).
[8] L Peng, J Xu, J Zhang, L Zhao. Crescita della delaminazione in modalità mista di laminati compositi multidirezionali sotto carico di fatica. Eng Fract Mech 2012; 96: 676-86.
[9] J Zhang, L Peng, L Zhao, B Fei. Tassi di crescita della delaminazione da fatica e soglie di laminati compositi sotto carico in modalità mista. Int J Fatigue 2012; 40: 7-15.
[10] Y Gong, L Zhao, J Zhang, Y Wang, N Hu. Criterio di propagazione della delaminazione, incluso l'effetto del ponte di fibre per la delaminazione in modalità mista I/II nei laminati multidirezionali CFRP. Compos Sci Technol 2017; 151: 302-9.
[11] Y Gong, B Zhang, SR Hallett. Migrazione di delaminazione in laminati compositi multidirezionali sottoposti a carico quasi-statico e a fatica in modalità I. Compos Struct 2018; 189: 160-76.
[12] Y Gong, B Zhang, S Mukhopadhyay, SR Hallett. Studio sperimentale sulla migrazione della delaminazione in laminati multidirezionali sottoposti a carico statico e di fatica in modalità II, con confronto con la modalità I. Compos Struct 2018; 201: 683-98.
[13] Y Gong, L Zhao, J Zhang, N Hu. Un criterio di legge di potenza migliorato per la propagazione della delaminazione con l'effetto di ponti di fibre su larga scala in laminati multidirezionali compositi. Compos Struct 2018; 184: 961-8.
[14] Y Gong, Y Hou, L Zhao, W Li, G Yang, J Zhang, N Hu. Un nuovo modello di zona coesiva trilineare per la crescita della delaminazione nei laminati DCB con l'effetto di ponticellamento delle fibre. Compos Struct 2019. (Da presentare)
[15] L Zhao, J Zhi, J Zhang, Z Liu, N Hu. Simulazione XFEM della delaminazione in laminati compositi. Compositi Parte A: Scienza applicata e produzione 2016; 80: 61-71.
[16] Zhao Libin, Gong Yu, Zhang Jianyu. Progressi della ricerca sul comportamento di espansione stratificata di laminati compositi rinforzati con fibre. Journal of Aeronautical Sciences 2019: 1-28.
Fonte:Gong Yu, Wang Yana, Peng Lei, Zhao Libin, Zhang Jianyu. Studio sul comportamento di espansione stratificata di laminati compositi avanzati rinforzati con fibra di carbonio [C]. Meccanica e Ingegneria - Calcolo Numerico e Analisi dei Dati, Conferenza Accademica 2019. Società Cinese di Meccanica, Società di Meccanica di Pechino, 2019. tramite ixueshu
Data di pubblicazione: 15-11-2019