MEKANIK DAN TEKNIK - Komputasi Numerik lan Analisis Data
Mekanika lan Teknik - Kalkulasi Numerik lan Analisis Data 2019 Konferensi Akademik, 19-21 April 2019, Beijing
19-21 April 2019, Beijing, China
Sinau babagan Prilaku Ekspansi Berlapis saka Lembar Laminasi Komposit Bertulang Serat Karbon Lanjut
Gong Yu1*, Wang Yana2, Peng Lei3, Zhao Libin4, Zhang Jianyu1
1Universitas Chongqing, Chongqing, 400044, China
2China Aviation Research Institute Beijing Aeronautical Materials Research Institute, Beijing, 100095, China
3China Commercial Aircraft Beijing Civil Aircraft Technology Research Center, Beijing, 102211, China
4Universitas Aeronautika lan Astronautika Beijing, Beijing, 100191, China
AbstrakStruktur laminasi minangka salah sawijining konfigurasi komposit sing paling umum digunakake kanggo komposit, nanging delaminasi dadi mode kegagalan utama amarga sifat interlaminar sing lemah. Riset babagan stratifikasi laminate multi-lapisan lan prilaku ekspansi sing umum digunakake ing praktik teknik mesthi dadi topik panas kanggo para sarjana. Ing makalah iki, asil riset delaminasi komposit sing dikuatake serat karbon ing Universitas Chongqing lan Laboratorium Fraktur Kelelahan Universitas Aeronautika lan Astronautik Beijing dikenalake saka rong aspek riset eksperimen lan simulasi numerik. Pungkasan, arah pangembangan lapangan diprospek.
tembung kunci:serat karbon dikiataken komposit, laminate, delamination, stratifikasi lemes
pambuka
Bahan komposit duweni sifat sing apik kayata kekuatan spesifik sing dhuwur lan kekakuan spesifik sing dhuwur, lan wis akeh digunakake ing aerospace, teknologi energi, lan transportasi sipil lan konstruksi. Sajrone pangolahan lan panggunaan bahan komposit, serat lan matriks bakal ngalami tingkat kerusakan sing beda-beda sajrone beban. Mode kegagalan umum kanggo laminate komposit kalebu karusakan interlayer lan karusakan ing lapisan. Amarga kekurangan tulangan ing arah kekandelan, sifat mekanik lateral laminate kurang, lan karusakan delaminasi bisa kedadeyan ing beban impact eksternal. Kedadeyan lan ekspansi karusakan stratified bakal nyebabake nyuda kaku lan kekuatan struktural, lan malah nyebabake kacilakan bencana.[1-3]. Mulane, masalah delamination liyane lan liyane mrihatinake dening desain struktural lan analisis kekuatan saka bahan komposit, lan iku perlu kanggo sinau prilaku expansion dilapisi saka bahan komposit.[4].
Riset babagan prilaku ekspansi lapisan laminate
1. Sinau eksperimental
Ketangguhan fraktur interlaminar minangka parameter karakteristik sifat mekanik ing antarane lapisan komposit. Standar tes sing cocog wis ditetepake kanggo nemtokake ketangguhan fraktur interlaminar saka laminasi unidirectional hibrida Tipe I, Tipe II lan I / II. Apparatus test cocog ditampilake ing Figure 1. Nanging, laminates multi-arah saka bahan komposit asring digunakake ing struktur engineering nyata. Mulane, studi eksperimen babagan stratifikasi lan prilaku ekspansi saka laminate multi-arah nduweni makna teoretis lan nilai teknik sing luwih penting. Inisiasi lan ekspansi lapisan laminate multi-lapisan dumadi ing antarane antarmuka kanthi sudut lapisan sing sewenang-wenang, lan prilaku ekspansi sing dilapisi beda banget karo laminate unidirectional, lan mekanisme ekspansi luwih rumit. Peneliti duwe sawetara studi eksperimen babagan laminate multi-arah, lan penentuan ketangguhan fraktur interlaminar durung netepake standar internasional. Tim riset digunakake serat karbon T700 lan T800 kanggo desain macem-macem laminates gabungan karo ngarepke layup antarmuka beda, lan sinau pengaruh amba layup antarmuka lan serat bridging ing prilaku delamination statis lan lemes. Wis ditemokake yen jembatan serat sing dibentuk dening pinggir mburi lapisan nduweni pengaruh gedhe ing ketangguhan fraktur interlaminar. Minangka stratifikasi ngembangaken, kateguhan fraktur interlaminar bakal mboko sithik mundhak saka nilai dhisikan ngisor, lan nalika stratification tekan dawa tartamtu, iku tekan nilai stabil, yaiku, fenomena kurva resistance R. Ketangguhan fraktur awal saka interlayer meh padha lan kira-kira padha karo kateguhan fraktur resin, sing gumantung saka kekerasan fraktur matriks kasebut dhewe.[5, 6]. Nanging, nilai ekstensi ketangguhan fraktur interlaminar saka macem-macem antarmuka beda-beda. Katergantungan amba lapisan antarmuka sing penting ditampilake. Nanggepi katergantungan iki, Zhao et al.[5]adhedhasar mekanisme fisik saka sumber resistance stratified, iku dianggep sing interlaminar fraktur kateguhan nilai stabilitas kasusun saka rong bagéan, siji bagéan punika karya fraktur antarmuka lapisan unrelated, lan sisih liyane karusakan intralayer lan serat. Karya fraktur sing disebabake dening bridging. Liwat analisis unsur winates saka lapangan ngarep kaku ngarep dilapisi, iku ketemu sing bagean liya saka karya patah gumantung ambane saka zona karusakan ngarep delamination (minangka ditampilake ing Figure 3), lan ambane saka zona karusakan sebanding karo amba layup antarmuka. Model teoretis saka nilai stabilitas ketangguhan fraktur tipe I sing dituduhake dening fungsi sinusoidal sudut lapisan antarmuka ditampilake.
Gong et al.[7]nindakake tes stratifikasi hibrida I / II ing rasio campuran sing beda, lan nemokake yen stratifikasi hibrida I / II ing laminate uga nduweni karakteristik kurva resistensi R sing signifikan. Liwat analisis ketangguhan patah antarane potongan tes sing beda-beda, ditemokake yen nilai awal lan nilai stabil saka kateguhan fraktur interlaminar saka potongan tes mundhak kanthi signifikan kanthi nambah rasio campuran. Kajaba iku, kateguhan fraktur awal lan stabil saka interlayer ing rasio campuran sing beda bisa diterangake kanthi kritéria BK.
Ing babagan stratifikasi kelelahan, jembatan serat sing signifikan uga diamati sajrone tes. Liwat analisis data tes, ditemokake yen ekspansi delaminasi kelelahan saka materi komposit kena pengaruh "kurva resistensi", saengga model tingkat ekspansi stratifikasi kelelahan tradisional lan nilai ambang ora bisa ditrapake maneh. Adhedhasar analisis teoretis, Zhang lan Peng[4,8,9]ngenalaken resistance expansion delamination lemes kanggo nyebut energi sing dibutuhake kanggo expansion delamination lemes bahan komposit, lan luwih ngajokaken energi galur normalized. Tingkat rilis yaiku model tingkat ekspansi stratified fatigue lan nilai ambang parameter kontrol. Aplikasi saka model lan parameter ambang normal diverifikasi dening eksperimen. Salajengipun, Zhao et al.[3]komprehensif dianggep efek saka serat bridging, rasio kaku lan rasio mbukak-campuran ing stratifikasi lemes lan prilaku expansion, lan netepake model tingkat expansion stratified lemes normal considering pengaruh rasio kaku. Akurasi model kasebut diverifikasi kanthi tes stratifikasi kelelahan kanthi rasio stres lan rasio campuran sing beda. Kanggo jumlah fisik saka lemes stratified expansion resistance ing normalized lemes stratified expansion rate model, Gong et al.[1]ngatasi kekirangan cara pitungan sing mung bisa diwenehi titik data diskrèt winates liwat nyobi, lan netepake lemes saka sudut pandang energi. Model analitis kanggo pitungan resistensi tambah berlapis. Model kasebut bisa mujudake tekad kuantitatif stratifikasi lemes lan resistensi ekspansi, lan menehi dhukungan teoretis kanggo aplikasi model tingkat ekspansi stratifikasi lemes sing dinormalisasi.
Gambar 1 diagram piranti tes stratifikasi
Figure 2 Inter-layer fraktur kateguhan R kurva resistance[5]
Figure 3 Layered leading edge zona karusakan lan stratified morfologi lengkap[5]
2. Sinau simulasi numerik
Simulasi numerik saka ekspansi berlapis minangka konten riset penting ing bidang desain struktur komposit. Nalika prédhiksi kegagalan delaminasi laminate unidirectional komposit, kritéria ekspansi stratifikasi sing ana biasane nggunakake kateguhan fraktur interlaminar sing konstan minangka parameter kinerja dhasar.[10], kanthi mbandhingake tingkat release energi tip retak lan kateguhan fraktur interlaminar. Ukuran kanggo nemtokake yen layering ngembang. Mekanisme kegagalan laminate multi-arah rumit[11,12], sing ditondoi dening kurva resistance R sing signifikan[5,13]. Kritéria expansion lapisan ana ora njupuk fitur iki menyang akun lan ora ditrapake kanggo simulasi prilaku delamination saka serat-ngemot bridged laminates multidirectional. Gong et al.[10, 13]nambah kritéria expansion stratified ana lan ngajokaken kanggo introduce kurva resistance R menyang kritéria, lan adhedhasar iki, netepake kritéria expansion stratified considering efek saka serat bridging. Parameter definisi lan panggunaan unit kohesif konstitutif bilinear ditliti kanthi sistematis kanthi metode numerik, kalebu kaku antarmuka awal, kekuatan antarmuka, koefisien viskositas lan jumlah minimal unsur ing zona gaya kohesif. Model parameter unit kohesif sing cocog ditetepake. Pungkasan, efektifitas lan aplikasi saka kritéria ekspansi lapisan sing luwih apik lan model parameter unit kohesif diverifikasi kanthi uji stratifikasi statis. Nanging, kritéria sing luwih apik mung bisa digunakake kanggo simulasi lapisan siji dimensi amarga dependensi posisi lan ora kanggo ekstensi hirarki loro utawa telung dimensi. Kanggo ngatasi masalah iki, penulis luwih ngusulake gaya kohesif trilinear anyar sing nimbang jembatan serat.[14]. Hubungan konstitutif cocog karo proses kompleks ekspansi berlapis saka perspektif mikroskopis, lan nduweni kaluwihan paramèter sing prasaja lan makna fisik sing cetha.
Kajaba iku, supaya bisa simulasi kanthi akurat fenomena migrasi stratified umum ing proses stratifikasi laminates multi-arah.[11,12], Zhao et al.[11,12]ngajokaken model panuntun dhumateng path crack adhedhasar unsur winates lengkap, simulating desain khusus. Migrasi hierarki ing tes stratifikasi komposit. Ing wektu sing padha, model ekspansi berlapis diusulake kanggo prilaku ekspansi berlapis zigzag ing sadawane antarmuka lapisan 90 ° / 90 °, sing kanthi akurat nyimulasi prilaku ekspansi lapisan saka antarmuka 90 ° / 90 °.
Gambar 4 Simulasi numerik saka migrasi berlapis lan asil eksperimen[15]
Kesimpulan
Makalah iki fokus ing asil riset klompok iki ing bidang delaminasi laminate komposit. Aspek eksperimen utamane kalebu pengaruh sudut layup antarmuka lan jembatan serat ing prilaku ekspansi delaminasi statis lan lemes. Liwat akeh studi eksperimen, ditemokake yen mekanisme kegagalan laminate multi-arah saka bahan komposit rumit. Serat bridging minangka mekanisme toughening umum saka laminates multi-arah, kang alesan utama kanggo kurva R-resistance saka kateguhan fraktur interlaminar. Saiki, studi kurva resistensi R ing stratifikasi II relatif kurang lan mbutuhake riset luwih lanjut. Miwiti saka mekanisme kegagalan, model stratifikasi fatigue kalebu macem-macem faktor sing mengaruhi, yaiku arah riset stratifikasi fatigue. Ing babagan simulasi numerik, klompok riset ngusulake kritéria ekspansi hirarkis sing luwih apik lan model konstitutif sing kohesif kanggo nimbang pengaruh bridging serat ing prilaku ekspansi stratifikasi. Kajaba iku, unsur winates sing ditambahi digunakake kanggo simulasi fenomena migrasi hirarkis. Cara iki ngilangi kabutuhan divisi sel sing apik, ngilangi masalah sing ana gandhengane karo divisi maneh bolong. Nduweni kaluwihan unik ing simulasi stratifikasi wangun sing sewenang-wenang, lan riset aplikasi teknik luwih akeh babagan metode iki dibutuhake ing mangsa ngarep.[16].
Referensi
[1] Y Gong, L Zhao, J Zhang, N Hu. Model anyar kanggo nemtokake resistensi delaminasi lemes ing laminasi komposit saka sudut pandang energi. Compos Sci Technol 2018; 167: 489-96.
[2] L Zhao, Y Wang, J Zhang, Y Gong, N Hu, N Li. model basis XFEM kanggo simulating wutah delamination zigzag ing komposit laminated ing mode aku loading. Struktur Kompos 2017; 160: 1155-62.
[3] L Zhao, Y Gong, J Zhang, Y Wang, Z Lu, L Peng, N Hu. A interpretasi novel saka prilaku wutah delamination lemes ing CFRP multidirectional laminates. Compos Sci Technol 2016; 133:79-88.
[4] L Peng, J Zhang, L Zhao, R Bao, H Yang, B Fei. Mode I delamination wutah saka laminates komposit multidirectional ing loading lemes. J Compos Mater 2011; 45: 1077-90.
[5] L Zhao, Y Wang, J Zhang, Y Gong, Z Lu, N Hu, J Xu. Model antarmuka gumantung saka kateguhan patah dataran tinggi ing laminasi CFRP multidirectional ing mode I loading. Komposit Part B: Teknik 2017; 131: 196-208.
[6] L Zhao, Y Gong, J Zhang, Y Chen, B Fei. Simulasi wutah delamination ing laminates multidirectional ing mode I lan mode campuran I / II loadings nggunakake unsur cohesive. Struktur Kompos 2014; 116: 509-22.
[7] Y Gong, B Zhang, L Zhao, J Zhang, N Hu, C Zhang. Prilaku kurva R saka mode campuran I / II delamination ing karbon / epoxy laminates karo antarmuka unidirectional lan multidirectional. Compos Struct 2019. (Ing Review).
[8] L Peng, J Xu, J Zhang, L Zhao. Wutah delaminasi mode campuran saka laminate komposit multidirectional ing loading lemes. Eng Fract Mech 2012; 96: 676-86.
[9] J Zhang, L Peng, L Zhao, B Fei. Tingkat wutah delamination lemes lan ambang laminates komposit ing loading mode campuran. Int J Kesel 2012; 40:7-15.
[10] Y Gong, L Zhao, J Zhang, Y Wang, N Hu. Kriteria panyebaran delaminasi kalebu efek jembatan serat kanggo delaminasi mode campuran I / II ing laminates multidirectional CFRP. Compos Sci Technol 2017; 151: 302-9.
[11] Y Gong, B Zhang, SR Hallett. Migrasi delaminasi ing laminate komposit multidirectional ing mode I quasi-statis lan loading lemes. Struktur Kompos 2018; 189: 160-76.
[12] Y Gong, B Zhang, S Mukhopadhyay, SR Hallett. Sinau eksperimen babagan migrasi delaminasi ing laminate multidirectional ing mode II statis lan loading lemes, kanthi mbandhingake mode I. Struktur Kompos 2018; 201: 683-98.
[13] Y Gong, L Zhao, J Zhang, N Hu. Kriteria hukum daya sing luwih apik kanggo panyebaran delaminasi kanthi efek jembatan serat skala gedhe ing laminate multidirectional komposit. Struktur Kompos 2018; 184:961-8.
[14] Y Gong, Y Hou, L Zhao, W Li, G Yang, J Zhang, N Hu. Model zona kohesif telung linear novel kanggo pertumbuhan delaminasi ing laminasi DCB kanthi efek jembatan serat. Struktur Kompos 2019. (Kanggo dikirim)
[15] L Zhao, J Zhi, J Zhang, Z Liu, N Hu. simulasi XFEM delaminasi ing laminasi komposit. Komposit Part A: Applied Science lan Manufaktur 2016; 80:61-71.
[16] Zhao Libin, Gong Yu, Zhang Jianyu. Kemajuan riset babagan prilaku ekspansi stratified saka laminate komposit sing diperkuat serat. Jurnal Ilmu Aeronautika 2019: 1-28.
Sumber:Gong Yu, Wang Yana, Peng Lei, Zhao Libin, Zhang Jianyu.Study ing prilaku expansion stratified saka majeng serat karbon dikiataken komposit laminates[C]. Mekanika lan Teknik - Komputasi Numerik lan Analisis Data 2019 Konferensi Akademik. Masyarakat Mekanik Cina, Masyarakat Mekanik Beijing, 2019. liwat ixueshu
Wektu kirim: Nov-15-2019