МЕХАНИКА ЖӘНЕ ТЕХНИКАЛЫҚ – Сандық есептеулер және мәліметтерді талдау
Механика және инженерия — сандық есептеулер және деректерді талдау 2019 академиялық конференциясы, 19-21 сәуір, 2019 ж., Бейжің
2019 жылғы 19-21 сәуір, Пекин, Қытай
Жетілдірілген көміртекті талшықты күшейтілген композиттік ламинаттар парағының қабаттық кеңею әрекетін зерттеу
Гонг Ю1*, Ван Яна2, Пэн Лэй3, Чжао Либин4, Чжан Цзянью1
1Чунцин университеті, Чунцин, 400044, Қытай
2Қытай авиациялық зерттеу институты Пекин аэронавигациялық материалдар зерттеу институты, Пекин, 100095, Қытай
3Қытайдың коммерциялық ұшақтары Бейжің азаматтық әуе кемелерінің технологиясын зерттеу орталығы, Пекин, 102211, Қытай
4Пекин аэронавтика және астронавтика университеті, Пекин, 100191, Қытай
АннотацияЛаминат құрылымы композиттер үшін ең жиі қолданылатын композиттік конфигурациялардың бірі болып табылады, бірақ қабатаралық әлсіз қасиеттерге байланысты қабаттасу оның негізгі бұзылу режиміне айналады. Инженерлік тәжірибеде жиі қолданылатын көпқабатты ламинаттың стратификациясы және кеңею әрекеті туралы зерттеулер әрқашан ғалымдар үшін өзекті тақырып болды. Бұл жұмыста Чунцин университетінде және Пекин аэронавтика және астронавтика университетінің шаршау сынықтары зертханасында көміртекті талшықты күшейтілген композициялық деламинацияның зерттеу нәтижелері эксперименттік зерттеулер мен сандық модельдеудің екі аспектілерінен енгізілген. Соңында кен орнының даму бағыты күтілуде.
Түйін сөздер:көміртекті талшықты күшейтілген композит, ламинат, қабаттасу, шаршау стратификациясы
кіріспе
Композиттік материалдар жоғары меншікті беріктік пен жоғары меншікті қаттылық сияқты тамаша қасиеттерге ие және аэроғарышта, энергетикалық технологияда, азаматтық көлік пен құрылыста кеңінен қолданылады. Композиттік материалдарды өңдеу және пайдалану кезінде талшықтар мен матрица жүктеме кезінде әртүрлі дәрежедегі зақымдануға ұшырайды. Композиттік ламинаттардың жалпы ақаулық режимдері қабат аралық зақымдануды және қабаттар ішіндегі зақымдануды қамтиды. Қалыңдық бағытында арматураның болмауына байланысты ламинаттың бүйірлік механикалық қасиеттері нашар және сыртқы әсер ету жүктемелері кезінде қабаттасудың зақымдалу ықтималдығы жоғары. Қабатты зақымданудың пайда болуы және кеңеюі құрылымның қаттылығы мен беріктігінің төмендеуіне әкеледі, тіпті апатты апаттарды тудырады.[1-3]. Сондықтан деламинация мәселесі композиттік материалдардың құрылымдық дизайны мен беріктігін талдауға көбірек қатысты және композиттік материалдардың қабаттық кеңею әрекетін зерттеу қажет.[4].
Ламинаттың қабаттық кеңею әрекетін зерттеу
1. Эксперименттік зерттеу
Қабатаралық сыну беріктігі композиттік қабаттар арасындағы механикалық қасиеттердің тән параметрі болып табылады. I, II типті және I/II типті гибридті бір бағытты ламинаттардың қабатаралық сыну беріктігін анықтау үшін сәйкес сынақ стандарттары белгіленді. Сәйкес сынақ аппараты 1-суретте көрсетілген. Дегенмен, композиттік материалдардың көп бағытты ламинаттары нақты инженерлік құрылымда жиі қолданылады. Сондықтан көп бағытты ламинаттардың стратификациясы мен кеңею мінез-құлқын эксперименталды зерттеу маңыздырақ теориялық және инженерлік мәнге ие. Көпқабатты ламинат қабатының басталуы мен кеңеюі ерікті қабаттау бұрыштары бар интерфейстер арасында орын алады және қабатты кеңейту әрекеті бір бағытты ламинаттардан айтарлықтай ерекшеленеді және кеңейту механизмі күрделірек. Зерттеушілердің көп бағытты ламинаттарға қатысты эксперименттік зерттеулері салыстырмалы түрде аз, ал қабатаралық сынудың беріктігін анықтау халықаралық стандартты әлі орнатқан жоқ. Зерттеу тобы T700 және T800 көміртекті талшықтарын әртүрлі интерфейстік төсеу бұрыштары бар әртүрлі композиттік ламинаттарды жобалау үшін пайдаланды және интерфейсті төсеу бұрышы мен талшық көпірінің статикалық және шаршау деламинациясының әрекетіне әсерін зерттеді. Қабаттың артқы жиегінен пайда болған талшық көпірі қабатаралық сыну беріктігіне үлкен әсер ететіні анықталды. Стратификация кеңейген сайын қабатаралық сыну беріктігі төменгі бастапқы мәннен біртіндеп артады, ал стратификация белгілі бір ұзындыққа жеткенде ол тұрақты мәнге жетеді, яғни R кедергі қисығы құбылысы. Қабат аралық қабаттың бастапқы сыну беріктігі дерлік тең және шайырдың сыну беріктігіне шамамен тең, ол матрицаның өзінің сыну беріктігіне байланысты.[5, 6]. Дегенмен, әртүрлі интерфейстердің қабатаралық сыну беріктігінің ұзарту мәндері айтарлықтай өзгереді. Интерфейс қабатының бұрышына айтарлықтай тәуелділік берілген. Бұл тәуелділікке жауап ретінде Чжао және т.б.[5]стратификацияланған қарсылық көзінің физикалық механизміне сүйене отырып, қабатаралық сыну беріктігінің орнықтылық мәні екі бөліктен тұрады, бір бөлігі байланыссыз қабат интерфейсінің сыну жұмысы, ал екінші бөлігі қабат ішілік зақымдану және талшық болып табылады. Көпір салудан туындаған сыну жұмыстары. Қабатталған фронттың кернеулі алдыңғы өрісінің шекті элементтерді талдауы арқылы сыну жұмысының екінші бөлігі деламинацияның алдыңғы зақымдану аймағының тереңдігіне байланысты (3-суретте көрсетілгендей), ал зақымдану аймағының тереңдігі интерфейстің төсеу бұрышына пропорционалды екендігі анықталды. Интерфейс қабатының бұрышының синусоидалы функциясымен өрнектелген I типті сыну беріктігінің орнықтылық мәнінің теориялық моделі ұсынылған.
Гонг және т.б.[7]әртүрлі араластыру коэффициенттері бойынша I/II гибридті стратификация сынағы жүргізді және ламинаттағы I/II гибридті стратификацияның да R кедергісінің қисық сызығының маңызды сипаттамалары бар екенін анықтады. Әртүрлі сынақ бөліктері арасындағы сыну беріктігін талдау арқылы сыналатын бөліктің қабатаралық сыну беріктігінің бастапқы мәні мен тұрақты мәні араластыру коэффициентінің жоғарылауымен айтарлықтай өсетіні анықталды. Сонымен қатар, әртүрлі араластыру коэффициенттері кезінде аралық қабаттың бастапқы және тұрақты сыну беріктігін BK критерийімен сипаттауға болады.
Шаршау стратификациясы тұрғысынан сынақ кезінде талшықтардың айтарлықтай көпірленуі де байқалды. Сынақ деректерін талдау арқылы композиттік материалдың шаршау қабатының кеңеюіне «қарсылық қисығы» әсер ететіні анықталды, осылайша дәстүрлі шаршау стратификациясының кеңею жылдамдығының үлгісі және шекті мән енді қолданылмайды. Теориялық талдау негізінде Чжан мен Пэн[4,8,9]композициялық материалдардың шаршау қабатының кеңеюіне қажетті энергияны білдіру үшін шаршау қабатының кеңеюіне төзімділігін енгізді және одан әрі нормаланған деформация энергиясын ұсынды. Шығару жылдамдығы шаршаудың стратификацияланған кеңею жылдамдығының үлгісі және бақылау параметрлерінің шекті мәні болып табылады. Үлгінің және нормаланған шекті параметрдің қолдану мүмкіндігі тәжірибелер арқылы тексеріледі. Әрі қарай, Чжао және т.б.[3]талшықтар көпірінің, кернеу қатынасының және жүктеме-араласу қатынасының шаршау стратификациясы мен кеңею мінез-құлқына әсерін жан-жақты қарастырды және кернеу қатынасының әсерін ескере отырып, шаршаудың стратификацияланған кеңею жылдамдығының нормаланған моделін құрды. Модельдің дәлдігі әртүрлі кернеу коэффициенттері мен араластыру коэффициенттері бар шаршау стратификация сынақтары арқылы тексерілді. Нормаланған шаршаудың стратифицирленген кеңею жылдамдығы үлгісіндегі шаршаудың стратификацияланған кеңею кедергісінің физикалық саны үшін Гонг және т.б.[1]эксперименттер арқылы шектеулі дискретті деректер нүктелерін ғана алуға болатын есептеу әдісінің әлсіздігін жеңу және энергетикалық тұрғыдан шаршауды орнату. Қабатты ұзартылған кедергіні есептеуге арналған аналитикалық модель. Модель шаршау стратификациясын және кеңеюге төзімділігін сандық анықтауды жүзеге асыра алады және ұсынылған нормаланған шаршаудың стратификацияланған кеңею жылдамдығы моделін қолдану үшін теориялық қолдауды қамтамасыз ете алады.
1-сурет стратификацияланған сынақ құрылғысының диаграммасы
2-сурет Қабатаралық сыну беріктігі R кедергі қисығы[5]
Сурет 3 Қабатты алдыңғы жиектің зақымдану аймағы және стратификацияланған кеңейтілген морфологиясы[5]
2. Сандық имитациялық зерттеу
Қабатты кеңейтуді сандық модельдеу композиттік құрылымды жобалау саласындағы маңызды зерттеу мазмұны болып табылады. Бірбағытты құрамдас ламинаттардың қабаттасуының бұзылуын болжау кезінде қолданыстағы стратификацияның кеңею критерийлері әдетте негізгі өнімділік параметрі ретінде қабатаралық сынудың тұрақты беріктігін пайдаланады.[10], жарықшақтың ұшының энергияның бөліну жылдамдығы мен қабатаралық сынудың беріктігін салыстыру арқылы. Қабаттың кеңейіп жатқанын анықтау үшін өлшем. Көп бағытты ламинаттардың істен шығу механизмі күрделі[11,12], ол маңызды R кедергі қисықтарымен сипатталады[5,13]. Қолданыстағы қабатты кеңейту критерийлері бұл мүмкіндікті ескермейді және құрамында талшықтары бар көпірлі көпбағытты ламинаттардың қабаттасу әрекетін модельдеуге қолданылмайды. Гонг және т.б.[10, 13]қолданыстағы стратификацияланған кеңейту критерийлерін жетілдірді және критерийлерге R қарсылық қисығын енгізуді ұсынды және осының негізінде талшықтар көпірінің әсерлерін ескере отырып, стратификацияланған кеңейту критерийін белгіледі. Екісызықты конститутивтік когезиялық бірлікті анықтау және пайдалану параметрлері бастапқы интерфейс қаттылығын, интерфейстің беріктігін, тұтқырлық коэффициентін және когезиялық күш аймағындағы элементтердің ең аз санын қамтитын сандық әдістермен жүйелі түрде зерттелді. Сәйкес когезивті бірлік параметрінің моделі орнатылды. Соңында, жетілдірілген қабатты кеңейту критерийінің және біріктірілген бірлік параметрінің моделінің тиімділігі мен қолдану мүмкіндігі статикалық стратификация сынағы арқылы тексеріледі. Дегенмен, жақсартылған критерийлер екі немесе үш өлшемді иерархиялық кеңейтімдер үшін емес, позициялық тәуелділіктерге байланысты бір өлшемді деңгейлі модельдеу үшін ғана пайдаланылуы мүмкін. Бұл мәселені шешу үшін автор бұдан әрі талшық көпірін ескере отырып, жаңа үш сызықты біріктіруші күшті ұсынды.[14]. Конститутивтік қатынас микроскопиялық тұрғыдан алғанда қабаттық кеңеюдің күрделі процесіне сәйкес келеді және қарапайым параметрлер мен айқын физикалық мағынаның артықшылықтарына ие.
Сонымен қатар, көп бағытты ламинаттардың стратификация процесінде жиі кездесетін стратификациялық көші-қон құбылысын дәл модельдеу үшін[11,12], Чжао және т.б.[11,12]арнайы дизайнды имитациялайтын кеңейтілген шекті элементке негізделген жарықшақ жолын басқару моделін ұсынды. Құрама стратификация тестіндегі иерархиялық көші-қон. Сонымен қатар, 90°/90° интерфейсінің қабаттық кеңейту әрекетін дәл модельдейтін 90°/90° қабаттық интерфейс бойындағы ирек қабатты кеңейту әрекеті үшін қабатты кеңейту үлгісі ұсынылады.
4-сурет Қабатты көші-қонды сандық модельдеу және эксперимент нәтижелері[15]
Қорытынды
Бұл жұмыста осы топтың композиттік ламинаттың қабаттасуы саласындағы зерттеу нәтижелеріне назар аударылады. Эксперименттік аспектілер негізінен интерфейстің орналасу бұрышының және талшық көпірінің статикалық және шаршау қабатының кеңею әрекетіне әсерін қамтиды. Көптеген эксперименталды зерттеулер нәтижесінде композиттік материалдардың көп бағытты ламинаттың бұзылу механизмі күрделі екені анықталды. Талшықты көпірлеу көп бағытты ламинаттардың жалпы қатайту механизмі болып табылады, бұл қабатаралық сыну беріктігінің R-кедергі қисығының негізгі себебі болып табылады. Қазіргі уақытта II стратификация бойынша R қарсылық қисығын зерттеу салыстырмалы түрде жетіспейді және қосымша зерттеулерді қажет етеді. Сәтсіздік механизмінен бастап, шаршауды стратификациялауды зерттеудің бағыты болып табылатын әртүрлі әсер етуші факторларды қамтитын шаршау стратификациясының моделі ұсынылады. Сандық модельдеу тұрғысынан зерттеу тобы жақсартылған иерархиялық кеңейту критерийін және стратифицирленген кеңею мінез-құлқына талшық көпірінің әсерін қарастыру үшін біріктірілген конститутивті модельді ұсынды. Сонымен қатар кеңейтілген соңғы элемент иерархиялық көші-қон құбылысын жақсырақ модельдеу үшін пайдаланылады. Бұл әдіс тордың қайта бөлінуімен байланысты проблемаларды жоя отырып, жұқа жасушалардың бөліну қажеттілігін жояды. Ол ерікті пішіндердің стратификациясын модельдеуде бірегей артықшылықтарға ие және болашақта бұл әдісті инженерлік қолданбалы зерттеулер қажет.[16].
Анықтамалар
[1] Ю Гон, Л Чжао, Дж Чжан, Н Ху. Энергия тұрғысынан композиттік ламинаттардың шаршау қабатының түсуіне төзімділігін анықтаудың жаңа үлгісі. Compos Sci Technol 2018; 167: 489-96.
[2] Л Чжао, Ы Ван, Дж Чжан, Ы Гонг, Н Ху, Н Ли. I жүктеу режимінде ламинатталған композиттердегі зигзагты қабаттасудың өсуін модельдеуге арналған XFEM негізіндегі модель. Compos Struct 2017; 160: 1155-62.
[3] Л Чжао, Ы Гон, Дж Чжан, У Ван, З Лу, Л Пэн, Н Ху. CFRP көп бағытты ламинаттарында шаршау деламинациясының өсу әрекетінің жаңа түсіндірмесі. Compos Sci Technol 2016; 133: 79-88.
[4] Л Пэн, Дж Чжан, Л Чжао, Р Бао, Х Ян, Б Фэй. Шаршау жүктемесі кезінде көп бағытты композиттік ламинаттардың қабаттасуының I режимі. J Compos Mater 2011; 45: 1077-90.
[5] Л Чжао, Ы Ван, Дж Чжан, Ы Гун, Ц Лу, Н Ху, Дж Сю. I жүктеу режиміндегі көп бағытты CFRP ламинаттарында плато сынуы беріктігінің интерфейске тәуелді моделі. Композиттер В бөлімі: Инженерлік 2017; 131: 196-208.
[6] Л Чжао, Ы Гон, Дж Чжан, Ю Чен, Б Фэй. Біріктіруші элементтерді қолдану арқылы I режимде және аралас режимде I/II жүктемелер кезінде көп бағытты ламинаттарда қабаттасудың өсуін модельдеу. Compos Struct 2014; 116: 509-22.
[7] Ю Гон, Б Чжан, Л Чжао, Дж Чжан, Н Ху, Ц Чжан. Бір бағытты және көп бағытты интерфейстері бар көміртекті/эпоксидті ламинаттардағы аралас режимдегі I/II қабаттасудың R-қисық әрекеті. Compos Struct 2019. (Шолуда).
[8] Л Пэн, Дж Сю, Дж Чжан, Л Чжао. Шаршау жүктемесі кезінде көп бағытты композиттік ламинаттардың аралас режимдегі деламинациясының өсуі. Eng Fract Mech 2012; 96: 676-86.
[9] Дж Чжан, Л Пэн, Л Чжао, Б Фэй. Аралас режимдегі жүктеме кезінде композиттік ламинаттардың шаршау қабатының өсу қарқыны және шектері. Int J Fatigue 2012; 40: 7-15.
[10] Ю Гун, Л Чжао, Дж Чжан, У Ван, Н Ху. CFRP көп бағытты ламинаттарында аралас режимдегі I/II қабаттасуға талшықтар көпірінің әсерін қоса алғанда, деламинацияның таралу критерийі. Compos Sci Technol 2017; 151: 302-9.
[11] Ю Гонг, Б Чжан, СР Халлетт. I режимдегі квазистатикалық және шаршау жүктемесі кезінде көп бағытты композиттік ламинаттарда деламинация миграциясы. Compos Struct 2018; 189: 160-76.
[12] Ю Гонг, Б Чжан, С Мухопадхьяй, СР Халлетт. II режимдегі статикалық және шаршау жүктемесі кезінде көп бағытты ламинаттарда қабаттасудың көшуіне эксперименттік зерттеу, I режимімен салыстыру. Compos Struct 2018; 201: 683-98.
[13] Ю Гон, Л Чжао, Дж Чжан, Н Ху. Композиттік көп бағытты ламинаттарда кең ауқымды талшықтар көпірінің әсерімен қабаттасудың таралуына арналған жақсартылған қуат заңының критерийі. Compos Struct 2018; 184: 961-8.
[14] Ю Гон, Ю Хоу, Л Чжао, В Ли, Г Ян, Дж Чжан, Н Ху. Талшықты көпірдің әсерімен DCB ламинаттарында қабаттасудың өсуіне арналған жаңа үш сызықты когезиялық аймақ моделі. Compos Struct 2019. (Жіберу керек)
[15] Л Чжао, Дж Чжи, Дж Чжан, З Лю, Н Ху. Композиттік ламинаттарда қабаттасуды XFEM модельдеу. Композиттер А бөлігі: қолданбалы ғылым және өндіріс 2016; 80: 61-71.
[16] Чжао Либин, Гун Ю, Чжан Цзянью. Талшықты күшейтілген композиттік ламинаттардың стратификацияланған кеңею әрекеті бойынша зерттеулердің барысы. Aeronautical Sciences журналы 2019: 1-28.
Дереккөз:Гонг Ю, Ван Яна, Пэн Лэй, Чжао Либин, Чжан Цзяню. Көміртекті талшықты күшейтілген композиттік ламинаттардың стратификацияланған кеңею әрекетін зерттеу[C]. Механика және инженерия - сандық есептеу және деректерді талдау 2019 академиялық конференциясы. Қытай механика қоғамы, Пекин механика қоғамы, 2019 ж. арқылы Иксюшю
Жіберу уақыты: 15 қараша 2019 ж