기계 및 공학 - 수치 계산 및 데이터 분석
역학 및 공학 - 수치 계산 및 데이터 분석 2019 학술 대회, 2019년 4월 19일-21일, 베이징
2019년 4월 19-21일, 중국 베이징
첨단 탄소섬유 강화 복합재 적층판의 적층 팽창 거동에 관한 연구
공유1*, 왕야나2, 펭 레이3, 자오리빈4, 장젠위1
1충칭 대학교, 충칭, 400044, 중국
2중국 항공 연구소 베이징 항공 재료 연구소, 베이징, 100095, 중국
3중국 상용 항공기 베이징 민간 항공기 기술 연구 센터, 베이징, 102211, 중국
4베이징 항공우주대학교, 베이징, 100191, 중국
추상적인적층 구조는 복합재에서 가장 일반적으로 사용되는 복합재 구성 중 하나이지만, 층간 특성이 약하여 박리가 주요 파손 모드로 나타납니다. 공학 실무에서 일반적으로 사용되는 다층 적층 구조의 층화 및 팽창 거동에 대한 연구는 학자들에게 항상 뜨거운 관심사였습니다. 본 논문에서는 충칭대학교와 베이징대학교 항공우주공학 피로 파괴 실험실에서 진행한 탄소 섬유 강화 복합재 박리 연구 결과를 실험 연구와 수치 시뮬레이션의 두 가지 측면에서 소개합니다. 마지막으로, 이 분야의 발전 방향을 전망합니다.
키워드:탄소 섬유 강화 복합재, 적층, 박리, 피로 층화
소개
복합재는 높은 비강도와 비강성 등 우수한 특성을 지니고 있어 항공우주, 에너지 기술, 민간 운송 및 건설 분야에서 널리 사용되고 있습니다. 복합재의 가공 및 사용 과정에서 섬유와 매트릭스는 하중 하에서 다양한 정도의 손상을 입습니다. 복합재 적층판의 일반적인 파손 유형으로는 층간 손상과 층내 손상이 있습니다. 두께 방향의 보강재 부족으로 인해 적층판의 횡방향 기계적 특성이 저하되고, 외부 충격 하중 하에서 박리 손상이 발생할 가능성이 높습니다. 층상 손상의 발생 및 확대는 구조적 강성과 강도 저하로 이어지고, 심지어 대형 사고로 이어질 수 있습니다.[1-3]. 따라서 복합재료의 구조 설계 및 강도 해석에 있어서 층간 박리 문제가 점점 더 중요해지고 있으며, 복합재료의 층상 팽창 거동에 대한 연구가 필요하다.[4].
적층판의 층상 팽창 거동에 관한 연구
1. 실험 연구
층간 파괴인성은 복합재 층 사이의 기계적 성질을 나타내는 특성 변수입니다. Type I, Type II 및 I/II 하이브리드 단방향 적층판의 층간 파괴인성 측정을 위한 관련 시험 표준이 확립되어 있습니다. 해당 시험 장치는 그림 1에 제시되어 있습니다. 그러나 복합재의 다방향 적층판은 실제 엔지니어링 구조에 자주 사용됩니다. 따라서 다방향 적층판의 층화 및 팽창 거동에 대한 실험 연구는 더 중요한 이론적 의의와 공학적 가치를 지닙니다. 다층 적층판의 층화 시작 및 팽창은 임의의 층화 각도를 갖는 계면 사이에서 발생하며, 층상 팽창 거동은 단방향 적층판의 층화와 크게 다르고 팽창 메커니즘도 더 복잡합니다. 다방향 적층판에 대한 실험 연구는 상대적으로 적으며, 층간 파괴인성 측정에 대한 국제 표준은 아직 확립되지 않았습니다. 연구팀은 T700과 T800 탄소 섬유를 사용하여 다양한 계면 적층 각도를 갖는 다양한 복합재 적층판을 설계하고, 계면 적층 각도와 섬유 가교가 정적 및 피로 박리 거동에 미치는 영향을 연구했습니다. 층 후단에 의해 형성되는 섬유 가교가 층간 파괴인성에 큰 영향을 미치는 것으로 나타났습니다. 층간 파괴인성은 성층화가 진행됨에 따라 낮은 초기값에서 점차 증가하다가, 성층화가 일정 길이에 도달하면 안정적인 값, 즉 R 저항 곡선 현상에 도달합니다. 층간 파괴인성의 초기 파괴인성은 수지의 파괴인성과 거의 동일하며, 이는 매트릭스 자체의 파괴인성에 따라 달라집니다.[5, 6]그러나 계면층 간 파괴인성 신장 값은 계면층마다 큰 차이를 보인다. 계면층 각도 의존성이 유의미하게 제시되었다. 이러한 의존성에 대한 Zhao et al.의 연구 결과는 다음과 같다.[5]층상 저항원의 물리적 메커니즘을 기반으로, 층간 파괴인성 안정도는 두 부분으로 구성된다고 여겨집니다. 한 부분은 비관련 층 계면의 파괴 일이며, 다른 부분은 층내 손상 및 섬유입니다. 브리징에 의해 발생하는 파괴 일. 층상 전면의 응력 전선 필드에 대한 유한 요소 해석을 통해 파괴 일의 두 번째 부분은 박리 전면 손상 영역의 깊이(그림 3 참조)에 따라 달라지며, 손상 영역의 깊이는 계면 레이업 각도에 비례함을 알 수 있습니다. 계면층 각도의 사인 함수로 표현되는 I형 파괴인성 안정도 값의 이론적 모델을 제시합니다.
공 등[7]다양한 혼합비에서 I/II 하이브리드 층상 시험을 수행한 결과, 적층판의 I/II 하이브리드 층상도 유의미한 R 저항 곡선 특성을 나타냄을 확인했습니다. 다양한 시험편 간의 파괴인성 분석을 통해, 시험편의 층간 파괴인성의 초기값과 안정값이 혼합비가 증가함에 따라 유의미하게 증가함을 확인했습니다. 또한, 다양한 혼합비에서 층간층의 초기 및 안정 파괴인성은 BK 기준으로 설명할 수 있습니다.
피로 층화 측면에서도 시험 중 상당한 섬유 가교 현상이 관찰되었습니다. 시험 데이터 분석을 통해 복합재의 피로 박리 팽창이 "저항 곡선"의 영향을 받는 것으로 나타났으며, 따라서 기존의 피로 층화 팽창률 모델과 임계값은 더 이상 적용할 수 없습니다. 이론적 분석을 바탕으로 Zhang과 Peng은[4,8,9]복합재료의 피로 박리 팽창에 필요한 에너지를 표현하기 위해 피로 박리 팽창 저항을 도입하고, 나아가 정규화된 변형률 에너지를 제안했습니다. 방출 속도는 피로 층화 팽창률 모델과 제어 변수의 임계값입니다. 모델과 정규화된 임계값 변수의 적용 가능성은 실험을 통해 검증되었습니다. 또한, Zhao 등은[3]섬유 가교, 응력비, 하중-혼합비가 피로 층화 및 팽창 거동에 미치는 영향을 종합적으로 고려하고, 응력비의 영향을 고려한 정규화된 피로 층화 팽창률 모델을 확립했습니다. 이 모델의 정확성은 다양한 응력비와 혼합비를 적용한 피로 층화 시험을 통해 검증되었습니다. 정규화된 피로 층화 팽창률 모델에서 피로 층화 팽창 저항의 물리량에 대해 Gong et al.[1]실험을 통해 제한된 이산 데이터 포인트만 얻을 수 있다는 계산법의 약점을 극복하고, 에너지 관점에서 피로를 규명한다. 층화 확장 저항 계산을 위한 해석적 모델을 제시한다. 이 모델은 피로 층화 및 팽창 저항을 정량적으로 결정하고, 제안된 정규화 피로 층화 팽창률 모델의 적용에 대한 이론적 근거를 제공한다.
그림 1 층화 테스트 장치 다이어그램
그림 2 층간 파괴인성 R 저항 곡선[5]
그림 3 층상 선단 손상 영역 및 층상 확장 형태[5]
2. 수치 시뮬레이션 연구
층상 팽창에 대한 수치 시뮬레이션은 복합재 구조 설계 분야에서 중요한 연구 내용입니다. 복합재 단방향 적층판의 박리 파괴를 예측할 때, 기존의 층상 팽창 기준은 일반적으로 일정한 층간 파괴인성을 기본 성능 매개변수로 사용합니다.[10]균열 선단 에너지 방출률과 층간 파괴인성을 비교하여 층층이 팽창하는지 여부를 확인합니다. 다방향 적층판의 파괴 메커니즘은 복잡합니다.[11,12], 이는 중요한 R 저항 곡선을 특징으로 합니다.[5,13]기존의 층상 팽창 기준은 이러한 특성을 고려하지 않으며, 섬유를 포함하는 가교 다방향 적층판의 박리 거동 시뮬레이션에는 적용되지 않습니다. Gong et al.[10, 13]기존의 층상 팽창 기준을 개선하고, R 저항 곡선을 기준에 도입하는 방안을 제안하였으며, 이를 바탕으로 섬유 가교 효과를 고려한 층상 팽창 기준을 확립하였다. 초기 계면 강성, 계면 강도, 점성 계수, 그리고 응집력 영역의 최소 요소 개수를 포함한 이중선형 구성 응집력 단위의 정의 및 사용 매개변수를 수치해석을 통해 체계적으로 연구하였다. 이를 통해 해당 응집력 단위 매개변수 모델을 확립하였다. 마지막으로, 개선된 층상 팽창 기준과 응집력 단위 매개변수 모델의 효과와 적용 가능성을 정적 층상 실험을 통해 검증하였다. 그러나 개선된 기준은 위치 의존성으로 인해 1차원 층상 시뮬레이션에만 사용할 수 있으며, 2차원 또는 3차원 계층적 확장에는 사용할 수 없다. 이 문제를 해결하기 위해 저자는 섬유 가교 효과를 고려한 새로운 삼중선형 응집력 구성 기준을 제안하였다.[14]. 구성적 관계는 미시적 관점에서 볼 때 층적 팽창의 복잡한 과정에 적합하며, 매개변수가 간단하고 물리적 의미가 명확하다는 장점이 있습니다.
또한 다방향 적층판의 층화 공정에서 흔히 발생하는 층화 이동 현상을 정확하게 시뮬레이션하기 위해[11,12], Zhao et al.[11,12]특수 설계를 시뮬레이션하는 확장 유한 요소 기반의 균열 경로 유도 모델을 제안했습니다. 복합재 층화 시험에서의 계층적 이동을 시뮬레이션합니다. 동시에, 90°/90° 층상 경계면을 따라 발생하는 지그재그 층상 팽창 거동에 대한 층상 팽창 모델을 제안합니다. 이 모델은 90°/90° 계면의 층상 팽창 거동을 정확하게 시뮬레이션합니다.
그림 4 계층적 마이그레이션의 수치 시뮬레이션 및 실험 결과[15]
결론
본 논문은 복합재 적층판 박리 분야에서 본 연구팀의 연구 결과에 중점을 두고 있습니다. 실험적 측면은 주로 계면 레이업 각도와 섬유 가교가 정적 및 피로 박리 팽창 거동에 미치는 영향을 포함합니다. 다수의 실험 연구를 통해 복합재의 다방향 적층판 파괴 메커니즘이 복잡하다는 것을 알 수 있습니다. 섬유 가교는 다방향 적층판의 일반적인 강화 메커니즘으로, 층간 파괴인성의 R-저항 곡선의 주요 원인입니다. 현재 II 층화 조건에서의 R-저항 곡선 연구는 상대적으로 부족하며 추가 연구가 필요합니다. 파괴 메커니즘을 기반으로 다양한 영향 요인을 포함하는 피로 층화 모델을 제안하며, 이는 피로 층화 연구의 한 방향입니다. 수치 시뮬레이션 측면에서, 연구팀은 섬유 가교가 층화 팽창 거동에 미치는 영향을 고려하기 위해 개선된 계층적 팽창 기준과 응집력 있는 구성 모델을 제안했습니다. 또한, 확장된 유한 요소를 사용하여 계층적 이동 현상을 더욱 효과적으로 모사했습니다. 이 방법은 미세한 셀 분할이 필요 없으므로 메시 재분할과 관련된 문제를 해결합니다. 임의 형상의 계층화를 시뮬레이션하는 데 있어 독보적인 장점을 가지고 있으며, 향후 이 방법에 대한 더 많은 공학적 응용 연구가 필요합니다.[16].
참고문헌
[1] Y Gong, L Zhao, J Zhang, N Hu. 에너지 관점에서 복합재 적층판의 피로 박리 저항성을 결정하기 위한 새로운 모델. Compos Sci Technol 2018; 167: 489-96.
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[15] L Zhao, J Zhi, J Zhang, Z Liu, N Hu. 복합재 적층판의 박리에 대한 XFEM 시뮬레이션. 복합재 A부: 응용 과학 및 제조 2016; 80: 61-71.
[16] Zhao Libin, Gong Yu, Zhang Jianyu. 섬유 강화 복합재 적층판의 층상 팽창 거동에 대한 연구 진행 상황. 항공 과학 저널 2019: 1-28.
원천:Gong Yu, Wang Yana, Peng Lei, Zhao Libin, Zhang Jianyu. 고급 탄소 섬유 강화 복합재 적층판의 층상 팽창 거동에 관한 연구[C]. 역학 및 공학 - 수치 계산 및 데이터 분석 2019 학술대회. 중국역학회, 베이징역학회, 2019. ~을 통해 익수
게시 시간: 2019년 11월 15일