МЕХАНИКА ЖАНА ИНЖЕНЕРЛЕР — Сандык эсептөөлөр жана маалыматтарды талдоо
Механика жана инженерия — Сандык эсептөөлөр жана маалыматтарды талдоо 2019 Академиялык конференция, 19-21-апрель, 2019-жыл, Пекин
19-21-апрель, 2019-жыл, Пекин, Кытай
Өркүндөтүлгөн көмүртек буласы менен бекемделген композиттик ламинаттар барактын катмарлуу кеңейүү жүрүм-турумун изилдөө
Гонг Ю1*, Ван Яна2, Пэн Лей3, Чжао Либин4, Чжан Цзянью1
1Чунцин университети, Чунцин, 400044, Кытай
2Кытай авиациялык изилдөө институту Пекин аэронавигациялык материалдарды изилдөө институту, Пекин, 100095, Кытай
3Кытай коммерциялык учак Пекин жарандык учак технологиясын изилдөө борбору, Пекин, 102211, Кытай
4Пекин аэронавтика жана астронавтика университети, Пекин, 100191, Кытай
РефератЛаминаттын структурасы композиттер үчүн эң көп колдонулган композиттик конфигурациялардын бири, бирок алсыз interlaminar касиеттеринен улам деламинация анын негизги бузулуу режимине айланат. Инженердик практикада кеңири колдонулган көп катмарлуу ламинат стратификациясы жана кеңейүү жүрүм-туруму боюнча изилдөөлөр ар дайым окумуштуулар үчүн ысык тема болуп келген. Бул макалада Чунцин университетинде жана Пекиндеги аэронавтика жана астронавтика университетинин чарчоо сыныктарынын лабораториясында көмүртек буласы менен бекемделген композиттик деламинациянын изилдөө натыйжалары эксперименталдык изилдөөлөрдүн жана сандык симуляциянын эки аспектисинен киргизилген. Акырында кенди иштетүү багыты болжолдонууда.
Ачкыч сөздөр:көмүртек буласы менен бекемделген композит, ламинат, деламинация, чарчоо стратификациясы
киришүү
Композиттик материалдар жогорку өзгөчө күч жана жогорку өзгөчө катуулук сыяктуу сонун касиеттерге ээ жана аэрокосмостук, энергетикалык технологияда, жарандык транспортто жана курулушта кеңири колдонулат. Композиттик материалдарды иштетүү жана колдонуу учурунда жипчелер жана матрицалар жүктүн астында ар кандай даражадагы зыянга учурайт. Композиттик ламинаттардын жалпы бузулуу режимдерине катмар аралык бузулуу жана катмарлардын ичиндеги зыян кирет. Жоондук багытында арматуранын жоктугунан ламинаттын каптал механикалык касиеттери начар, сырттан таасир эткен жүктөрдүн астында деламинациянын бузулушу ыктымал. Стратификацияланган зыяндын пайда болушу жана кеңейиши структуралык катуулуктун жана бекемдиктин төмөндөшүнө алып келет, ал тургай катастрофалык аварияларды пайда кылат.[1-3]. Ошондуктан, деламинация маселеси композиттик материалдардын структуралык дизайны жана бекемдигин талдоо менен көбүрөөк байланыштуу жана композиттик материалдардын катмарлуу кеңейүү жүрүм-турумун изилдөө зарыл.[4].
Ламинаттын катмарлуу кеңейүү жүрүм-турумун изилдөө
1. Эксперименталдык изилдөө
Ламинар аралык сынуу бышыктыгы курама катмарлардын ортосундагы механикалык касиеттердин мүнөздүү параметри болуп саналат. Тиешелүү сыноо стандарттары I, Type II жана I/II гибриддик бир багыттуу ламинаттардын катмар аралык сынуу бекемдигин аныктоо үчүн белгиленген. Тиешелүү сыноо аппараты 1-сүрөттө көрсөтүлгөн. Бирок композиттик материалдардын көп багыттуу ламинаттары көп учурда чыныгы инженердик түзүлүштө колдонулат. Ошондуктан, көп багыттуу ламинаттардын катмарлануу жана кеңейүү жүрүм-туруму боюнча эксперименталдык изилдөө кыйла маанилүү теориялык мааниге жана инженердик мааниге ээ. Көп катмарлуу ламинат катмарынын башталышы жана кеңейиши ыктыярдуу катмарлоо бурчтары бар интерфейстердин ортосунда пайда болот жана катмарлуу кеңейүү жүрүм-туруму бир багыттуу ламинаттардан бир топ айырмаланат жана кеңейүү механизми татаалыраак. Окумуштуулар көп багыттуу ламинаттарды салыштырмалуу азыраак эксперименталдык изилдөөлөргө ээ, ал эми катмарлар аралык сынуу бышыктыгын аныктоо эл аралык стандартты орното элек. Изилдөө тобу T700 жана T800 көмүртек буласын ар кандай интерфейстин жайгашуу бурчтары менен ар кандай композиттик ламинаттарды долбоорлоо үчүн колдонгон жана интерфейстин жайгашуу бурчунун жана була көпүрөсүнүн статикалык жана чарчоо деламинациясынын жүрүм-турумуна таасирин изилдеген. Кабаттын арткы четинен пайда болгон була көпүрөсү катмарлар аралык сынуу катуулугуна чоң таасир этээри аныкталган. Стратификация кеңейген сайын катмарлар аралык сынуу катаалдыгы төмөнкү баштапкы мааниден акырындык менен жогорулайт, ал эми катмарлануу белгилүү бир узундукка жеткенде туруктуу чоңдукка, башкача айтканда, R каршылык ийри кубулушуна жетет. Кабат аралык катмардын сынууга алгачкы бышыктыгы дээрлик бирдей жана болжол менен чайырдын сынуу бышыктыгына барабар, ал матрицанын өзүнүн сынууга катуулугунан көз каранды.[5, 6]. Бирок, ар кандай интерфейстердин катмарлар аралык сынуу катуулугун узартуу маанилери абдан айырмаланат. Интерфейс катмарынын бурчтун олуттуу көз карандылыгы көрсөтүлөт. Бул көз карандылыкка жооп кылып, Чжао жана башкалар.[5]катмарлуу каршылык булагынын физикалык механизминин негизинде, ал interlaminar сынган бышыктык туруктуулук мааниси эки бөлүктөн турат деп эсептелет, бир бөлүгү байланышы жок катмар интерфейсинин сынык иштери болуп саналат, ал эми экинчи бөлүгү intralayer зыян жана була болуп саналат. Көпүрөдөн улам жарака кеткен жумуш. Катмарлуу фронттун чыңалуу фронтунун чектүү элементтерин талдоо аркылуу сынык иштеринин экинчи бөлүгү деламинация фронтунун бузулуу зонасынын тереңдигине (3-сүрөттө көрсөтүлгөндөй) көз каранды экени, ал эми бузулуу зонасынын тереңдиги интерфейстин жайгашуу бурчуна пропорционалдуу экендиги аныкталды. Интерфейс катмарынын бурчунун синусоидалдык функциясы менен туюнтулган I-типтеги сынуу катуулугунун туруктуулук маанисинин теориялык модели берилген.
Гонг жана башкалар.[7]I/II гибриддик стратификация сынагын ар кандай аралаштыруу катыштары астында жүргүзгөн жана ламинаттагы I/II гибриддик стратификациянын да R каршылык ийри сызыгынын олуттуу мүнөздөмөлөрүнө ээ экенин аныктаган. Ар кандай сыналуучу кесимдердин ортосундагы сынуу бышыктыгын талдоо аркылуу, аралашма катышынын көбөйүшү менен сыналуучу материалдын катмар аралык сынуу бышыктыгынын баштапкы мааниси жана туруктуу мааниси олуттуу жогорулай тургандыгы аныкталган. Кошумчалай кетсек, ар кандай аралашма катыштарындагы катмардын баштапкы жана туруктуу сынуу катаалдыгын BK критерийи менен мүнөздөөгө болот.
Чарчоо стратификациясы боюнча, сыноо учурунда олуттуу була көпүрөсү да байкалды. Сыноо маалыматтарын талдоо аркылуу, композиттик материалдын чарчоонун деламинациясынын кеңейишине “каршылыктын ийри сызыгы” таасир этээри аныкталды, андыктан чарчоонун стратификациясынын кеңейүү ылдамдыгы модели жана босого мааниси мындан ары колдонулбайт. Теориялык анализдин негизинде Чжан жана Пэн[4,8,9]композиттик материалдардын чарчоо деламинациясынын кеңейиши үчүн зарыл болгон энергияны билдирүү үчүн чарчоонун деламинациясынын кеңейүү каршылыгын киргизди жана андан ары нормалдаштырылган штамм энергиясын сунуштады. Чыгаруу ылдамдыгы чарчоо стратификацияланган кеңейүү ылдамдыгынын модели жана контролдук параметрлердин босого мааниси. Моделдин колдонулушу жана нормалдаштырылган босого параметри эксперименттер аркылуу текшерилет. Андан ары, Чжао жана башкалар.[3]чарчоо стратификация жана кеңейүү жүрүм-турумга жипче көпүрө, стресс катышы жана жүк аралаштыруу катышы ар тараптуу каралып, стресс катышынын таасирин эске алуу менен нормалдаштырылган чарчоо катмарлуу кеңейүү ылдамдыгы моделин түзүлгөн. Модельдин тактыгы ар кандай стресс катышы жана аралашма катышы менен чарчоо стратификация тесттери менен текшерилген. Нормалдаштырылган чарчоо катмарлуу кеңейүү ылдамдыгы моделинде чарчоо катмарлуу кеңейүү каршылыгынын физикалык саны үчүн, Gong et al.[1]эксперименттер аркылуу чектелген дискреттик маалымат чекиттерин гана ала турган эсептөө ыкмасынын алсыздыгын жеңип, энергетикалык жактан чарчоону белгилейт. Катмарланган кеңейтилген каршылыкты эсептөө үчүн аналитикалык модель. Модель чарчоонун стратификациясын жана кеңейүү каршылыгын сандык аныктоону ишке ашыра алат жана сунушталган нормалдаштырылган чарчоонун катмарланган кеңейүү ылдамдыгы моделин колдонуу үчүн теориялык колдоо көрсөтө алат.
1-сүрөт стратификацияланган сыноо түзүлүшүнүн диаграммасы
2-сүрөт. Кабаттар аралык сынуу катуулугу R каршылык ийри сызыгы[5]
3-сүрөт Катмарланган алдыңкы кырдын зыян зонасы жана катмарланган кеңейтилген морфологиясы[5]
2. Сандык симуляциялык изилдөө
Катмарлуу кеңейүүнүн сандык симуляциясы композиттик структураны долбоорлоо тармагындагы маанилүү изилдөө мазмуну болуп саналат. Композиттик бир багыттуу ламинаттардын деламинациясынын бузулушун болжолдоп жатканда, учурдагы стратификациянын кеңейүү критерийлери, адатта, негизги эффективдүү параметр катары туруктуу катмарлар аралык сынуу катуулугун колдонушат.[10], жарака учу энергия чыгаруу ылдамдыгын жана interlaminar жарака бекемдигин салыштыруу менен. Өлчөмү катмардын кеңейип жатканын аныктоо үчүн. Көп багыттуу ламинаттардын бузулуу механизми татаал[11,12]олуттуу R каршылык ийри менен мүнөздөлөт[5,13]. Колдонуудагы катмарлуу кеңейүү критерийлери бул өзгөчөлүктү эске албайт жана була камтыган көпүрөлүү көп багыттуу ламинаттардын деламинация жүрүм-турумун моделдөө үчүн колдонулбайт. Гонг жана башкалар.[10, 13]колдонуудагы стратификацияланган кеңейүү критерийлерин өркүндөттү жана критерийлерге R каршылык ийри сызыгын киргизүүнү сунуштады жана анын негизинде була көпүрөсүнүн таасирин эске алуу менен стратификацияланган кеңейүү критерийин түздү. Билинардык түзүүчү когезиялык бирдикти аныктоо жана колдонуу параметрлери системалуу түрдө сандык ыкмалар менен изилденген, анын ичинде интерфейстин баштапкы катаалдыгы, интерфейстин бекемдиги, илешкектүүлүк коэффициенти жана бириктирүүчү күч зонасында элементтердин минималдуу саны. Тиешелүү бирдиктүү бирдиктин параметр модели түзүлдү. Акырында, жакшыртылган катмарлуу кеңейүү критерийинин эффективдүүлүгү жана колдонулушу статикалык стратификация тести аркылуу текшерилет. Бирок, жакшыртылган критерийлер эки же үч өлчөмдүү иерархиялык кеңейтүүлөр үчүн эмес, позициялык көз карандылыктан улам бир өлчөмдүү катмарлуу симуляциялар үчүн гана колдонулушу мүмкүн. Бул көйгөйдү чечүү үчүн автор андан ары була көпүрөсүн эске алуу менен жаңы үч сызыктуу бириктирүүчү күчтү сунуш кылган.[14]. Конститутивдүү байланыш микроскопиялык көз карашта катмарлуу кеңейүүнүн татаал процессине туура келет жана жөнөкөй параметрлердин жана так физикалык маанинин артыкчылыктарына ээ.
Мындан тышкары, көп багыттуу ламинаттардын стратификация процессинде кеңири таралган катмарлуу миграция кубулушун так моделдөө үчүн[11,12], Чжао жана башкалар.[11,12]атайын дизайнга окшоштурулган, кеңейтилген чектүү элементтин негизинде жарака жолунун багыттоочу моделин сунуштаган. Композиттик стратификация тестиндеги иерархиялык миграция. Ошол эле учурда, 90°/90° интерфейсинин катмарлуу кеңейүү жүрүм-турумун так окшоштурган 90°/90° катмарлуу интерфейс боюнча зигзагдык катмарлуу кеңейүү жүрүм-туруму үчүн катмарлуу кеңейүү модели сунушталат.
4-сүрөт Катмарлуу миграциянын сандык симуляциясы жана эксперименталдык натыйжалар[15]
Корутунду
Бул макалада бул топтун композиттик ламинаттын катмарлануусу жаатындагы изилдөө жыйынтыктарына басым жасалган. Эксперименттик аспектилер негизинен интерфейстин жайгашуу бурчунун жана була көпүрөсүнүн статикалык жана чарчоо деламинациясынын кеңейүү жүрүм-турумуна таасирин камтыйт. Көптөгөн эксперименталдык изилдөөлөр аркылуу композиттик материалдардын көп багыттуу ламинаттын бузулушу механизми татаал экени аныкталган. Була көпүрөсү - бул көп багыттуу ламинаттардын жалпы катаалдаштыруу механизми, бул катмарлар аралык сынуу катуулугунун R-каршылык ийри сызыгынын негизги себеби. Учурда II стратификация боюнча R каршылык ийри сызыгын изилдөө салыштырмалуу жетишсиз жана андан аркы изилдөөлөрдү талап кылат. Бузулуу механизминен баштап, чарчоо стратификациясынын модели, анын ичинде ар кандай таасир этүүчү факторлор сунушталат, ал чарчоо стратификациясын изилдөөнүн багыты болуп саналат. Сандык симуляция жагынан, изилдөө тобу жакшыртылган иерархиялык кеңейүү критерийин жана була көпүрөсүнүн катмарлуу кеңейүү жүрүм-турумуна таасирин карап чыгуу үчүн бирдиктүү түзүүчү моделди сунуштады. Мындан тышкары, кеңейтилген чектүү элемент иерархиялык миграция кубулушун жакшыраак имитациялоо үчүн колдонулат. Бул ыкма тордун кайра бөлүнүшү менен байланышкан көйгөйлөрдү жок кылып, майда клетка бөлүнүшүнө муктаждыкты жок кылат. Ал ыктыярдуу фигуралардын стратификациясын имитациялоодо уникалдуу артыкчылыктарга ээ жана келечекте бул ыкманы дагы инженердик колдонмо изилдөөлөрү талап кылынат.[16].
Шилтемелер
[1] Ю Гонг, Л Чжао, Дж Чжан, Н Ху. Энергия көз карашынан композиттик ламинаттарда чарчоонун деламинациясынын каршылыгын аныктоонун жаңы модели. Compos Sci Technol 2018; 167: 489-96.
[2] Л Чжао, Ю Ван, Дж Чжан, Ы Гонг, Н Ху, Н Ли. I жүктөө режиминде ламинатталган композиттерде зигзагдын деламинациясынын өсүшүн симуляциялоо үчүн XFEM негизиндеги модель. Compos Struct 2017; 160: 1155-62.
[3] Л Чжао, Ю Гун, Дж Чжан, У Ван, З Лу, Л Пэн, Н Ху. CFRP көп багыттуу ламинаттарда чарчоонун деламинациясынын өсүү жүрүм-турумунун жаңы интерпретациясы. Compos Sci Technol 2016; 133: 79-88.
[4] Л Пэн, Дж Чжан, Л Чжао, Р Бао, Х Ян, Б Фэй. Mode I чарчоо жүктөө астында көп багыттуу курама ламинаттардын катмарлануу өсүшү. J Compos Mater 2011; 45: 1077-90.
[5] Л Чжао, Ы Ван, Дж Чжан, Ы Гун, Ц Лу, Н Ху, Дж Сю. I жүктөө режиминде көп багыттуу CFRP ламинаттарында плато сыныктарынын бекемдигинин интерфейске көз каранды модели. Composites Part B: Engineering 2017; 131: 196-208.
[6] Л Чжао, Ю Гонг, Дж Чжан, Ю Чен, Б Фэй. Когезициялык элементтерди колдонуу менен I режимде жана аралаш режимде I/II жүктөөлөрүндө көп багыттуу ламинаттарда деламинациянын өсүшүн симуляциялоо. Compos Struct 2014; 116: 509-22.
[7] Ю Гонг, Б Чжан, Л Чжао, Дж Чжан, Н Ху, Ч Чжан. Бир багыттуу жана көп багыттуу интерфейстери бар көмүртек/эпоксиддик ламинаттарда I/II аралаш режимдеги деламинациянын R-ийри жүрүм-туруму. Compos Struct 2019. (Карап чыгууда).
[8] Л Пэн, Дж Сю, Дж Чжан, Л Чжао. чарчоо жүктөө астында көп багыттуу курамдуу ламинаттардын аралаш режими delamination өсүшү. Eng Fract Mech 2012; 96: 676-86.
[9] Дж Чжан, Л Пэн, Л Чжао, Б Фэй. Аралаш режимдеги жүктөө астында композиттик ламинаттардын чарчоо деламинациясынын өсүү темптери жана босоголору. Int J Fatigue 2012; 40:7—15.
[10] Ю Гонг, Л Чжао, Дж Чжан, Ю Ван, Н Ху. CFRP көп багыттуу ламинаттарда I/II аралаш режимдеги деламинация үчүн була көпүрөсүнүн таасирин камтыган деламинациянын жайылуу критерийи. Compos Sci Technol 2017; 151: 302-9.
[11] Ю Гонг, Б Чжан, СР Халлетт. I режиминде квази-статикалык жана чарчоо жүктөө астында көп багыттуу композиттик ламинаттарда деламинация миграциясы. Compos Struct 2018; 189: 160-76.
[12] Ю Гонг, Б Чжан, С Мухопадхяй, СР Халлетт. Режим II статикалык жана чарчоо жүктөө астында көп багыттуу ламинаттарда delamination миграциясы боюнча эксперименталдык изилдөө, I режимине салыштыруу менен. Compos Struct 2018; 201: 683-98.
[13] Ю Гонг, Л Чжао, Дж Чжан, Н Ху. Композиттик көп багыттуу ламинаттарда масштабдуу була көпүрөсүнүн таасири менен деламинациянын таралышынын жакшыртылган күч мыйзамынын критерийи. Compos Struct 2018; 184: 961-8.
[14] Ю Гонг, Ю Хоу, Л Чжао, В Ли, Г Ян, Дж Чжан, Н Ху. Була көпүрөсүнүн эффектиси менен DCB ламинаттарында деламинациянын өсүшү үчүн жаңы үч сызыктуу когезициялык аймак модели. Compos Struct 2019. (Тапшырылууга тийиш)
[15] Л Чжао, Дж Чжи, Дж Чжан, З Лю, Н Ху. Композиттик ламинаттарда деламинацияны XFEM симуляциясы. Composites Part A: Колдонмо илим жана өндүрүш 2016; 80: 61-71.
[16] Чжао Либин, Гун Ю, Чжан Цзянью. Була менен бекемделген композиттик ламинаттардын катмарлуу кеңейүү жүрүм-туруму боюнча изилдөө прогресси. Aeronautical Sciences журналы 2019: 1-28.
Булак:Гонг Ю, Ван Яна, Пэн Лей, Чжао Либин, Чжан Цзяню. өнүккөн көмүртек буласынын стратификацияланган экспансия жүрүм-туруму боюнча композиттик ламинаттарды бекемдеген [C]. Механика жана инженерия - Сандык эсептөө жана маалыматтарды талдоо 2019 Академиялык конференция. Кытай механика коому, Пекин механика коому, 2019-жыл. аркылуу ixueshu
Билдирүү убактысы: 2019-жылдын 15-ноябрына чейин