MECHANIK AN INGENIEURSWEIS - Numeresch Berechnung an Datenanalyse
Mechanik an Ingenieurswiesen — Numeresch Berechnungen an Datenanalyse 2019 Akademesch Konferenz, 19.-21. Abrëll 2019, Peking
19.-21. Abrëll 2019, Peking, China
Studie iwwer d'Schichtenausdehnungsverhalen vun fortgeschrattene Kuelefaserverstäerkte Kompositlaminatplacken
Gong Yu1*, Wang Yana2, Peng Lei3, Zhao Libin4, Zhang Jianyu1
1Universitéit Chongqing, Chongqing, 400044, China
2China Aviation Research Institute Peking Aeronautical Materials Research Institute, Peking, 100095, China
3China Commercial Aircraft Beijing Civil Aircraft Technology Research Center, Peking, 102211, China
4Universitéit fir Loftfaart an Astronautik vu Peking, Peking, 100191, China
AbstraktD'Laminatstruktur ass eng vun den am meeschte verbreeten Kompositkonfiguratioune fir Kompositmaterialien, awer d'Delaminatioun gëtt wéinst schwaache interlaminare Eegeschaften hiren Haaptfehlermodus. D'Fuerschung iwwer d'Schicht- a Expansiounsverhalen vu Méischichtenlaminaten, déi allgemeng an der Ingenieurspraxis benotzt ginn, war ëmmer en heefegt Thema fir Wëssenschaftler. An dëser Aarbecht ginn d'Fuerschungsresultater vun der Delaminatioun mat Kuelefaserverstäerkter Kompositmaterialien an der Chongqing Universitéit an dem Peking University of Aeronautics and Astronautics Fatigue Fracture Laboratory aus zwou Aspekter vun experimenteller Fuerschung an numerescher Simulatioun virgestallt. Schlussendlech gëtt d'Entwécklungsrichtung vum Gebitt prospektivéiert.
Schlësselwierder:Kuelefaserverstäerkt Komposit, Laminat, Delaminatioun, Middegkeetsstratifikatioun
Aféierung
Kompositmaterialien hunn exzellent Eegeschafte wéi héich spezifesch Festigkeit a héich spezifesch Steifheet a gi wäit verbreet an der Loft- a Raumfaart, Energietechnologie, dem zivilen Transport a Bau benotzt. Wärend der Veraarbechtung a Benotzung vu Kompositmaterialien erleiden d'Faseren an d'Matrix ënner verschiddene Grad u Schued ënner Belaaschtung. Heefeg Feelermodi fir Kompositlaminater sinn Zwëscheschichten- a Schied bannent de Schichten. Wéinst dem Manktem u Verstäerkung an der Décktrichtung sinn déi lateral mechanesch Eegeschafte vum Laminat schlecht, an et ass héichwahrscheinlech, datt Delaminatiounsschued ënner externen Impaktbelaaschtungen optrieden. D'Optriede an d'Ausbreedung vu geschichtete Schued féiert zu enger Ofsenkung vun der struktureller Steifheet a Festigkeit a kann souguer zu katastrophalen Accidenter féieren.[1-3]Dofir gëtt d'Delaminatiounsproblem ëmmer méi vum strukturellen Design an der Stäerktanalyse vu Kompositmaterialien betraff, an et ass néideg, d'Schicht-Expansiounsverhalen vu Kompositmaterialien ze studéieren.[4].
Fuerschung iwwer d'Schichtexpansiounsverhalen vu Laminat
1. Experimentell Studie
D'Interlaminar Briechstähigkeit ass e charakteristesche Parameter vun de mechanesche Eegeschafte tëscht Kompositschichten. Entspriechend Testnormen goufen fir d'Bestimmung vun der interlaminarer Briechstähigkeit vun Typ I, Typ II an I/II Hybrid-Unidirektional-Laminater etabléiert. Den entspriechenden Testapparat gëtt an der Figur 1 gewisen. Wéi och ëmmer, déi multidirektional Laminater vu Kompositmaterialien ginn dacks an der aktueller Ingenieursstruktur benotzt. Dofir huet déi experimentell Studie iwwer d'Schichtverhalen an d'Expansiounsverhalen vu multidirektionale Laminater eng méi wichteg theoretesch Bedeitung an en Ingenieurswäert. D'Initiatioun an d'Expansioun vu Multischichtenlaminater geschéien tëscht Grenzflächen mat arbiträren Schichtwénkelen, an d'Schichtexpansiounsverhalen ass wesentlech anescht wéi dat vun unidirektionale Laminater, an den Expansiounsmechanismus ass méi komplizéiert. D'Fuerscher hunn relativ wéineg experimentell Studien iwwer multidirektional Laminater, an d'Bestimmung vun der interlaminarer Briechstähigkeit huet nach keen internationale Standard etabléiert. D'Fuerschungsteam huet T700 an T800 Kuelefaser benotzt fir eng Vielfalt vu Kompositlaminater mat verschiddene Grenzflächen-Layup-Wénkelen ze designen, an huet den Afloss vum Grenzflächen-Layup-Wénkel an der Faserbréckung op statesch an Middegkeetsdelaminatiounsverhalen ënnersicht. Et gouf festgestallt, datt d'Bréckbildung vun de Faseren, déi vum hënneschte Rand vun der Schicht geformt gëtt, e groussen Afloss op d'Interlaminar-Brochstäerkt huet. Mat der Ausdehnung vun der Schicht wäert d'Interlaminar-Brochstäerkt vun engem méi niddrege Startwäert graduell eropgoen, a wann d'Schicht eng gewëssen Längt erreecht, erreecht se e stabile Wäert, dat heescht d'R-Resistenzkurve-Phänomen. D'Startbrochstäerkt vun der Zwëschenschicht ass bal gläich a ronn gläich wéi d'Brochstäerkt vum Harz, déi vun der Bruchstäerkt vun der Matrix selwer ofhänkt.[5, 6]Wéi och ëmmer, variéieren d'Interlaminar-Brochstähigkeitsverlängerungswäerter vun ënnerschiddlechen Grenzflächen staark. Eng bedeitend Ofhängegkeet vum Grenzflächenwénkel gëtt presentéiert. Als Äntwert op dës Ofhängegkeet hunn Zhao et al.[5]Baséierend op dem physikalesche Mechanismus vun der geschichteter Resistenzquell, gëtt ugeholl, datt de Wäert vun der interlaminarer Bruchzähheetsstabilitéit aus zwéin Deeler besteet, een Deel ass d'Bruchaarbecht vun der net verwandter Schichtgrenzfläche, an den aneren Deel den Intraschichtschued an d'Faser. D'Aarbecht vum Bruch, déi duerch Bréckung verursaacht gëtt. Duerch d'Finite-Element-Analyse vum Spannungsfrontfeld vun der geschichteter Front gëtt festgestallt, datt den zweeten Deel vun der Bruchaarbecht vun der Déift vun der Delaminatiounsfrontschuedzon ofhänkt (wéi an der Figur 3 gewisen), an d'Déift vun der Schuedzon proportional zum Grenzflächenoplagwénkel ass. En theoretescht Modell vum I-Typ Bruchzähheetsstabilitéitswäert, ausgedréckt duerch d'Sinusoidal Funktioun vum Grenzflächenschichtwénkel, gëtt presentéiert.
Gong et al.[7]huet den I/II Hybridstratifikatiounstest ënner verschiddene Mëschverhältnisser duerchgefouert a festgestallt, datt d'I/II Hybridstratifikatioun am Laminat och bedeitend R-Resistenzkurvecharakteristiken huet. Duerch d'Analyse vun der Bruchzähegkeet tëscht verschiddene Teststécker gouf festgestallt, datt den initialen Wäert an de stabile Wäert vun der interlaminarer Bruchzähegkeet vum Teststéck signifikant mat der Erhéijung vum Mëschverhältnis eropgoen. Zousätzlech kann déi initial a stabil Bruchzähegkeet vun der Zwëscheschicht ënner verschiddene Mëschverhältnisser mam BK-Kriterium beschriwwe ginn.
Wat d'Middegkeetsstratifikatioun ugeet, gouf och wärend dem Test eng bedeitend Faserbréckung observéiert. Duerch d'Analyse vun den Testdaten huet sech erausgestallt, datt d'Middegkeetsdelaminatiounsexpansioun vum Kompositmaterial vun der "Resistenzkurv" beaflosst gëtt, sou datt dat traditionellt Modell vun der Middegkeetsstratifikatiounsexpansiounsquote an de Schwellwäert net méi uwendbar sinn. Op Basis vun der theoretescher Analyse hunn den Zhang a Peng[4,8,9]huet de Widderstand géint d'Ermüdungsdelaminatioun agefouert, fir d'Energie auszedrécken, déi fir d'Ermüdungsdelaminatiounsexpansioun vu Kompositmaterialien erfuerderlech ass, a weider déi normaliséiert Dehnungsenergie virgeschloen. D'Fräisetzungsquote ass de Modell vun der stratifizéierter Ermüdungsexpansiounsquote an de Schwellwäert vun de Kontrollparameteren. D'Uwendbarkeet vum Modell an dem normaliséierte Schwellparameter gëtt duerch Experimenter verifizéiert. Ausserdeem hunn Zhao et al.[3]hunn d'Auswierkunge vun der Faserbréckung, dem Spannungsverhältnis an dem Belaaschtungsmëschverhältnis op d'Middegkeetsstratifikatioun an d'Expansiounsverhalen ëmfaassend berücksichtegt, an hunn e normaliséiert Middegkeetsstratifikatiounsmodell fir d'Expansiounsquote etabléiert, dat den Afloss vum Spannungsverhältnis berécksiichtegt. D'Genauegkeet vum Modell gouf duerch Middegkeetsstratifikatiounstester mat verschiddene Spannungsverhältnisser a Mëschverhältnisser verifizéiert. Fir déi physikalesch Quantitéit vum Middegkeetsstratifikatiounswidderstand am normaliséierte Middegkeetsstratifikatiounsmodell fir d'Expansiounsquote hunn de Gong et al.[1]d'Schwäch vun der Berechnungsmethod iwwerwannen, déi nëmme limitéiert diskret Datenpunkten duerch Experimenter kréie kann, an d'Middegkeet aus der Energiesiicht feststellen. En analytescht Modell fir d'Berechnung vum stratifizéierten erweiderten Widderstand. De Modell kann déi quantitativ Bestëmmung vun der Middegkeetsstratifikatioun an der Expansiounswidderstand realiséieren, a theoretesch Ënnerstëtzung fir d'Uwendung vum proposéierte normaliséierte Middegkeetsstratifikatiouns-Expansiounsratemodell bidden.
Figur 1 Diagramm vun engem stratifizéierten Testapparat
Figur 2 R-Widderstandskurve fir d'Brochzähegkeet tëscht de Schichten[5]
Figur 3 Schichtzon vun der viischter Kant a stratifizéiert erweidert Morphologie[5]
2. Numeresch Simulatiounsstudie
Déi numeresch Simulatioun vun der Schichtexpansioun ass e wichtege Fuerschungsinhalt am Beräich vum Design vu Kompositstrukturen. Bei der Viraussoe vum Delaminatiounsfehler vu Komposit-unidirektionale Laminater benotzen déi existent Stratifikatiounsexpansiounskriterien normalerweis eng konstant interlaminar Briechzähegkeet als Basisleistungsparameter.[10], andeems d'Energiefräisetzungsquote vun der Rëssspëtz an d'Interlaminar-Brochstähigkeit verglach ginn. Gréisst fir ze bestëmmen ob d'Schichtung sech ausdehnt. De Feelermechanismus vu multidirektionalen Laminaten ass komplex.[11,12], déi duerch bedeitend R-Resistenzkurven charakteriséiert ass[5,13]Déi existent Critèren fir geschichtete Expansioun berécksiichtegen dës Eegeschaft net a gëllen net fir d'Simulatioun vum Delaminatiounsverhalen vu faserverhaltege gebréckte multidirektionale Laminater. Gong et al.[10, 13]huet déi existent stratifizéiert Expansiounskriterien verbessert a virgeschloen, d'R-Resistenzkurv an d'Kriterien anzeféieren, an op Basis dovun e stratifizéiert Expansiounskriterium etabléiert, dat d'Effekter vun der Faserbréckung berécksiichtegt. D'Definitioun an d'Benotzungsparameter vun der bilinearer konstitutiver kohäsiver Eenheet goufen systematesch duerch numeresch Methoden ënnersicht, dorënner d'initial Grenzflächesteifheet, d'Grenzflächestäerkt, de Viskositéitskoeffizient an déi minimal Zuel vun Elementer an der kohäsiver Kraaftzon. De korrespondéierende kohäsive Eenheetsparametermodell gouf etabléiert. Schlussendlech goufen d'Effektivitéit an d'Uwendbarkeet vum verbesserte geschichteten Expansiounskriterium an dem kohäsive Eenheetsparametermodell duerch e statesche Stratifikatiounstest verifizéiert. Wéinst der Positiounsofhängegkeet kënnen déi verbessert Kriterien awer nëmme fir eendimensional geschichtet Simulatioune benotzt ginn, an net fir zwee- oder dräidimensional hierarchesch Erweiderungen. Fir dëst Problem ze léisen, huet den Auteur weider eng nei trilinear kohäsiv Kraaftkonstitutioun virgeschloen, déi d'Faserbréckung berécksiichtegt.[14]Déi konstitutiv Bezéiung passt zum komplexe Prozess vun der geschichteter Expansioun aus enger mikroskopescher Perspektiv a weist op einfach Parameteren a kloer physikalesch Bedeitung hin.
Zousätzlech, fir de stratifizéierte Migratiounsphänomen korrekt ze simuléieren, deen am Stratifikatiounsprozess vu multidirektionalen Laminaten heefeg ass[11,12], Zhao et al.[11,12]huet e Modell fir d'Leedung vun engem Rësswee op Basis vun erweiderten Finite-Elementer virgeschloen, deen en speziellen Design simuléiert. Hierarchesch Migratioun an engem Kompositstratifikatiounstest. Gläichzäiteg gëtt e geschichteten Expansiounsmodell fir dat Zickzack-geschichteten Expansiounsverhalen laanscht d'90°/90°-Schichtengrenze virgeschloen, wat dat geschichteten Expansiounsverhalen vun der 90°/90°-Schichtengrenze genee simuléiert.
Figur 4 Numeresch Simulatioun vun der geschichteter Migratioun an experimentellen Resultater[15]
Conclusioun
Dëse Pabeier konzentréiert sech op d'Fuerschungsresultater vun dëser Grupp am Beräich vun der Delaminatioun vu Kompositlaminaten. Déi experimentell Aspekter ëmfaassen haaptsächlech den Afloss vum Grenzflächenoplagwénkel an der Faserbréckung op d'statesch an d'Middegkeetsdelaminatiounsexpansiounsverhalen. Duerch eng grouss Zuel vun experimentellen Studien gouf festgestallt, datt de multidirektionale Laminatfehlermechanismus vu Kompositmaterialien komplizéiert ass. Faserbréckung ass e gemeinsame Widderstandsmechanismus vu multidirektionale Laminaten, wat den Haaptgrond fir d'R-Resistenzkurv vun der interlaminarer Briechzähheet ass. Am Moment ass d'R-Resistenzkurvestudie ënner der II-Schichten relativ feelend a brauch weider Fuerschung. Ausgehend vum Fehlermechanismus gëtt de Middegkeetsstratifikatiounsmodell mat verschiddenen Aflossfaktoren proposéiert, wat eng Richtung vun der Middegkeetsstratifikatiounsfuerschung ass. Wat d'numeresch Simulatioun ugeet, huet d'Fuerschungsgrupp e verbessert hierarchescht Expansiounskriterium an e kohäsivt konstitutivt Modell proposéiert fir den Afloss vun der Faserbréckung op d'schichtetifizéiert Expansiounsverhalen ze berücksichtegen. Zousätzlech gëtt dat erweidert Finite Element benotzt fir de Phänomen vun der hierarchescher Migratioun besser ze simuléieren. Dës Method eliminéiert d'Noutwendegkeet vun enger feiner Zelldeelung, wat d'Problemer am Zesummenhang mat der Netzneideelung eliminéiert. Et huet eenzegaarteg Virdeeler bei der Simulatioun vun der Stratifikatioun vun arbiträren Formen, an et ass an Zukunft méi Fuerschung iwwer d'ingenieurlech Uwendung vun dëser Method néideg.[16].
Referenzen
[1] Y Gong, L Zhao, J Zhang, N Hu. En neit Modell fir d'Bestimmung vun der Middegkeetsdelaminatiounsbeständegkeet a Kompositlaminaten aus engem Energiesiichtpunkt. Compos Sci Technol 2018; 167: 489-96.
[2] L Zhao, Y Wang, J Zhang, Y Gong, N Hu, N Li. XFEM-baséiert Modell fir d'Simulatioun vum Zickzack-Delaminatiounswuesstem a laminéierte Kompositmaterialien ënner Belaaschtung am Modus I. Compos Struct 2017; 160: 1155-62.
[3] L Zhao, Y Gong, J Zhang, Y Wang, Z Lu, L Peng, N Hu. Eng nei Interpretatioun vum Wuesstumsverhalen duerch Middegkeetsdelaminatioun a multidirektionalen CFK-Laminater. Compos Sci Technol 2016; 133: 79-88.
[4] L Peng, J Zhang, L Zhao, R Bao, H Yang, B Fei. Modus I Delaminatiounswuesstem vu multidirektionalen Kompositlaminaten ënner Middegkeetsbelaaschtung. J Compos Mater 2011; 45: 1077-90.
[5] L Zhao, Y Wang, J Zhang, Y Gong, Z Lu, N Hu, J Xu. En Grenzflächenofhängegt Modell vun der Plateau-Brochstähigkeit a multidirektionalen CFRP-Laminater ënner Belaaschtung am Modus I. Composites Part B: Engineering 2017; 131: 196-208.
[6] L Zhao, Y Gong, J Zhang, Y Chen, B Fei. Simulatioun vum Delaminatiounswuesstum a multidirektionalen Laminaten ënner Modus I a gemëschte Modus I/II Belaaschtungen mat kohäsiven Elementer. Compos Struct 2014; 116: 509-22.
[7] Y Gong, B Zhang, L Zhao, J Zhang, N Hu, C Zhang. R-Kurveverhalen vun der Mixed-Mode I/II-Delaminatioun a Kuelestoff/Epoxy-Laminater mat unidirektionalen a multidirektionalen Grenzflächen. Compos Struct 2019. (Ënner Iwwerpréiwung).
[8] L Peng, J Xu, J Zhang, L Zhao. Mixed-Mode Delaminatiounswuesstem vu multidirektionalen Kompositlaminaten ënner Middegkeetsbelaaschtung. Eng Fract Mech 2012; 96: 676-86.
[9] J Zhang, L Peng, L Zhao, B Fei. Wuessraten a Schwellenwäerter duerch Middegkeetsdelaminatioun vu Kompositlaminaten ënner gemëschter Belaaschtung. Int J Fatigue 2012; 40: 7-15.
[10] Y Gong, L Zhao, J Zhang, Y Wang, N Hu. Kriterium vun der Delaminatiounspropagatioun, inklusiv dem Effekt vun der Faserbréckung fir Mixed-Mode I/II Delaminatioun a CFK multidirektionalen Laminaten. Compos Sci Technol 2017; 151: 302-9.
[11] Y Gong, B Zhang, SR Hallett. Delaminatiounsmigratioun a multidirektionalen Kompositlaminaten ënner quasi-statischer Modus I a Middegkeetsbelaaschtung. Compos Struct 2018; 189: 160-76.
[12] Y Gong, B Zhang, S Mukhopadhyay, SR Hallett. Experimentell Studie iwwer Delaminatiounsmigratioun a multidirektionalen Laminaten ënner statescher Belaaschtung a Middegkeetsbelaaschtung am Modus II, am Verglach mam Modus I. Compos Struct 2018; 201: 683-98.
[13] Y Gong, L Zhao, J Zhang, N Hu. E verbessert Potenzgesetzkriterium fir d'Delaminatiounsausbreedung mam Effekt vu groussflächeger Faserbréckung a multidirektionalen Kompositlaminaten. Compos Struct 2018; 184: 961-8.
[14] Y Gong, Y Hou, L Zhao, W Li, G Yang, J Zhang, N Hu. En neit dräilinear kohäsivt Zonmodell fir de Delaminatiounswuesstum an DCB-Laminater mam Effekt vun der Faserbréckung. Compos Struct 2019. (Ze reechen)
[15] L Zhao, J Zhi, J Zhang, Z Liu, N Hu. XFEM Simulatioun vun der Delaminatioun a Kompositlaminaten. Kompositen Deel A: Applied Science and Manufacturing 2016; 80: 61-71.
[16] Zhao Libin, Gong Yu, Zhang Jianyu. Fuerschungsfortschrëtter zum geschichteten Expansiounsverhalen vu faserverstäerkte Kompositlaminater. Journal of Aeronautical Sciences 2019: 1-28.
Quell:Gong Yu, Wang Yana, Peng Lei, Zhao Libin, Zhang Jianyu. Studie iwwer dat stratifizéiert Expansiounsverhalen vun fortgeschrattene Kuelefaserverstäerkte Kompositlaminaten [C]. Mechanik an Ingenieurswiesen - Numeresch Berechnung an Datenanalyse 2019 Akademesch Konferenz. Chinesesch Gesellschaft fir Mechanik, Beijing Mechanics Society, 2019. iwwer ixueshu
Zäitpunkt vun der Verëffentlechung: 15. November 2019