Pažangių anglies pluoštu armuotų kompozicinių laminatų lakštų sluoksniuoto plėtimosi elgsenos tyrimas

MECHANIKA IR INŽINERIJA – Skaitmeniniai skaičiavimai ir duomenų analizė
Mechanika ir inžinerija – skaitmeniniai skaičiavimai ir duomenų analizė, 2019 m. akademinė konferencija, 2019 m. balandžio 19–21 d., Pekinas
2019 m. balandžio 19–21 d., Pekinas, Kinija

Pažangių anglies pluoštu armuotų kompozicinių laminatų lakštų sluoksniuoto plėtimosi elgsenos tyrimas

Gong Yu^1*, Vang Jana², Peng Lei³, Zhao Libin⁴, Zhang Jianyu¹

¹Čongčingo universitetas, Čongčingas, 400044, Kinija
²Kinijos aviacijos tyrimų institutas, Pekino aeronautikos medžiagų tyrimų institutas, Pekinas, 100095, Kinija
³Kinijos komercinių orlaivių Pekino civilinių orlaivių technologijų tyrimų centras, Pekinas, 102211, Kinija
⁴Pekino aeronautikos ir astronautikos universitetas, Pekinas, 100191, Kinija

SantraukaLaminuota struktūra yra viena iš dažniausiai naudojamų kompozitinių konfigūracijų kompozitams, tačiau dėl silpnų tarpsluoksninių savybių delaminacija tampa pagrindiniu jų gedimo būdu. Inžinerinėje praktikoje dažniausiai naudojamų daugiasluoksnių laminatų stratifikacijos ir plėtimosi elgsenos tyrimai visada buvo karšta mokslininkų tema. Šiame straipsnyje pateikiami Čongčingo universiteto ir Pekino aeronautikos ir astronautikos universiteto nuovargio lūžių laboratorijoje atliktų anglies pluoštu armuoto kompozito delaminacijos tyrimų rezultatai, gauti iš dviejų eksperimentinių tyrimų ir skaitmeninio modeliavimo aspektų. Galiausiai, numatoma šios srities plėtros kryptis.

Raktiniai žodžiai:anglies pluoštu sustiprintas kompozitas, laminatas, delaminacija, nuovargio stratifikacija

įvadas

Kompozitinės medžiagos pasižymi puikiomis savybėmis, tokiomis kaip didelis savitasis stiprumas ir didelis savitasis standumas, todėl jos plačiai naudojamos aviacijos ir kosmoso, energetikos technologijų, civilinio transporto ir statybos srityse. Kompozitinių medžiagų apdorojimo ir naudojimo metu pluoštai ir matrica, veikiant apkrovai, patiria skirtingą pažeidimo laipsnį. Įprasti kompozitinių laminatų gedimo būdai yra tarpsluoksnio pažeidimas ir pažeidimas sluoksnių viduje. Dėl armatūros trūkumo storio kryptimi, laminato šoninės mechaninės savybės yra prastos, o veikiant išorinėms smūginėms apkrovoms, labai tikėtina delaminacijos pažeidimas. Sluoksniuotų pažeidimų atsiradimas ir plitimas sumažins konstrukcijos standumą ir stiprumą ir netgi sukels katastrofiškas avarijas.^[1–3]Todėl delaminacijos problema vis labiau susijusi su kompozicinių medžiagų konstrukciniu projektavimu ir stiprumo analize, todėl būtina tirti kompozicinių medžiagų sluoksniuoto plėtimosi elgseną.^[4].

Laminato sluoksniuoto plėtimosi elgsenos tyrimai
1. Eksperimentinis tyrimas

Tarpsluoksninis lūžio atsparumas yra būdingas mechaninių savybių tarp kompozitinių sluoksnių parametras. I, II ir I/II tipo hibridinių vienkrypčių laminatų tarpsluoksniniam lūžio atsparumui nustatyti buvo nustatyti atitinkami bandymų standartai. Atitinkama bandymų įranga parodyta 1 paveiksle. Tačiau daugiakrypčiai kompozicinių medžiagų laminatai dažnai naudojami realiose inžinerinėse konstrukcijose. Todėl eksperimentiniai daugiakrypčių laminatų stratifikacijos ir plėtimosi elgsenos tyrimai turi svarbesnę teorinę reikšmę ir inžinerinę vertę. Daugiasluoksnio laminato sluoksnio inicijavimas ir plėtimasis vyksta tarp sąsajų su savavališkais sluoksniavimo kampais, o sluoksnių plėtimosi elgsena labai skiriasi nuo vienkrypčių laminatų, o plėtimosi mechanizmas yra sudėtingesnis. Tyrėjai atliko palyginti nedaug eksperimentinių daugiakrypčių laminatų tyrimų, o tarpsluoksninio lūžio atsparumo nustatymas dar nenustatė tarptautinio standarto. Tyrimų komanda naudojo T700 ir T800 anglies pluoštą, kad suprojektuotų įvairius kompozicinius laminatus su skirtingais sąsajos išdėstymo kampais, ir tyrė sąsajos išdėstymo kampo bei pluošto tiltelių įtaką statinei ir nuovargio delaminacijos elgsenai. Nustatyta, kad sluoksnio užpakalinio krašto suformuotas pluošto tiltelis daro didelę įtaką tarpsluoksniniam atsparumui lūžiui. Sluoksniui plečiantis, tarpsluoksninis atsparumas lūžiui palaipsniui didėja nuo mažesnės pradinės vertės, o kai sluoksnis pasiekia tam tikrą ilgį, jis pasiekia stabilią vertę, t. y. R atsparumo kreivės reiškinį. Pradinis tarpsluoksnio atsparumas lūžiui yra beveik lygus ir apytiksliai lygus dervos atsparumui lūžiui, kuris priklauso nuo pačios matricos atsparumo lūžiui.^{[5, 6]}Tačiau skirtingų sąsajų tarpsluoksninio atsparumo lūžiui pailgėjimo vertės labai skiriasi. Pateikta reikšminga sąsajos sluoksnio kampo priklausomybė. Reaguodami į šią priklausomybę, Zhao ir kt.^[5]Remiantis stratifikuoto pasipriešinimo šaltinio fizikiniu mechanizmu, laikoma, kad tarpsluoksninio lūžio atsparumo stabilumo vertė susideda iš dviejų dalių: viena dalis yra nesusijusio sluoksnio sąsajos lūžio darbas, o kita dalis – sluoksnio vidinio pažeidimo ir pluošto poveikis. Lūžio, kurį sukelia tiltelių susidarymas, darbas. Atlikus sluoksniuoto fronto įtempių fronto lauko baigtinių elementų analizę, nustatyta, kad antroji lūžio darbo dalis priklauso nuo delaminacijos fronto pažeidimo zonos gylio (kaip parodyta 3 paveiksle), o pažeidimo zonos gylis yra proporcingas sąsajos sluoksniuotos plokštumos kampui. Pateikiamas I tipo lūžio atsparumo stabilumo vertės teorinis modelis, išreikštas sąsajos sluoksnio kampo sinusoidine funkcija.
Gong ir kt.^[7]atliko I/II hibridinio stratifikacijos bandymą esant skirtingiems maišymo santykiams ir nustatė, kad I/II hibridinis stratifikacijos būdas laminate taip pat pasižymi reikšmingomis R atsparumo kreivės charakteristikomis. Išanalizavus skirtingų bandinių atsparumą lūžiui, nustatyta, kad pradinė ir stabili tarpsluoksninio lūžio atsparumo vertė reikšmingai didėja didėjant maišymo santykiui. Be to, pradinį ir stabilų tarpsluoksnio atsparumą lūžiui esant skirtingiems maišymo santykiams galima apibūdinti BK kriterijumi.
Kalbant apie nuovargio stratifikaciją, bandymo metu taip pat pastebėtas reikšmingas pluošto tiltelių susidarymas. Išanalizavus bandymo duomenis, nustatyta, kad kompozicinės medžiagos nuovargio delaminacijos plėtimąsi veikia „pasipriešinimo kreivė“, todėl tradicinis nuovargio stratifikacijos plėtimosi greičio modelis ir ribinė vertė nebetaikomi. Remdamiesi teorine analize, Zhang ir Peng^{[4, 8, 9]}pristatė nuovargio delaminacijos plėtimosi varžą, skirtą išreikšti kompozicinių medžiagų nuovargio delaminacijos plėtimuisi reikalingą energiją, ir toliau pasiūlė normalizuotą deformacijos energiją. Išsiskyrimo greitis yra nuovargio stratifikuoto plėtimosi greičio modelis ir valdymo parametrų slenkstinė vertė. Modelio ir normalizuoto slenkstinio parametro pritaikomumas patvirtinamas eksperimentais. Be to, Zhao ir kt.^[3]išsamiai išnagrinėjo pluošto tiltelių, įtempių santykio ir apkrovos maišymo santykio įtaką nuovargio stratifikacijai ir plėtimosi elgsenai ir, atsižvelgdamas į įtempių santykio įtaką, sukūrė normalizuotą nuovargio stratifikuoto plėtimosi greičio modelį. Modelio tikslumas buvo patikrintas nuovargio stratifikacijos bandymais su skirtingais įtempių santykiais ir maišymo santykiais. Normalizuoto nuovargio stratifikuoto plėtimosi greičio modelio nuovargio stratifikuoto plėtimosi pasipriešinimo fizikiniam dydžiui Gong ir kt.^[1]įveikti skaičiavimo metodo trūkumą, kai eksperimentais galima gauti tik ribotus atskirus duomenų taškus, ir nustatyti nuovargį energijos požiūriu. Analitinis modelis stratifikuoto išplėstinio atsparumo skaičiavimui. Modelis gali realizuoti kiekybinį nuovargio stratifikacijos ir plėtimosi atsparumo nustatymą ir pateikti teorinį pagrindą siūlomo normalizuoto nuovargio stratifikuoto plėtimosi greičio modelio taikymui.

1 pav. Stratifikuoto bandymo įrenginio schema

2 pav. Tarpsluoksninio atsparumo lūžiui R kreivė^[5]


3 pav. Sluoksniuota priekinio krašto pažeidimo zona ir stratifikuota išplėstinė morfologija^[5]

2. Skaitmeninio modeliavimo tyrimas

Sluoksninio plėtimosi skaitmeninis modeliavimas yra svarbi tyrimų sritis kompozitinių konstrukcijų projektavimo srityje. Prognozuojant kompozitinių vienkrypčių laminatų delaminacijos gedimą, esami sluoksninio plėtimosi kriterijai paprastai naudoja pastovų tarpsluoksninį lūžio stiprumą kaip pagrindinį eksploatacinių savybių parametrą.^[10], lyginant įtrūkio galo energijos išsiskyrimo greitį ir tarpsluoksninį atsparumą lūžiams. Dydis, skirtas nustatyti, ar sluoksniavimasis plečiasi. Daugiakrypčių laminatų gedimo mechanizmas yra sudėtingas.^{[11, 12]}, kuriam būdingos reikšmingos R varžos kreivės^{[5, 13]}Esami sluoksniuoto plėtimosi kriterijai neatsižvelgia į šią savybę ir netaikomi pluoštą turinčių tiltelinių daugiakrypčių laminatų delaminacijos elgsenos modeliavimui. Gong ir kt.^{[10, 13]}patobulinti esami stratifikuoto plėtimosi kriterijai ir pasiūlyta į kriterijus įtraukti R pasipriešinimo kreivę, ir remiantis tuo, nustatytas stratifikuoto plėtimosi kriterijus, atsižvelgiant į pluošto tiltelių poveikį. Bilinarinio konstitucinio sanglaudos vieneto apibrėžimas ir naudojimo parametrai buvo sistemingai tiriami skaitmeniniais metodais, įskaitant pradinį sąsajos standumą, sąsajos stiprumą, klampos koeficientą ir minimalų elementų skaičių sanglaudos jėgos zonoje. Buvo sukurtas atitinkamas sanglaudos vieneto parametrų modelis. Galiausiai patobulinto sluoksniuoto plėtimosi kriterijaus ir sanglaudos vieneto parametrų modelio efektyvumas ir pritaikomumas buvo patikrinti statiniu stratifikacijos bandymu. Tačiau patobulinti kriterijai gali būti naudojami tik vienmačiams sluoksniuotiems modeliavimams dėl padėties priklausomybių, o ne dvimatėms ar trimatėms hierarchinėms plėtiniams. Siekdamas išspręsti šią problemą, autorius taip pat pasiūlė naują trilinarinį sanglaudos jėgos konstitucinį kriterijų, atsižvelgiant į pluošto tiltelių poveikį.^[14]Konstitucinis ryšys atitinka sudėtingą sluoksniuoto plėtimosi procesą iš mikroskopinės perspektyvos ir turi paprastų parametrų bei aiškios fizinės reikšmės pranašumų.
Be to, siekiant tiksliai imituoti stratifikuotos migracijos reiškinį, būdingą daugiakrypčių laminatų stratifikacijos procesui^{[11, 12]}Zhao ir kt.^{[11, 12]}pasiūlė įtrūkio kelio valdymo modelį, pagrįstą išplėstiniu baigtiniu elementu, imituojantį specialų projektą. Hierarchinė migracija sudėtinio stratifikacijos bandyme. Tuo pačiu metu siūlomas sluoksniuoto plėtimosi modelis zigzago sluoksniuoto plėtimosi elgesiui išilgai 90°/90° sluoksniuotos sąsajos, kuris tiksliai imituoja sluoksniuoto plėtimosi elgseną 90°/90° sąsajoje.

4 pav. Sluoksniuotos migracijos skaitmeninis modeliavimas ir eksperimentiniai rezultatai^[15]

Išvada

Šiame straipsnyje daugiausia dėmesio skiriama šios grupės tyrimų rezultatams kompozitinių laminatų delaminacijos srityje. Eksperimentiniai aspektai daugiausia apima sąsajos sluoksnio kampo ir pluoštų tiltelių įtaką statiniam ir nuovargio delaminacijos plėtimosi elgesiui. Atlikus daugybę eksperimentinių tyrimų, nustatyta, kad daugiakryptis kompozicinių medžiagų laminatų gedimo mechanizmas yra sudėtingas. Pluoštų tilteliai yra įprastas daugiakrypčių laminatų grūdinimo mechanizmas, kuris yra pagrindinė tarpsluoksninio atsparumo lūžiui R atsparumo kreivės priežastis. Šiuo metu R atsparumo kreivės tyrimas pagal II stratifikaciją yra gana nepakankamas ir reikalauja tolesnių tyrimų. Remiantis gedimo mechanizmu, siūlomas nuovargio stratifikacijos modelis, apimantis įvairius įtakos veiksnius, kuris yra nuovargio stratifikacijos tyrimų kryptis. Kalbant apie skaitinį modeliavimą, tyrimų grupė pasiūlė patobulintą hierarchinio plėtimosi kriterijų ir koherentinį konstitucinį modelį, skirtą atsižvelgti į pluoštų tiltelių įtaką stratifikuoto plėtimosi elgesiui. Be to, išplėstinis baigtinių elementų metodas naudojamas siekiant geriau imituoti hierarchinės migracijos reiškinį. Šis metodas pašalina smulkiosios gardelės dalijimosi poreikį, pašalinant su tinklelio perdalijimu susijusias problemas. Jis turi unikalių pranašumų imituojant savavališkų formų stratifikaciją, todėl ateityje reikės atlikti daugiau šio metodo inžinerinių pritaikymo tyrimų.^[16].

Nuorodos

[1] Y. Gong, L. Zhao, J. Zhang, N. Hu. Naujas modelis kompozicinių laminatų atsparumui nuovargiui delaminuoti nustatyti energijos požiūriu. Compos Sci Technol 2018; 167: 489–96.
[2] L. Zhao, Y. Wang, J. Zhang, Y. Gong, N. Hu, N. Li. XFEM pagrindu sukurtas modelis zigzago formos delaminacijos augimui sluoksniuotuose kompozituose imituoti, veikiant I tipo apkrovimui. Compos Struct 2017; 160: 1155–62.
[3] L. Zhao, Y. Gong, J. Zhang, Y. Wang, Z. Lu, L. Peng, N. Hu. Naujas nuovargio delaminacijos augimo elgsenos aiškinimas daugiakrypčiuose CFRP laminatuose. Compos Sci Technol 2016; 133: 79–88.
[4] L. Peng, J. Zhang, L. Zhao, R. Bao, H. Yang, B. Fei. Daugiakrypčių kompozicinių laminatų I tipo delaminacijos augimas veikiant nuovargio apkrovimui. J Compos Mater 2011; 45: 1077–90.
[5] L. Zhao, Y. Wang, J. Zhang, Y. Gong, Z. Lu, N. Hu, J. Xu. Nuo sąsajos priklausomas daugiakrypčių CFRP laminatų atsparumo lūžiui plokštumoje modelis, veikiant I tipo apkrovimui. „Composites Part B: Engineering“ 2017; 131: 196–208.
[6] L. Zhao, Y. Gong, J. Zhang, Y. Chen, B. Fei. Daugiakrypčių laminatų delaminacijos augimo modeliavimas, veikiant I režimo ir mišriojo I/II režimo apkrovoms naudojant rišlius elementus. Compos Struct 2014; 116: 509–22.
[7] Y. Gong, B. Zhang, L. Zhao, J. Zhang, N. Hu, C. Zhang. Mišraus režimo I/II delaminacijos R kreivės elgsena anglies/epoksidinių laminatų su vienkryptėmis ir daugiakryptėmis sąsajomis. „Compos Struct“ 2019. (Peržiūrima).
[8] L. Peng, J. Xu, J. Zhang, L. Zhao. Mišraus režimo delaminacijos augimas daugiakryptėse kompozicinėse laminatėse veikiant nuovargio apkrovimui. Eng Fract Mech 2012; 96: 676–86.
[9] J. Zhang, L. Peng, L. Zhao, B. Fei. Kompozitinių laminatų nuovargio delaminacijos augimo greičiai ir ribos mišraus režimo apkrovos metu. Int J Fatigue 2012; 40: 7–15.
[10] Y. Gong, L. Zhao, J. Zhang, Y. Wang, N. Hu. Delaminacijos sklidimo kriterijus, įskaitant pluošto sujungimo poveikį mišraus režimo I/II delaminacijai daugiakrypčiuose CFRP laminatuose. Compos Sci Technol 2017; 151: 302–9.
[11] Y. Gongas, B. Zhangas, S. R. Hallettas. Daugiakrypčių kompozicinių laminatų delaminacijos migracija, veikiant I tipo kvazistatinei ir nuovargio apkrovai. Compos Struct 2018; 189: 160–76.
[12] Y. Gong, B. Zhang, S. Mukhopadhyay, S. R. Hallett. Eksperimentinis daugiakrypčių laminatų delaminacijos migracijos tyrimas, veikiant II režimo statinei ir nuovargio apkrovai, lyginant su I režimu. Compos Struct 2018; 201: 683–98.
[13] Y. Gong, L. Zhao, J. Zhang, N. Hu. Patobulintas laipsninio dėsnio kriterijus delaminacijos sklidimui, atsižvelgiant į didelio masto pluošto tiltelių poveikį kompozitiniuose daugiakrypčiuose laminatuose. Compos Struct 2018; 184: 961–8.
[14] Y. Gong, Y. Hou, L. Zhao, W. Li, G. Yang, J. Zhang, N. Hu. Naujas trijų tiesių rišamųjų zonų modelis, skirtas DCB laminatų delaminacijos augimui su pluošto tiltelių efektu apibūdinti. Compos Struct 2019. (Bus pateikta)
[15] L. Zhao, J. Zhi, J. Zhang, Z. Liu, N. Hu. XFEM modeliavimas, skirtas kompozicinių laminatų delaminacijai. Kompozitai A dalis: Taikomasis mokslas ir gamyba 2016; 80: 61–71.
[16] Zhao Libin, Gong Yu, Zhang Jianyu. Pluoštu armuotų kompozicinių laminatų stratifikuoto plėtimosi elgsenos tyrimų pažanga. Aeronautikos mokslų žurnalas 2019: 1–28.

Šaltinis:Gong Yu, Wang Yana, Peng Lei, Zhao Libin, Zhang Jianyu. Pažangių anglies pluoštu armuotų kompozicinių laminatų stratifikuoto plėtimosi tyrimas [C]. Mechanika ir inžinerija – skaitmeniniai skaičiavimai ir duomenų analizė, 2019 m. akademinė konferencija. Kinijos mechanikų draugija, Pekino mechanikų draugija, 2019 m. per Iksuešu