MEHĀNIKĀNA UN INŽENIERZINĀTNE - Skaitliskā skaitļošana un datu analīze
Mehānika un inženierzinātnes — Skaitliskie aprēķini un datu analīze 2019. gada akadēmiskā konference, 2019. gada 19.–21. aprīlis, Pekina
2019. gada 19.–21. aprīlis, Pekina, Ķīna
Pētījums par uzlabotas oglekļa šķiedras armētas kompozītmateriālu laminātu loksnes slāņveida izplešanās uzvedību
Gong Ju1*, Van Jana2, Peng Lei3, Zhao Libin4, Džan Dzjanju1
1Čuncjinas Universitāte, Čuncjina, 400044, Ķīna
2Ķīnas Aviācijas pētniecības institūts Pekinas Aeronautikas materiālu pētniecības institūts, Pekina, 100095, Ķīna
3Ķīnas komerciālo lidmašīnu Pekinas Civilās lidmašīnas tehnoloģiju pētniecības centrs, Pekina, 102211, Ķīna
4Pekinas Aeronautikas un astronautikas universitāte, Pekina, 100191, Ķīna
KopsavilkumsLamināta struktūra ir viena no visbiežāk izmantotajām kompozītmateriālu konfigurācijām, taču vājo starpslāņu īpašību dēļ delaminācija kļūst par tās galveno bojājumu veidu. Pētījumi par daudzslāņu lamināta stratifikāciju un izplešanās uzvedību, ko parasti izmanto inženierzinātņu praksē, vienmēr ir bijuši aktuāla tēma zinātniekiem. Šajā rakstā no diviem eksperimentālo pētījumu un skaitliskās simulācijas aspektiem tiek iepazīstināti ar Čuncjinas Universitātes un Pekinas Aeronautikas un astronautikas universitātes Noguruma lūzumu laboratorijas pētījumu rezultātiem par oglekļa šķiedras pastiprinātu kompozītmateriālu delamināciju. Visbeidzot, tiek prognozēts nozares attīstības virziens.
Atslēgvārdi:Oglekļa šķiedras pastiprināts kompozīts, lamināts, delaminācija, noguruma stratifikācija
ievads
Kompozītmateriāliem piemīt izcilas īpašības, piemēram, augsta īpatnējā izturība un augsta īpatnējā stingrība, un tie ir plaši izmantoti kosmosa, enerģētikas tehnoloģiju, civilā transporta un būvniecības nozarē. Kompozītmateriālu apstrādes un lietošanas laikā šķiedras un matrica slodzes ietekmē tiek pakļautas dažādas pakāpes bojājumiem. Biežākie kompozītmateriālu laminātu bojājumu veidi ir starpslāņu bojājumi un bojājumi slāņu iekšienē. Tā kā trūkst stiegrojuma biezuma virzienā, lamināta sānu mehāniskās īpašības ir sliktas, un ārēju trieciena slodžu ietekmē ir liela delaminācijas bojājumu iespējamība. Slāņveida bojājumu rašanās un paplašināšanās novedīs pie konstrukcijas stingrības un izturības samazināšanās un pat izraisīs katastrofālas avārijas.[1–3]Tāpēc delaminācijas problēma arvien vairāk tiek pievērsta kompozītmateriālu konstrukcijas projektēšanai un stiprības analīzei, un ir nepieciešams pētīt kompozītmateriālu slāņveida izplešanās uzvedību.[4].
Lamināta slāņveida izplešanās uzvedības pētījumi
1. Eksperimentāls pētījums
Starpslāņu lūzuma izturība ir raksturīgs mehānisko īpašību parametrs starp kompozītmateriālu slāņiem. Ir noteikti atbilstoši testa standarti I, II tipa un I/II hibrīdo vienvirziena laminātu starpslāņu lūzuma izturības noteikšanai. Atbilstošā testa iekārta ir parādīta 1. attēlā. Tomēr kompozītmateriālu daudzvirzienu lamināti bieži tiek izmantoti faktiskajā inženiertehniskajā konstrukcijā. Tāpēc eksperimentāliem pētījumiem par daudzvirzienu laminātu stratifikācijas un izplešanās uzvedību ir nozīmīgāka teorētiska nozīme un inženiertehniskā vērtība. Daudzslāņu lamināta slāņa ierosināšana un izplešanās notiek starp saskarnēm ar patvaļīgiem slāņošanas leņķiem, un slāņveida izplešanās uzvedība ievērojami atšķiras no vienvirziena laminātiem, un izplešanās mehānisms ir sarežģītāks. Pētniekiem ir salīdzinoši maz eksperimentālu pētījumu par daudzvirzienu laminātiem, un starpslāņu lūzuma izturības noteikšana vēl nav izveidojusi starptautisku standartu. Pētnieku komanda izmantoja T700 un T800 oglekļa šķiedru, lai izstrādātu dažādus kompozītmateriālu laminātus ar dažādiem saskarnes izkārtojuma leņķiem, un pētīja saskarnes izkārtojuma leņķa un šķiedru pāreju ietekmi uz statisko un noguruma delaminācijas uzvedību. Ir konstatēts, ka šķiedru tiltiņi, ko veido slāņa aizmugurējā mala, būtiski ietekmē starpslāņu lūzuma izturību. Stratifikācijai paplašinoties, starpslāņu lūzuma izturība pakāpeniski palielināsies no zemākas sākotnējās vērtības, un, kad stratifikācija sasniedz noteiktu garumu, tā sasniedz stabilu vērtību, tas ir, R pretestības līknes fenomenu. Starpslāņa sākotnējā lūzuma izturība ir gandrīz vienāda un aptuveni vienāda ar sveķu lūzuma izturību, kas ir atkarīga no pašas matricas lūzuma izturības.[5, 6]Tomēr dažādu saskarņu starpslāņu lūzuma izturības pagarinājuma vērtības ievērojami atšķiras. Tiek parādīta būtiska saskarnes slāņa leņķa atkarība. Reaģējot uz šo atkarību, Džao et al.[5]Pamatojoties uz stratificētās pretestības avota fizikālo mehānismu, tiek uzskatīts, ka starpslāņu lūzuma izturības stabilitātes vērtība sastāv no divām daļām: viena daļa ir nesaistītā slāņa saskarnes lūzuma darbs, bet otra daļa ir slāņa iekšējais bojājums un šķiedra. Lūzuma darbs, ko izraisa pārklāšanās. Veicot slāņveida frontes sprieguma frontes lauka galīgo elementu analīzi, tiek konstatēts, ka otrā lūzuma darba daļa ir atkarīga no delaminācijas frontes bojājuma zonas dziļuma (kā parādīts 3. attēlā), un bojājuma zonas dziļums ir proporcionāls saskarnes slāņošanās leņķim. Tiek piedāvāts I veida lūzuma izturības stabilitātes vērtības teorētiskais modelis, kas izteikts ar saskarnes slāņa leņķa sinusoidālo funkciju.
Gongs un citi.[7]veica I/II hibrīda stratifikācijas testu dažādās sajaukšanas attiecībās un atklāja, ka I/II hibrīda stratifikācijai laminātā ir arī ievērojamas R pretestības līknes raksturlielumi. Analizējot plaisas izturību starp dažādiem testa paraugiem, tika konstatēts, ka testa parauga starpslāņu plaisas izturības sākotnējā vērtība un stabilā vērtība ievērojami palielinās, palielinoties sajaukšanas attiecībai. Turklāt starpslāņa sākotnējo un stabilo plaisas izturību dažādās sajaukšanas attiecībās var aprakstīt ar BK kritēriju.
Runājot par noguruma stratifikāciju, testa laikā tika novērota arī ievērojama šķiedru pārklāšanās. Analizējot testa datus, tika konstatēts, ka kompozītmateriāla noguruma delaminācijas izplešanos ietekmē "pretestības līkne", tāpēc tradicionālais noguruma stratifikācijas izplešanās ātruma modelis un robežvērtība vairs nav piemērojami. Pamatojoties uz teorētisko analīzi, Džans un Pens[4,8,9]ieviesa noguruma delaminācijas izplešanās pretestību, lai izteiktu enerģiju, kas nepieciešama kompozītmateriālu noguruma delaminācijas izplešanās procesam, un tālāk ierosināja normalizēto deformācijas enerģiju. Atbrīvošanās ātrums ir noguruma stratificētā izplešanās ātruma modelis un kontroles parametru robežvērtība. Modeļa un normalizētā robežparametra piemērojamība ir pārbaudīta ar eksperimentiem. Turklāt Zhao et al.[3]vispusīgi izvērtēja šķiedru tiltiņu, sprieguma attiecības un slodzes-sajaukšanās attiecības ietekmi uz noguruma stratifikāciju un izplešanās uzvedību un izveidoja normalizētu noguruma stratificētas izplešanās ātruma modeli, ņemot vērā sprieguma attiecības ietekmi. Modeļa precizitāte tika pārbaudīta ar noguruma stratifikācijas testiem ar dažādām sprieguma attiecībām un sajaukšanās attiecībām. Gong et al., kas veica pētījumu par noguruma stratificētās izplešanās pretestības fizikālo lielumu normalizētajā noguruma stratificētās izplešanās ātruma modelī, ...[1]pārvarēt aprēķina metodes vājumu, kas ļauj iegūt tikai ierobežotus diskrētus datu punktus ar eksperimentu palīdzību, un noteikt nogurumu no enerģijas viedokļa. Analītisks modelis stratificētas pagarinātās pretestības aprēķināšanai. Modelis var realizēt noguruma stratifikācijas un izplešanās pretestības kvantitatīvu noteikšanu un sniegt teorētisku atbalstu piedāvātā normalizētā noguruma stratificētās izplešanās ātruma modeļa pielietošanai.
1. attēla stratificētās testa ierīces diagramma
2. attēls. Starpslāņu lūzuma izturības R pretestības līkne.[5]
3. attēls. Slāņveida priekšējās malas bojājumu zona un stratificēta paplašināta morfoloģija.[5]
2. Skaitliskās simulācijas pētījums
Slāņainās izplešanās skaitliskā simulācija ir svarīgs pētījumu saturs kompozītmateriālu konstrukciju projektēšanas jomā. Prognozējot kompozītmateriālu vienvirziena laminātu delaminācijas bojājumus, esošie stratifikācijas izplešanās kritēriji parasti izmanto nemainīgu starpslāņu lūzuma izturību kā pamata veiktspējas parametru.[10], salīdzinot plaisas gala enerģijas atbrīvošanās ātrumu un starpslāņu lūzuma izturību. Izmērs, lai noteiktu, vai slāņojums izplešas. Daudzvirzienu laminātu bojājumu mehānisms ir sarežģīts.[11,12], kam raksturīgas ievērojamas R pretestības līknes[5,13]Esošie slāņveida izplešanās kritēriji neņem vērā šo īpašību un neattiecas uz šķiedru saturošu tiltveida daudzvirzienu laminātu delaminācijas uzvedības simulāciju. Gong et al.[10, 13]uzlaboja esošos stratificētās izplešanās kritērijus un ierosināja kritērijos ieviest R pretestības līkni, un, pamatojoties uz to, izveidoja stratificētu izplešanās kritēriju, ņemot vērā šķiedru tiltiņu ietekmi. Bilineārās konstitutīvās kohēzijas vienības definīcijas un lietošanas parametri tika sistemātiski pētīti ar skaitliskām metodēm, tostarp sākotnējo saskarnes stingrību, saskarnes stiprību, viskozitātes koeficientu un minimālo elementu skaitu kohēzijas spēka zonā. Tika izveidots atbilstošais kohēzijas vienības parametru modelis. Visbeidzot, uzlabotā slāņveida izplešanās kritērija un kohēzijas vienības parametru modeļa efektivitāte un piemērojamība tiek pārbaudīta ar statisku stratifikācijas testu. Tomēr uzlabotos kritērijus var izmantot tikai viendimensiju slāņveida simulācijām pozicionālo atkarību dēļ, nevis divdimensiju vai trīsdimensiju hierarhiskiem paplašinājumiem. Lai atrisinātu šo problēmu, autors papildus ierosināja jaunu trilineāru kohēzijas spēku, kas konstitutīvi ņem vērā šķiedru tiltiņu veidošanos.[14]Konstitutīvās attiecības atbilst sarežģītajam slāņveida izplešanās procesam no mikroskopiskā viedokļa, un tām ir vienkāršu parametru un skaidras fizikālas nozīmes priekšrocības.
Turklāt, lai precīzi simulētu stratificētās migrācijas fenomenu, kas ir izplatīts daudzvirzienu laminātu stratifikācijas procesā[11,12], Džao un citi.[11,12]ierosināja plaisas ceļa vadības modeli, kas balstīts uz paplašinātu galīgo elementu, simulējot īpašu dizainu. Hierarhiska migrācija kompozīta stratifikācijas testā. Vienlaikus tiek piedāvāts slāņveida izplešanās modelis zigzaga slāņveida izplešanās uzvedībai gar 90°/90° slāņveida saskarni, kas precīzi simulē 90°/90° saskarnes slāņveida izplešanās uzvedību.
4. attēls. Slāņveida migrācijas skaitliskā simulācija un eksperimentālie rezultāti.[15]
Secinājums
Šajā rakstā uzmanība pievērsta šīs grupas pētījumu rezultātiem kompozītmateriālu laminātu delaminācijas jomā. Eksperimentālie aspekti galvenokārt ietver saskarnes slāņa leņķa un šķiedru pāreju ietekmi uz statisko un noguruma delaminācijas izplešanās uzvedību. Veicot lielu skaitu eksperimentālu pētījumu, ir atklāts, ka kompozītmateriālu daudzvirzienu laminātu atteices mehānisms ir sarežģīts. Šķiedru pāreju veidošanās ir izplatīts daudzvirzienu laminātu rūdīšanas mehānisms, kas ir galvenais starpslāņu lūzuma izturības R pretestības līknes iemesls. Pašlaik R pretestības līknes pētījums II stratifikācijas apstākļos ir relatīvi nepietiekams un ir nepieciešami turpmāki pētījumi. Sākot ar atteices mehānismu, tiek piedāvāts noguruma stratifikācijas modelis, kas ietver dažādus ietekmējošus faktorus, kas ir noguruma stratifikācijas pētījumu virziens. Skaitliskās simulācijas ziņā pētījumu grupa ierosināja uzlabotu hierarhiskās izplešanās kritēriju un kohēzīvu konstitutīvo modeli, lai ņemtu vērā šķiedru pāreju veidošanās ietekmi uz stratificēto izplešanās uzvedību. Turklāt, lai labāk simulētu hierarhiskās migrācijas fenomenu, tiek izmantots paplašinātais galīgo elementu modelis. Šī metode novērš nepieciešamību pēc smalku šūnu dalīšanas, novēršot problēmas, kas saistītas ar sieta pārdalīšanu. Tam ir unikālas priekšrocības patvaļīgu formu stratifikācijas simulēšanā, un nākotnē ir nepieciešami vairāk šīs metodes inženiertehnisko pielietojumu pētījumu.[16].
Atsauces
[1] Y Gong, L Zhao, J Zhang, N Hu. Jauns modelis noguruma delaminācijas pretestības noteikšanai kompozītmateriālu laminātos no enerģijas viedokļa. Compos Sci Technol 2018; 167: 489–96.
[2] L. Džao, J. Vans, J. Džans, J. Gongs, N. Hu, N. Li. Uz XFEM balstīts modelis zigzaga delaminācijas augšanas simulēšanai laminētos kompozītmateriālos I režīma slodzes apstākļos. Compos Struct 2017; 160: 1155–62.
[3] L. Džao, J. Gongs, J. Džans, J. Vans, Z. Lu, L. Pens, N. Hu. Jauna noguruma delaminācijas augšanas uzvedības interpretācija CFRP daudzvirzienu laminātos. Compos Sci Technol 2016; 133: 79–88.
[4] L. Pengs, Dž. Džans, L. Džao, R. Bao, H. Jangs, B. Fejs. Daudzvirzienu kompozītmateriālu laminātu I režīma delaminācijas augšana noguruma slodzes ietekmē. J Compos Mater 2011; 45: 1077–90.
[5] L. Džao, J. Vans, J. Džans, Y. Gongs, Z. Lu, N. Hu, J. Sju. No saskarnes atkarīgs plato lūzuma izturības modelis daudzvirzienu CFRP laminātiem I režīma slodzē. Composites Part B: Engineering 2017; 131: 196–208.
[6] L. Džao, J. Gongs, J. Džans, J. Čens, B. Fejs. Daudzvirzienu laminātu delaminācijas augšanas simulācija I režīma un jaukta I/II režīma slodžu ietekmē, izmantojot kohēzijas elementus. Compos Struct 2014; 116: 509–22.
[7] Y Gong, B Zhang, L Zhao, J Zhang, N Hu, C Zhang. Jauktā režīma I/II delaminācijas R-līknes uzvedība oglekļa/epoksīda laminātos ar vienvirziena un daudzvirzienu saskarnēm. Compos Struct 2019. (Apskates procesā).
[8] L. Pengs, Dž. Sjui, Dž. Džans, L. Džao. Jaukta režīma delaminācijas augšana daudzvirzienu kompozītmateriālu laminātos noguruma slodzes ietekmē. Eng Fract Mech 2012; 96: 676–86.
[9] Džans Džans, Pens L., Džao L., Fejs B. Noguruma delaminācijas pieauguma ātrumi un robežvērtības kompozītmateriālu laminātiem jaukta režīma slodzes apstākļos. Int J Fatigue 2012; 40: 7.–15.
[10] Y Gong, L Zhao, J Zhang, Y Wang, N Hu. Delaminācijas izplatīšanās kritērijs, tostarp šķiedru tiltiņu ietekme jaukta režīma I/II delaminācijai CFRP daudzvirzienu laminātos. Compos Sci Technol 2017; 151: 302–9.
[11] Y Gong, B Zhang, SR Hallett. Delaminācijas migrācija daudzvirzienu kompozītmateriālos I režīma kvazistatiskās un noguruma slodzes apstākļos. Compos Struct 2018; 189: 160–76.
[12] Y Gong, B Zhang, S Mukhopadhyay, SR Hallett. Eksperimentāls pētījums par delaminācijas migrāciju daudzvirzienu laminātos II režīma statiskās un noguruma slodzes apstākļos, salīdzinot ar I režīmu. Compos Struct 2018; 201: 683–98.
[13] Y Gong, L Zhao, J Zhang, N Hu. Uzlabots pakāpes likuma kritērijs delaminācijas izplatībai ar liela mēroga šķiedru tiltiņu efektu kompozītmateriālos daudzvirzienu laminātos. Compos Struct 2018; 184: 961–8.
[14] Y Gong, Y Hou, L Zhao, W Li, G Yang, J Zhang, N Hu. Jauns trīs lineārs kohēzijas zonas modelis delaminācijas pieaugumam DCB laminātos ar šķiedru tiltiņu efektu. Compos Struct 2019. (Jāiesniedz)
[15] L. Džao, Dž. Dži, Dž. Džans, Z. Liu, N. Hu. XFEM simulācija delaminācijai kompozītmateriālu laminātos. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing 2016; 80: 61–71.
[16] Džao Libins, Kuns Ju, Džans Dzjaņjū. Pētījuma progress par šķiedru armētu kompozītmateriālu laminātu stratificētās izplešanās uzvedību. Aeronautikas zinātņu žurnāls 2019: 1.–28. lpp.
Avots:Gong Yu, Wang Yana, Peng Lei, Zhao Libin, Zhang Jianyu. Pētījums par modernu oglekļa šķiedru pastiprinātu kompozītmateriālu laminātu stratificētas izplešanās uzvedību [C]. Mehānika un inženierzinātnes - skaitliskā skaitļošana un datu analīze 2019. gada akadēmiskā konference. Ķīnas Mehānikas biedrība, Pekinas Mehānikas biedrība, 2019. caur ixueshu
Publicēšanas laiks: 2019. gada 15. novembris