Студија за однесувањето на слоевито ширење на напредни композитни ламинатни плочи зајакнати со јаглеродни влакна

МЕХАНИКА И ИНЖЕНЕРСТВО - Нумеричко пресметување и анализа на податоци
Механика и инженерство — Нумерички пресметки и анализа на податоци, Академска конференција 2019, 19-21 април 2019 година, Пекинг
19-21 април 2019 година, Пекинг, Кина

Студија за однесувањето на слоевито ширење на напредни композитни ламинатни плочи зајакнати со јаглеродни влакна

Гонг Ју^1*, Ванг Јана², Пенг Леи³, Жао Либин⁴, Џанг Џианју¹

¹Универзитет Чонгкинг, Чонгкинг, 400044, Кина
²Кинески институт за истражување на воздухопловството, Пекиншки институт за истражување на воздухопловни материјали, Пекинг, 100095, Кина
³Кинески комерцијални авиони Пекиншки истражувачки центар за цивилно воздухопловство, Пекинг, 102211, Кина
⁴Пекиншки универзитет за аеронаутика и астронаутика, Пекинг, 100191, Кина

АпстрактЛаминатната структура е една од најчесто користените композитни конфигурации за композити, но деламинацијата станува нејзин главен начин на дефект поради слабите меѓуслојни својства. Истражувањето на повеќеслојната стратификација и однесувањето на експанзија на ламинат, кое најчесто се користи во инженерската пракса, отсекогаш било жешка тема за научниците. Во овој труд, резултатите од истражувањето за деламинација на композити зајакнати со јаглеродни влакна во Универзитетот Чонгкинг и Лабораторијата за замор и фрактури на Универзитетот во Пекинг се претставени од два аспекта на експериментално истражување и нумеричка симулација. Конечно, се разгледува насоката на развој на оваа област.

Клучни зборови:композит зајакнат со јаглеродни влакна, ламинат, деламинација, стратификација на замор

вовед

Композитните материјали имаат одлични својства како што се висока специфична цврстина и висока специфична крутост, и се широко користени во воздухопловството, енергетската технологија и цивилниот транспорт и градежништвото. За време на обработката и употребата на композитните материјали, влакната и матрицата ќе претрпат различни степени на оштетување под оптоварување. Вообичаени начини на дефект кај композитните ламинати вклучуваат оштетување меѓуслојни и оштетување во слоевите. Поради недостаток на арматура во насока на дебелината, страничните механички својства на ламинатот се лоши, а оштетувањето од деламинација е многу веројатно да се појави под надворешни ударни оптоварувања. Појавата и ширењето на стратифицираното оштетување ќе доведат до намалување на структурната цврстина и цврстина, па дури и ќе предизвикаат катастрофални несреќи.^[1-3]Затоа, проблемот со деламинацијата е сè повеќе засегнат од структурниот дизајн и анализата на цврстината на композитните материјали, и потребно е да се проучи однесувањето на слоевитото ширење на композитните материјали.^[4].

Истражување на однесувањето на слоевито ширење на ламинатот
1. Експериментална студија

Интерламинарната цврстина на кршење е карактеристичен параметар на механичките својства помеѓу композитните слоеви. Утврдени се соодветни стандарди за тестирање за одредување на интерламинарната цврстина на кршење на хибридните еднонасочни ламинати од тип I, тип II и I/II. Соодветната апаратура за тестирање е прикажана на Слика 1. Сепак, повеќенасочните ламинати од композитни материјали често се користат во реалните инженерски конструкции. Затоа, експерименталната студија за однесувањето на стратификација и експанзија на повеќенасочните ламинати има поважно теоретско значење и инженерска вредност. Иницијацијата и експанзијата на повеќеслојните ламинатни слоеви се случуваат помеѓу интерфејси со произволни агли на слоеви, а однесувањето на слоевитото ширење е значително различно од она на еднонасочните ламинати, а механизмот на експанзија е покомплициран. Истражувачите имаат релативно малку експериментални студии за повеќенасочни ламинати, а одредувањето на интерламинарната цврстина на кршење сè уште не воспоставило меѓународен стандард. Истражувачкиот тим користел јаглеродни влакна T700 и T800 за да дизајнира различни композитни ламинати со различни агли на поставување на интерфејсот и го проучувал влијанието на аголот на поставување на интерфејсот и премостувањето на влакната врз статичкото однесување и однесувањето на деламинација поради замор. Утврдено е дека премостувањето на влакната формирано од задниот раб на слојот има големо влијание врз меѓуслојната цврстина на кршење. Како што се шири стратификацијата, меѓуслојната цврстина на кршење постепено ќе се зголемува од пониска почетна вредност, а кога стратификацијата ќе достигне одредена должина, таа достигнува стабилна вредност, односно феноменот на кривата на отпор R. Почетната цврстина на кршење на меѓуслојот е речиси еднаква и приближно еднаква на цврстината на кршење на смолата, што зависи од цврстината на кршење на самата матрица.^{[5, 6]}Сепак, вредностите на продолжување на меѓуслојната цврстина на кршење на различните површини варираат во голема мера. Претставена е значајна зависност од аголот на меѓуслојот. Како одговор на оваа зависност, Жао и сор.^[5]Врз основа на физичкиот механизам на стратифицираниот извор на отпор, се смета дека вредноста на стабилноста на цврстината при кршење на меѓуслојот се состои од два дела, едниот дел е работата на кршење на неповрзаната површина на слојот, а другиот дел е оштетувањето на внатрешниот слој и влакното. Работата на кршење предизвикана од премостување. Преку анализа на конечни елементи на полето на напрегање на слоевитиот фронт, се открива дека вториот дел од работата на кршење зависи од длабочината на зоната на оштетување на фронтот на деламинација (како што е прикажано на Слика 3), а длабочината на зоната на оштетување е пропорционална на аголот на поставување на површината. Претставен е теоретски модел на вредноста на стабилноста на цврстината при кршење од I-тип, изразена со синусоидалната функција на аголот на површината на меѓуслојот.
Гонг и др.^[7]го извршија тестот за стратификација на хибрид I/II под различни соодноси на мешање и открија дека стратификацијата на хибрид I/II во ламинатот, исто така, има значајни карактеристики на кривата на отпор R. Преку анализа на цврстината на кршење помеѓу различните тест парчиња, се покажа дека почетната вредност и стабилната вредност на меѓуслојната цврстина на кршење на тест парчето значително се зголемуваат со зголемувањето на соодносот на мешање. Покрај тоа, почетната и стабилната цврстина на кршење на меѓуслојот под различни соодноси на мешање може да се опишат со критериумот BK.
Во однос на стратификацијата на замор, за време на тестот беше забележано и значително премостување на влакната. Преку анализата на податоците од тестот, се покажа дека ширењето на деламинацијата на композитниот материјал поради замор е под влијание на „кривата на отпор“, така што традиционалниот модел на стапка на ширење на стратификација на замор и граничната вредност повеќе не се применливи. Врз основа на теоретската анализа, Џанг и Пенг^[4,8,9]воведоа отпорност на експанзија на деламинација поради замор за да ја изразат енергијата потребна за експанзија на деламинација поради замор на композитните материјали, а понатаму предложија и нормализирана енергија на деформација. Стапката на ослободување е модел на стратифицирана стапка на експанзија поради замор и праговна вредност на контролните параметри. Применливоста на моделот и нормализираниот праговен параметар е потврдена со експерименти. Понатаму, Жао и сор.^[3]сеопфатно ги разгледаа ефектите од премостувањето на влакната, односот на напрегање и односот на мешање на оптоварување врз стратификацијата при замор и однесувањето на ширење, и воспоставија нормализиран модел на стратифицирана брзина на ширење поради замор земајќи го предвид влијанието на односот на напрегање. Точноста на моделот беше потврдена со тестови за стратификација на замор со различни односи на напрегање и односи на мешање. За физичката количина на отпорност на стратифицирана ширење поради замор во нормализираниот модел на стратифицирана брзина на ширење поради замор, Гонг и сор.^[1]да се надмине слабоста на методот за пресметка кој може да добие само ограничени дискретни точки на податоци преку експерименти и да утврди замор од енергетска гледна точка. Аналитички модел за пресметка на стратифициран продолжен отпор. Моделот може да реализира квантитативно одредување на стратификацијата на замор и отпорноста на експанзија, и да обезбеди теоретска поддршка за примена на предложениот нормализиран модел на стратифицирана стапка на експанзија на замор.

Слика 1 дијаграм на стратифициран тест уред

Слика 2 Крива на отпорност на кршење R помеѓу слоевите^[5]


Слика 3 Зона на оштетување на предниот раб со слоеви и стратифицирана проширена морфологија^[5]

2. Студија за нумеричка симулација

Нумеричката симулација на слоевитото ширење е важна истражувачка содржина во областа на дизајнот на композитни конструкции. При предвидување на дефектот на деламинацијата на композитните еднонасочни ламинати, постојните критериуми за стратификациско ширење обично користат константна меѓуслојна цврстина на кршење како основен параметар на перформансите.^[10], со споредување на стапката на ослободување на енергија од врвот на пукнатината и цврстината на меѓуслојно кршење. Големина за да се утврди дали слоевитоста се шири. Механизмот на дефект на повеќенасочните ламинати е сложен^[11,12], што се карактеризира со значајни R криви на отпор^[5,13]Постоечките критериуми за слоевито ширење не ја земаат предвид оваа карактеристика и не се применуваат за симулација на однесувањето на деламинација на премостени повеќенасочни ламинати што содржат влакна. Гонг и др.^{[10, 13]}ги подобри постојните критериуми за стратифицирано проширување и предложи да се воведе кривата на отпор R во критериумите, и врз основа на ова, воспостави критериум за стратифицирано проширување земајќи ги предвид ефектите од премостувањето на влакната. Дефиницијата и употребата на параметрите на билинеарната конститутивна кохезивна единица беа систематски проучени со нумерички методи, вклучувајќи ја почетната цврстина на интерфејсот, цврстината на интерфејсот, коефициентот на вискозитет и минималниот број на елементи во зоната на кохезивна сила. Беше утврден соодветниот модел на параметар на кохезивна единица. Конечно, ефективноста и применливоста на подобрениот критериум за слоевито проширување и моделот на параметар на кохезивна единица се потврдени со тест за статичка стратификација. Сепак, подобрените критериуми можат да се користат само за еднодимензионални слоевити симулации поради позициони зависности, а не за дводимензионални или тридимензионални хиерархиски проширувања. За да се реши овој проблем, авторот понатаму предложи нова конститутивна трилинеарна кохезивна сила земајќи го предвид премостувањето на влакната.^[14]Конститутивната врска се вклопува во сложениот процес на слоевито ширење од микроскопска перспектива и има предности како што се едноставните параметри и јасното физичко значење.
Покрај тоа, со цел прецизно да се симулира феноменот на стратифицирана миграција вообичаен во процесот на стратификација на повеќенасочни ламинати^[11,12], Жао и др.^[11,12]предложи модел за водење на патеката на пукнатината базиран на проширени конечни елементи, симулирајќи посебен дизајн. Хиерархиска миграција во тест за композитна стратификација. Во исто време, предложен е модел на слоевито ширење за однесувањето на цик-цак слоевито ширење по должината на слоевитото ширење од 90°/90°, кој прецизно го симулира однесувањето на слоевито ширење на интерфејсот од 90°/90°.

Слика 4 Нумеричка симулација на слоевита миграција и експериментални резултати^[15]

Заклучок

Овој труд се фокусира на резултатите од истражувањето на оваа група во областа на деламинација на композитни ламинати. Експерименталните аспекти главно го вклучуваат влијанието на аголот на поставување на интерфејсот и премостувањето на влакната врз однесувањето на статичко и заморно ширење на деламинацијата. Преку голем број експериментални студии, се покажа дека механизмот на повеќенасочно кршење на ламинатите кај композитните материјали е комплициран. Премостувањето на влакната е вообичаен механизам за зацврстување на повеќенасочните ламинати, што е главната причина за R-кривата на отпорност на интерламинарната цврстина на кршење. Во моментов, студијата за R-кривата на отпорност под II стратификација е релативно недоволна и бара понатамошно истражување. Почнувајќи од механизмот на дефект, се предлага модел на стратификација на замор кој вклучува различни фактори на влијание, што е насока на истражување на стратификација на замор. Во однос на нумеричката симулација, истражувачката група предложи подобрен критериум за хиерархиско ширење и кохезивен конститутивен модел за да се разгледа влијанието на премостувањето на влакната врз однесувањето на стратифицираното ширење. Покрај тоа, проширениот конечен елемент се користи за подобра симулација на феноменот на хиерархиска миграција. Овој метод ја елиминира потребата од фина клеточна делба, елиминирајќи ги проблемите поврзани со повторната поделба на мрежата. Има уникатни предности во симулирањето на стратификацијата на произволни форми, а во иднина се потребни повеќе истражувања за инженерска примена на овој метод.^[16].

Референци

[1] Ј. Гонг, Л. Жао, Ј. Жанг, Н. Ху. Нов модел за одредување на отпорноста на деламинација од замор кај композитните ламинати од гледна точка на енергијата. Compos Sci Technol 2018; 167: 489-96.
[2] Л. Жао, Ј. Ванг, Ј. Жанг, Ј. Гонг, Н. Ху, Н. Ли. Модел базиран на XFEM за симулирање на раст на цик-цак деламинација кај ламинирани композити под оптоварување во режим I. Compos Struct 2017; 160: 1155-62.
[3] Л. Жао, Ј. Гонг, Ј. Жанг, Ј. Ванг, З. Лу, Л. Пенг, Н. Ху. Нова интерпретација на однесувањето на растот на деламинацијата поради замор кај повеќенасочните ламинати од CFRP. Compos Sci Technol 2016; 133: 79-88.
[4] Л. Пенг, Ј. Жанг, Л. Жао, Р. Бао, Х. Јанг, Б. Феи. Раст на деламинација во режим I на повеќенасочни композитни ламинати под оптоварување од замор. J Compos Mater 2011; 45: 1077-90.
[5] Л. Жао, Ј. Ванг, Ј. Жао, Ј. Гонг, З. Лу, Н. Ху, Ј. Сју. Модел зависен од интерфејсот за платоска цврстина на кршење кај повеќенасочни CFRP ламинати под оптоварување во режим I. Композити Дел Б: Инженерство 2017; 131: 196-208.
[6] Л. Жао, Ј. Гонг, Ј. Жанг, Ј. Чен, Б. Феи. Симулација на раст на деламинација кај повеќенасочни ламинати под режим I и мешани оптоварувања во режим I/II со употреба на кохезивни елементи. Compos Struct 2014; 116: 509-22.
[7] Ј. Гонг, Б. Жанг, Л. Жао, Ј. Жанг, Н. Ху, Ц. Жанг. Однесување на R-кривата на мешаната I/II деламинација во јаглеродни/епоксидни ламинати со еднонасочни и повеќенасочни интерфејси. Compos Struct 2019. (Во фаза на преглед).
[8] Л. Пенг, Ј. Сју, Ј. Жанг, Л. Жао. Мешан режим на раст на деламинација на повеќенасочни композитни ламинати под оптоварување од замор. Eng Fract Mech 2012; 96: 676-86.
[9] Џанг Џанг, Л Пенг, Л Жао, Б Феи. Стапки на раст на деламинација поради замор и прагови на композитните ламинати под мешано оптоварување. Int J Fatigue 2012; 40: 7-15.
[10] Y Gong, L Zhao, J Zhang, Y Wang, N Hu. Критериум за ширење на деламинација, вклучувајќи го ефектот на премостување на влакна за мешана I/II деламинација во CFRP повеќенасочни ламинати. Compos Sci Technol 2017; 151: 302-9.
[11] Ј. Гонг, Б. Жанг, С.Р. Халет. Миграција на деламинација кај повеќенасочни композитни ламинати под квазистатички режим I и оптоварување од замор. Compos Struct 2018; 189: 160-76.
[12] Ј. Гонг, Б. Жанг, С. Мукопадјај, С.Р. Халет. Експериментална студија за миграција на деламинација кај повеќенасочни ламинати под статичко оптоварување и оптоварување од замор во режим II, со споредба со режим I. Compos Struct 2018; 201: 683-98.
[13] Ј. Гонг, Л. Жао, Ј. Жанг, Н. Ху. Подобрен критериум на степенски закон за ширење на деламинација со ефект на премостување на влакна во голем обем кај композитни повеќенасочни ламинати. Compos Struct 2018; 184: 961-8.
[14] Ј. Гонг, Ј. Хоу, Л. Жао, В. Ли, Г. Јанг, Ј. Жанг, Н. Ху. Нов трилинеарен модел на кохезивна зона за раст на деламинација кај DCB ламинати со ефект на премостување на влакна. Compos Struct 2019. (Да се ​​достави)
[15] Л. Жао, Ј. Жи, Ј. Жанг, З. Лиу, Н. Ху. XFEM симулација на деламинација кај композитни ламинати. Композити Дел А: Применета наука и производство 2016; 80: 61-71.
[16] Жао Либин, Гонг Ју, Жанг Џианју. Напредок во истражувањето на однесувањето при стратифицирано ширење на композитни ламинати зајакнати со влакна. Весник за воздухопловни науки 2019: 1-28.

Извор:Гонг Ју, Ванг Јана, Пенг Леи, Жао Либин, Жанг Џианју. Студија за однесувањето на стратифицирана експанзија на напредни композитни ламинати зајакнати со јаглеродни влакна [C]. Механика и инженерство - Нумеричко пресметување и анализа на податоци, Академска конференција 2019. Кинеско друштво за механика, Пекиншко друштво за механика, 2019. преку иксуешу