Kajian tentang Gelagat Pengembangan Berlapis bagi Lembaran Laminasi Komposit Bertetulang Gentian Karbon Termaju

MEKANIK DAN KEJURUTERAAN - Pengiraan Berangka dan Analisis Data
Mekanik dan Kejuruteraan — Persidangan Akademik Pengiraan Berangka dan Analisis Data 2019, 19-21 April 2019, Beijing
19-21 April 2019, Beijing, China

Kajian tentang Gelagat Pengembangan Berlapis bagi Lembaran Laminasi Komposit Bertetulang Gentian Karbon Termaju

Gong Yu^1*, Wang Yana², Peng Lei³, Zhao Libin⁴, Zhang Jianyu¹

¹Universiti Chongqing, Chongqing, 400044, China
²Institut Penyelidikan Penerbangan China Institut Penyelidikan Bahan Aeronautik Beijing, Beijing, 100095, China
³Pesawat Komersial China Pusat Penyelidikan Teknologi Pesawat Awam Beijing, Beijing, 102211, China
⁴Universiti Aeronautik dan Astronautik Beijing, Beijing, 100191, China

AbstrakStruktur lamina adalah salah satu konfigurasi komposit yang paling biasa digunakan untuk komposit, tetapi delaminasi menjadi mod kegagalan utamanya kerana sifat interlaminar yang lemah. Penyelidikan mengenai stratifikasi lamina berbilang lapisan dan tingkah laku pengembangan yang biasa digunakan dalam amalan kejuruteraan sentiasa menjadi topik hangat bagi para sarjana. Dalam makalah ini, hasil penyelidikan penembusan komposit bertetulang gentian karbon di Universiti Chongqing dan Makmal Fraktur Keletihan Universiti Aeronautik dan Astronautik Beijing diperkenalkan daripada dua aspek penyelidikan eksperimen dan simulasi berangka. Akhirnya, hala tuju pembangunan bidang itu diprospek.

Kata kunci:komposit bertetulang gentian karbon, lamina, delaminasi, stratifikasi keletihan

pengenalan

Bahan komposit mempunyai sifat yang sangat baik seperti kekuatan spesifik yang tinggi dan kekakuan spesifik yang tinggi, dan telah digunakan secara meluas dalam aeroangkasa, teknologi tenaga, dan pengangkutan awam dan pembinaan. Semasa pemprosesan dan penggunaan bahan komposit, gentian dan matriks akan mengalami tahap kerosakan yang berbeza di bawah beban. Mod kegagalan biasa untuk lamina komposit termasuk kerosakan antara lapisan dan kerosakan dalam lapisan. Disebabkan kekurangan tetulang dalam arah ketebalan, sifat mekanikal sisian lamina adalah lemah, dan kerosakan delaminasi berkemungkinan besar berlaku di bawah beban hentaman luaran. Kejadian dan pengembangan kerosakan berstrata akan membawa kepada penurunan ketegaran dan kekuatan struktur, malah menyebabkan kemalangan besar.^[1-3]. Oleh itu, masalah delaminasi semakin menjadi perhatian oleh reka bentuk struktur dan analisis kekuatan bahan komposit, dan adalah perlu untuk mengkaji tingkah laku pengembangan berlapis bahan komposit.^[4].

Penyelidikan tentang tingkah laku pengembangan berlapis lamina
1. Kajian eksperimen

Keliatan patah interlaminar adalah parameter ciri sifat mekanikal antara lapisan komposit. Piawaian ujian yang sepadan telah ditetapkan untuk penentuan keliatan patah interlaminar jenis lamina satu arah hibrid Jenis I, Jenis II dan I/II. Radas ujian yang sepadan ditunjukkan dalam Rajah 1. Walau bagaimanapun, lamina berbilang arah bahan komposit sering digunakan dalam struktur kejuruteraan sebenar. Oleh itu, kajian eksperimen mengenai stratifikasi dan kelakuan pengembangan lamina berbilang arah mempunyai kepentingan teori dan nilai kejuruteraan yang lebih penting. Permulaan dan pengembangan lapisan lamina berbilang lapisan berlaku di antara antara muka dengan sudut lapisan sewenang-wenangnya, dan tingkah laku pengembangan berlapis adalah berbeza dengan ketara daripada lamina satu arah, dan mekanisme pengembangan adalah lebih rumit. Penyelidik mempunyai sedikit kajian eksperimen tentang lamina berbilang arah, dan penentuan keliatan patah antara lamina masih belum mencapai piawaian antarabangsa. Pasukan penyelidik menggunakan gentian karbon T700 dan T800 untuk mereka bentuk pelbagai lamina komposit dengan sudut susun atur antara muka yang berbeza, dan mengkaji pengaruh sudut susun atur antara muka dan penyambung gentian pada tingkah laku delaminasi statik dan keletihan. Telah didapati bahawa pengikat gentian yang terbentuk oleh pinggir belakang lapisan mempunyai pengaruh yang besar pada keliatan patah interlaminar. Apabila stratifikasi mengembang, keliatan patah interlaminar secara beransur-ansur akan meningkat daripada nilai awal yang lebih rendah, dan apabila stratifikasi mencapai panjang tertentu, ia mencapai nilai yang stabil, iaitu fenomena lengkung rintangan R. Keliatan patah awal interlayer hampir sama dan lebih kurang sama dengan keliatan patah resin, yang bergantung pada keliatan patah matriks itu sendiri^{[5, 6]}. Walau bagaimanapun, nilai sambungan keliatan patah interlaminar bagi antara muka yang berbeza sangat berbeza. Pergantungan sudut lapisan antara muka yang ketara dibentangkan. Sebagai tindak balas kepada pergantungan ini, Zhao et al.^[5]berdasarkan mekanisme fizikal sumber rintangan berstrata, ia dianggap bahawa nilai kestabilan keliatan patah interlaminar terdiri daripada dua bahagian, satu bahagian adalah kerja patah antara muka lapisan yang tidak berkaitan, dan bahagian lain adalah kerosakan intralayer dan serat. Kerja patah yang disebabkan oleh penjembatan. Melalui analisis elemen terhingga medan hadapan tegasan hadapan berlapis, didapati bahagian kedua kerja patah bergantung pada kedalaman zon kerosakan hadapan delaminasi (seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 3), dan kedalaman zon kerosakan adalah berkadar dengan sudut susun atur antara muka. Model teori nilai kestabilan keliatan patah jenis I yang dinyatakan oleh fungsi sinusoidal sudut lapisan antara muka dibentangkan.
Gong et al.^[7]menjalankan ujian stratifikasi hibrid I/II di bawah nisbah campuran yang berbeza, dan mendapati bahawa stratifikasi hibrid I/II dalam laminat juga mempunyai ciri-ciri lengkung rintangan R yang ketara. Melalui analisis keliatan patah antara kepingan ujian yang berbeza, didapati nilai awal dan nilai stabil keliatan patah interlaminar kepingan ujian meningkat dengan ketara dengan peningkatan nisbah bancuhan. Di samping itu, keliatan patah awal dan stabil interlayer di bawah nisbah campuran yang berbeza boleh diterangkan oleh kriteria BK.
Dari segi stratifikasi keletihan, penyambungan gentian yang ketara juga diperhatikan semasa ujian. Melalui analisis data ujian, didapati pengembangan delaminasi kelesuan bahan komposit dipengaruhi oleh "lengkung rintangan", supaya model kadar pengembangan stratifikasi lesu tradisional dan nilai ambang tidak lagi terpakai. Berdasarkan analisis teori, Zhang dan Peng^[4,8,9]memperkenalkan rintangan pengembangan delaminasi lesu untuk menyatakan tenaga yang diperlukan untuk pengembangan delaminasi lesu bahan komposit, dan seterusnya mencadangkan tenaga terikan yang dinormalisasi. Kadar pelepasan ialah model kadar pengembangan berstrata keletihan dan nilai ambang parameter kawalan. Kebolehgunaan model dan parameter ambang normal disahkan oleh eksperimen. Selanjutnya, Zhao et al.^[3]mempertimbangkan secara menyeluruh kesan penyambung gentian, nisbah tegasan dan nisbah pencampuran beban ke atas stratifikasi keletihan dan tingkah laku pengembangan, dan mewujudkan model kadar pengembangan berstrata keletihan yang dinormalisasi dengan mengambil kira pengaruh nisbah tegasan. Ketepatan model telah disahkan oleh ujian stratifikasi keletihan dengan nisbah tegasan dan nisbah campuran yang berbeza. Untuk kuantiti fizikal rintangan pengembangan berstrata lesu dalam model kadar pengembangan berstrata lesu ternormal, Gong et al.^[1]mengatasi kelemahan kaedah pengiraan yang hanya boleh memperoleh titik data diskret terhad melalui eksperimen, dan mewujudkan keletihan dari sudut tenaga. Model analitikal untuk pengiraan rintangan lanjutan berstrata. Model ini boleh merealisasikan penentuan kuantitatif stratifikasi keletihan dan rintangan pengembangan, dan menyediakan sokongan teori untuk aplikasi model kadar pengembangan berstrata keletihan yang dinormalisasi yang dicadangkan.

Rajah 1 rajah peranti ujian berstrata

Rajah 2 Keliatan patah antara lapisan R keluk rintangan^[5]


Rajah 3 Zon kerosakan pinggir hadapan berlapis dan morfologi lanjutan berstrata^[5]

2. Kajian simulasi berangka

Simulasi berangka pengembangan berlapis merupakan kandungan penyelidikan penting dalam bidang reka bentuk struktur komposit. Apabila meramalkan kegagalan delaminasi lamina satu arah komposit, kriteria pengembangan stratifikasi sedia ada biasanya menggunakan keliatan patah interlaminar malar sebagai parameter prestasi asas.^[10], dengan membandingkan kadar pelepasan tenaga hujung retak dan keliatan patah interlaminar. Saiz untuk menentukan sama ada lapisan mengembang. Mekanisme kegagalan lamina berbilang arah adalah kompleks^[11,12], yang dicirikan oleh lengkung rintangan R yang ketara^[5,13]. Kriteria pengembangan berlapis sedia ada tidak mengambil kira ciri ini dan tidak terpakai pada simulasi kelakuan delaminasi lamina berbilang arah berjembatan yang mengandungi gentian. Gong et al.^{[10, 13]}menambah baik kriteria pengembangan berstrata sedia ada dan mencadangkan untuk memperkenalkan keluk rintangan R ke dalam kriteria, dan berdasarkan ini, mewujudkan kriteria pengembangan berstrata mengambil kira kesan penyambungan gentian. Takrifan dan parameter penggunaan unit kohesif konstitutif bilinear telah dikaji secara sistematik dengan kaedah berangka, termasuk kekakuan antara muka awal, kekuatan antara muka, pekali kelikatan dan bilangan minimum elemen dalam zon daya pakatan. Model parameter unit kohesif yang sepadan telah diwujudkan. Akhir sekali, keberkesanan dan kebolehgunaan kriteria pengembangan berlapis yang dipertingkatkan dan model parameter unit kohesif disahkan melalui ujian stratifikasi statik. Walau bagaimanapun, kriteria yang dipertingkatkan hanya boleh digunakan untuk simulasi berlapis satu dimensi disebabkan kebergantungan kedudukan dan bukan untuk sambungan hierarki dua atau tiga dimensi. Bagi menyelesaikan masalah ini, penulis seterusnya mencadangkan satu konstitutif daya pakatan trilinear baharu yang mempertimbangkan penyambungan gentian.^[14]. Hubungan konstitutif sesuai dengan proses pengembangan berlapis yang kompleks dari perspektif mikroskopik, dan mempunyai kelebihan parameter mudah dan makna fizikal yang jelas.
Di samping itu, untuk mensimulasikan dengan tepat fenomena migrasi berstrata yang biasa dalam proses stratifikasi lamina berbilang arah^[11,12], Zhao et al.^[11,12]mencadangkan model panduan laluan retak berdasarkan elemen terhingga lanjutan, mensimulasikan reka bentuk khas. Penghijrahan hierarki dalam ujian stratifikasi komposit. Pada masa yang sama, model pengembangan berlapis dicadangkan untuk kelakuan pengembangan berlapis zigzag di sepanjang antara muka berlapis 90°/90°, yang mensimulasikan dengan tepat kelakuan pengembangan berlapis antara muka 90°/90°.

Rajah 4 Simulasi berangka bagi migrasi berlapis dan keputusan eksperimen^[15]

Kesimpulan

Kertas kerja ini memfokuskan kepada hasil kajian kumpulan ini dalam bidang delaminasi lamina komposit. Aspek eksperimen terutamanya termasuk pengaruh sudut susun atur antara muka dan penyambung gentian pada tingkah laku pengembangan delaminasi statik dan keletihan. Melalui sejumlah besar kajian eksperimen, didapati bahawa mekanisme kegagalan lamina berbilang arah bahan komposit adalah rumit. Penyambung gentian ialah mekanisme peneguhan lazim bagi lamina berbilang arah, yang merupakan sebab utama bagi lengkung rintangan R bagi keliatan patah antara laminar. Pada masa ini, kajian keluk rintangan R di bawah stratifikasi II agak kurang dan memerlukan kajian lanjut. Bermula dari mekanisme kegagalan, model stratifikasi lesu termasuk pelbagai faktor yang mempengaruhi dicadangkan, iaitu hala tuju penyelidikan stratifikasi lesu. Dari segi simulasi berangka, kumpulan penyelidik mencadangkan kriteria pengembangan hierarki yang lebih baik dan model konstitutif kohesif untuk mempertimbangkan pengaruh penyambung gentian ke atas tingkah laku pengembangan berstrata. Selain itu, elemen terhingga lanjutan digunakan untuk mensimulasikan fenomena migrasi hierarki dengan lebih baik. Kaedah ini menghapuskan keperluan untuk pembahagian sel halus, menghapuskan masalah yang berkaitan dengan pembahagian semula jaringan. Ia mempunyai kelebihan unik dalam mensimulasikan stratifikasi bentuk arbitrari, dan lebih banyak penyelidikan aplikasi kejuruteraan kaedah ini diperlukan pada masa hadapan^[16].

Rujukan

[1] Y Gong, L Zhao, J Zhang, N Hu. Model baru untuk menentukan rintangan delaminasi keletihan dalam lamina komposit dari sudut pandangan tenaga. Compos Sci Technol 2018; 167: 489-96.
[2] L Zhao, Y Wang, J Zhang, Y Gong, N Hu, N Li. Model berasaskan XFEM untuk mensimulasikan pertumbuhan delaminasi zigzag dalam komposit berlamina di bawah pemuatan mod I. Struktur Kompos 2017; 160: 1155-62.
[3] L Zhao, Y Gong, J Zhang, Y Wang, Z Lu, L Peng, N Hu. Tafsiran baru tentang tingkah laku pertumbuhan delaminasi keletihan dalam lamina berbilang arah CFRP. Compos Sci Technol 2016; 133: 79-88.
[4] L Peng, J Zhang, L Zhao, R Bao, H Yang, B Fei. Mod I pertumbuhan delaminasi lamina komposit berbilang arah di bawah beban keletihan. J Compos Mater 2011; 45: 1077-90.
[5] L Zhao, Y Wang, J Zhang, Y Gong, Z Lu, N Hu, J Xu. Model keliatan patah dataran tinggi yang bergantung kepada antara muka dalam lamina CFRP pelbagai arah di bawah pemuatan mod I. Komposit Bahagian B: Kejuruteraan 2017; 131: 196-208.
[6] L Zhao, Y Gong, J Zhang, Y Chen, B Fei. Simulasi pertumbuhan delaminasi dalam lamina berbilang arah di bawah pemuatan mod I dan mod campuran I/II menggunakan elemen kohesif. Struktur Kompos 2014; 116: 509-22.
[7] Y Gong, B Zhang, L Zhao, J Zhang, N Hu, C Zhang. Tingkah laku lengkung R bagi penyelaminasi I/II mod campuran dalam lamina karbon/epoksi dengan antara muka satu arah dan berbilang arah. Struktur Kompos 2019. (Dalam Semakan).
[8] L Peng, J Xu, J Zhang, L Zhao. Pertumbuhan delaminasi mod campuran lamina komposit berbilang arah di bawah pemuatan keletihan. Eng Fract Mech 2012; 96: 676-86.
[9] J Zhang, L Peng, L Zhao, B Fei. Kadar pertumbuhan delaminasi keletihan dan ambang lamina komposit di bawah pemuatan mod campuran. Int J Fatigue 2012; 40: 7-15.
[10] Y Gong, L Zhao, J Zhang, Y Wang, N Hu. Kriteria perambatan delaminasi termasuk kesan penyambung gentian untuk delaminasi mod campuran I/II dalam lamina berbilang arah CFRP. Compos Sci Technol 2017; 151: 302-9.
[11] Y Gong, B Zhang, SR Hallett. Penghijrahan delaminasi dalam lamina komposit berbilang arah di bawah mod I quasi-statik dan pemuatan keletihan. Struktur Kompos 2018; 189: 160-76.
[12] Y Gong, B Zhang, S Mukhopadhyay, SR Hallett. Kajian eksperimen tentang migrasi delaminasi dalam lamina berbilang arah di bawah mod II pemuatan statik dan lesu, dengan perbandingan dengan mod I. Struktur Kompos 2018; 201: 683-98.
[13] Y Gong, L Zhao, J Zhang, N Hu. Kriteria undang-undang kuasa yang dipertingkatkan untuk perambatan delaminasi dengan kesan penyambung gentian berskala besar dalam lamina berbilang arah komposit. Struktur Kompos 2018; 184: 961-8.
[14] Y Gong, Y Hou, L Zhao, W Li, G Yang, J Zhang, N Hu. Model zon kohesif tiga linear novel untuk pertumbuhan delaminasi dalam lamina DCB dengan kesan penyambung gentian. Struktur Kompos 2019. (Untuk diserahkan)
[15] L Zhao, J Zhi, J Zhang, Z Liu, N Hu. Simulasi XFEM delaminasi dalam lamina komposit. Komposit Bahagian A: Sains Gunaan dan Pembuatan 2016; 80: 61-71.
[16] Zhao Libin, Gong Yu, Zhang Jianyu. Kemajuan penyelidikan tentang tingkah laku pengembangan berstrata bagi lamina komposit bertetulang gentian. Jurnal Sains Aeronautik 2019: 1-28.

Sumber:Gong Yu, Wang Yana, Peng Lei, Zhao Libin, Zhang Jianyu.Kajian tentang tingkah laku pengembangan berstrata bagi lamina komposit bertetulang gentian karbon termaju[C]. Mekanik dan Kejuruteraan - Pengiraan Berangka dan Analisis Data 2019 Persidangan Akademik. Persatuan Mekanik Cina, Persatuan Mekanik Beijing, 2019. melalui ixueshu