Studju dwar l-Imġieba tal-Espansjoni f'Saffi ta' Folja Laminata Komposta Msaħħa bil-Fibra tal-Karbonju Avvanzata

MEKKANIKA U INĠINERIJA - Komputazzjoni Numerika u Analiżi tad-Data
Mekkanika u Inġinerija — Kalkoli Numeriki u Analiżi tad-Data Konferenza Akkademika 2019, 19-21 ta' April, 2019, Beijing
19-21 ta' April, 2019, Beijing, iċ-Ċina

Studju dwar l-Imġieba tal-Espansjoni f'Saffi ta' Folja Laminata Komposta Msaħħa bil-Fibra tal-Karbonju Avvanzata

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

¹Università ta' Chongqing, Chongqing, 400044, iċ-Ċina
²Istitut tar-Riċerka dwar l-Avjazzjoni taċ-Ċina Istitut tar-Riċerka dwar il-Materjali Ajrunawtiċi ta' Beijing, Beijing, 100095, iċ-Ċina
³Ajruplani Kummerċjali taċ-Ċina Ċentru ta' Riċerka dwar it-Teknoloġija tal-Ajruplani Ċivili ta' Beijing, Beijing, 102211, iċ-Ċina
⁴Università tal-Ajrunawtika u l-Astronawtika ta' Beijing, Beijing, 100191, iċ-Ċina

AstrattL-istruttura laminata hija waħda mill-konfigurazzjonijiet komposti l-aktar użati komunement għall-kompożiti, iżda d-delaminazzjoni ssir il-mod ewlieni ta' falliment tagħha minħabba proprjetajiet interlaminari dgħajfa. Ir-riċerka dwar l-istratifikazzjoni u l-imġiba ta' espansjoni tal-laminat b'ħafna saffi li tintuża komunement fil-prattika tal-inġinerija dejjem kienet suġġett jaħraq għall-istudjużi. F'dan id-dokument, ir-riżultati tar-riċerka tad-delaminazzjoni komposta rinfurzata bil-fibra tal-karbonju fl-Università ta' Chongqing u l-Laboratorju tal-Ksur tal-Għeja tal-Università ta' Beijing tal-Ajrunawtika u l-Astronawtika huma introdotti minn żewġ aspetti tar-riċerka sperimentali u s-simulazzjoni numerika. Fl-aħħar nett, id-direzzjoni tal-iżvilupp tal-qasam hija prospettiva.

Kliem ewlieni:kompost rinforzat bil-fibra tal-karbonju, laminat, delaminazzjoni, stratifikazzjoni tal-għeja

introduzzjoni

Materjali komposti għandhom proprjetajiet eċċellenti bħal saħħa speċifika għolja u ebusija speċifika għolja, u ntużaw ħafna fl-aerospazju, fit-teknoloġija tal-enerġija, u fit-trasport ċivili u l-kostruzzjoni. Matul l-ipproċessar u l-użu ta' materjali komposti, il-fibri u l-matriċi jgħaddu minn gradi differenti ta' ħsara taħt tagħbija. Modi komuni ta' ħsara għal laminati komposti jinkludu ħsara bejn is-saffi u ħsara fi ħdan is-saffi. Minħabba n-nuqqas ta' rinfurzar fid-direzzjoni tal-ħxuna, il-proprjetajiet mekkaniċi laterali tal-laminat huma fqar, u l-ħsara mid-delaminazzjoni x'aktarx li sseħħ taħt tagħbijiet ta' impatt estern. L-okkorrenza u l-espansjoni ta' ħsara stratifikata jwasslu għal tnaqqis fir-riġidità u s-saħħa strutturali, u saħansitra jikkawżaw inċidenti katastrofiċi.^[1-3]Għalhekk, il-problema tad-delaminazzjoni qed tiġi kkunsidrata dejjem aktar fid-disinn strutturali u l-analiżi tas-saħħa tal-materjali komposti, u huwa neċessarju li jiġi studjat l-imġiba tal-espansjoni f'saffi tal-materjali komposti.^[4].

Riċerka dwar l-imġiba tal-espansjoni f'saffi tal-laminat
1. Studju sperimentali

It-toughness tal-frattura interlaminari hija parametru karatteristiku tal-proprjetajiet mekkaniċi bejn is-saffi komposti. Ġew stabbiliti standards ta' testijiet korrispondenti għad-determinazzjoni tat-toughness tal-frattura interlaminari ta' laminati unidirezzjonali ibridi tat-Tip I, Tip II u I/II. L-apparat tat-test korrispondenti huwa muri fil-Figura 1. Madankollu, il-laminati multidirezzjonali ta' materjali komposti spiss jintużaw fl-istruttura tal-inġinerija attwali. Għalhekk, l-istudju sperimentali dwar l-imġiba tal-istratifikazzjoni u l-espansjoni ta' laminati multidirezzjonali għandu sinifikat teoretiku u valur ta' inġinerija aktar importanti. L-inizjazzjoni u l-espansjoni tas-saff tal-laminat b'ħafna saffi jseħħu bejn interfaċċji b'angoli ta' saffi arbitrarji, u l-imġiba ta' espansjoni f'saffi hija sinifikament differenti minn dik tal-laminati unidirezzjonali, u l-mekkaniżmu ta' espansjoni huwa aktar ikkumplikat. Ir-riċerkaturi għandhom relattivament ftit studji sperimentali fuq laminati multidirezzjonali, u d-determinazzjoni tat-toughness tal-frattura interlaminari għadha ma stabbilixxietx standard internazzjonali. It-tim tar-riċerka uża l-fibra tal-karbonju T700 u T800 biex jiddisinja varjetà ta' laminati komposti b'angoli ta' tqassim ta' interfaċċja differenti, u studja l-influwenza tal-angolu ta' tqassim ta' interfaċċja u l-pont tal-fibra fuq l-imġiba tad-delaminazzjoni statika u tal-għeja. Instab li l-pont tal-fibra ffurmat mit-tarf ta' wara tas-saff għandu influwenza kbira fuq ir-reżistenza għall-ksur interlaminari. Hekk kif l-istratifikazzjoni tespandi, ir-reżistenza għall-ksur interlaminari tiżdied gradwalment minn valur inizjali aktar baxx, u meta l-istratifikazzjoni tilħaq ċertu tul, tilħaq valur stabbli, jiġifieri, il-fenomenu tal-kurva tar-reżistenza R. Ir-reżistenza inizjali għall-ksur tas-saff ta' bejn is-saff hija kważi ugwali u bejn wieħed u ieħor ugwali għar-reżistenza għall-ksur tar-reżina, li tiddependi fuq ir-reżistenza għall-ksur tal-matriċi nnifisha.^{[5, 6]}Madankollu, il-valuri tal-estensjoni tat-teħeffa tal-ksur interlaminari ta' interfaċċji differenti jvarjaw ħafna. Hija ppreżentata dipendenza sinifikanti mill-angolu tas-saff tal-interfaċċja. Bi tweġiba għal din id-dipendenza, Zhao et al.^[5]Abbażi tal-mekkaniżmu fiżiku tas-sors ta' reżistenza stratifikata, huwa kkunsidrat li l-valur tal-istabbiltà tat-teħeffa tal-ksur interlaminari jikkonsisti f'żewġ partijiet, parti waħda hija x-xogħol tal-ksur tal-interfaċċja tas-saff mhux relatat, u l-parti l-oħra hija l-ħsara intralaminari u l-fibra. Ix-xogħol tal-ksur ikkawżat mill-pont. Permezz tal-analiżi tal-element finit tal-kamp tal-front tal-istress tal-front f'saffi, instab li t-tieni parti tax-xogħol tal-ksur jiddependi fuq il-fond taż-żona tal-ħsara tal-front tad-delaminazzjoni (kif muri fil-Figura 3), u l-fond taż-żona tal-ħsara huwa proporzjonali għall-angolu tat-tqassim tal-interfaċċja. Jiġi ppreżentat mudell teoretiku tal-valur tal-istabbiltà tat-teħeffa tal-ksur tat-tip I espress mill-funzjoni sinusoidali tal-angolu tas-saff tal-interfaċċja.
Gong et al.^[7]wettaq it-test tal-istratifikazzjoni ibrida I/II taħt proporzjonijiet ta' taħlit differenti, u sabu li l-istratifikazzjoni ibrida I/II fil-laminat għandha wkoll karatteristiċi sinifikanti tal-kurva tar-reżistenza R. Permezz tal-analiżi tat-toughness tal-ksur bejn biċċiet tat-test differenti, instab li l-valur inizjali u l-valur stabbli tat-toughness tal-ksur interlaminari tal-biċċa tat-test jiżdiedu b'mod sinifikanti biż-żieda tal-proporzjon tat-taħlit. Barra minn hekk, it-toughness tal-ksur inizjali u stabbli tas-saff ta' bejn is-saff taħt proporzjonijiet ta' taħlit differenti tista' tiġi deskritta bil-kriterju BK.
F'termini ta' stratifikazzjoni tal-għeja, ġie osservat ukoll formazzjoni sinifikanti ta' pontijiet tal-fibri matul it-test. Permezz tal-analiżi tad-dejta tat-test, instab li l-espansjoni tad-delaminazzjoni tal-għeja tal-materjal kompost hija affettwata mill-"kurva tar-reżistenza", sabiex il-mudell tradizzjonali tar-rata ta' espansjoni tal-istratifikazzjoni tal-għeja u l-valur limitu m'għadhomx applikabbli. Abbażi ta' analiżi teoretika, Zhang u Peng^[4,8,9]introduċa r-reżistenza għall-espansjoni tad-delaminazzjoni tal-għeja biex jesprimi l-enerġija meħtieġa għall-espansjoni tad-delaminazzjoni tal-għeja ta' materjali komposti, u ppropona wkoll l-enerġija normalizzata tat-tensjoni. Ir-rata ta' rilaxx hija l-mudell tar-rata ta' espansjoni stratifikata tal-għeja u l-valur limitu tal-parametri ta' kontroll. L-applikabbiltà tal-mudell u l-parametru limitu normalizzat hija vverifikata permezz ta' esperimenti. Barra minn hekk, Zhao et al.^[3]Ikkunsidra b'mod komprensiv l-effetti tal-pont tal-fibri, il-proporzjon tal-istress u l-proporzjon tat-taħlit tat-tagħbija fuq l-imġiba tal-istratifikazzjoni u l-espansjoni tal-għeja, u stabbilixxa mudell normalizzat tar-rata ta' espansjoni stratifikata tal-għeja li jqis l-influwenza tal-proporzjon tal-istress. L-eżattezza tal-mudell ġiet ivverifikata permezz ta' testijiet ta' stratifikazzjoni tal-għeja b'proporzjonijiet ta' stress u proporzjonijiet ta' taħlit differenti. Għall-kwantità fiżika tar-reżistenza għall-espansjoni stratifikata tal-għeja fil-mudell normalizzat tar-rata ta' espansjoni stratifikata tal-għeja, Gong et al.^[1]tegħleb id-dgħufija tal-metodu ta' kalkolu li jista' jikseb biss punti ta' dejta diskreti limitati permezz ta' esperimenti, u jistabbilixxi l-għeja mill-perspettiva tal-enerġija. Mudell analitiku għall-kalkolu tar-reżistenza estiża stratifikata. Il-mudell jista' jirrealizza d-determinazzjoni kwantitattiva tal-istratifikazzjoni tal-għeja u r-reżistenza għall-espansjoni, u jipprovdi appoġġ teoretiku għall-applikazzjoni tal-mudell propost ta' rata ta' espansjoni stratifikata tal-għeja normalizzata.

Figura 1 dijagramma ta' apparat tat-test stratifikat

Figura 2 Kurva tar-reżistenza R għat-tgħaffiġ bejn is-saffi^[5]


Figura 3 Żona ta' ħsara fit-tarf ta' quddiem f'saffi u morfoloġija estiża stratifikata^[5]

2. Studju ta' simulazzjoni numerika

Is-simulazzjoni numerika tal-espansjoni f'saffi hija kontenut importanti ta' riċerka fil-qasam tad-disinn tal-istruttura komposta. Meta tiġi mbassra l-falliment tad-delaminazzjoni ta' laminati unidirezzjonali komposti, il-kriterji eżistenti tal-espansjoni tal-istratifikazzjoni ġeneralment jużaw it-toughness kostanti tal-ksur interlaminari bħala l-parametru bażiku tal-prestazzjoni.^[10], billi titqabbel ir-rata tar-rilaxx tal-enerġija tal-ponta tax-xquq u t-teħeffa tal-ksur interlaminari. Daqs biex jiġi determinat jekk is-saffi hux qed jespandi. Il-mekkaniżmu ta' falliment ta' laminati multidirezzjonali huwa kumpless^[11,12], li hija kkaratterizzata minn kurvi ta' reżistenza R sinifikanti^[5,13]Il-kriterji eżistenti ta' espansjoni f'saffi ma jqisux din il-karatteristika u ma japplikawx għas-simulazzjoni tal-imġiba tad-delaminazzjoni ta' laminati multidirezzjonali b'pont li fihom fibri. Gong et al.^{[10, 13]}tejjeb il-kriterji eżistenti ta' espansjoni stratifikata u ppropona li jintroduċi l-kurva tar-reżistenza R fil-kriterji, u abbażi ta' dan, stabbilixxa kriterju ta' espansjoni stratifikata li jqis l-effetti tal-pont tal-fibri. Il-parametri tad-definizzjoni u l-użu tal-unità koeżiva kostituttiva bilineari ġew studjati sistematikament b'metodi numeriċi, inkluż l-ebusija inizjali tal-interfaċċja, is-saħħa tal-interfaċċja, il-koeffiċjent tal-viskożità u n-numru minimu ta' elementi fiż-żona tal-forza koeżiva. Ġie stabbilit il-mudell tal-parametru tal-unità koeżiva korrispondenti. Fl-aħħar nett, l-effettività u l-applikabbiltà tal-kriterju mtejjeb ta' espansjoni f'saffi u l-mudell tal-parametru tal-unità koeżiva huma vverifikati permezz ta' test ta' stratifikazzjoni statika. Madankollu, il-kriterji mtejba jistgħu jintużaw biss għal simulazzjonijiet f'saffi unidimensjonali minħabba dipendenzi pożizzjonali u mhux għal estensjonijiet ġerarkiċi bidimensjonali jew tridimensjonali. Sabiex tissolva din il-problema, l-awtur ippropona wkoll forza koeżiva trilineari ġdida li tqis il-pont tal-fibri.^[14]Ir-relazzjoni kostituttiva taqbel mal-proċess kumpless ta' espansjoni f'saffi minn perspettiva mikroskopika, u għandha l-vantaġġi ta' parametri sempliċi u tifsira fiżika ċara.
Barra minn hekk, sabiex jiġi simulat b'mod preċiż il-fenomenu tal-migrazzjoni stratifikata komuni fil-proċess ta' stratifikazzjoni ta' laminati multidirezzjonali^[11,12], Zhao et al.^[11,12]ippropona mudell ta' gwida tal-mogħdija tax-xquq ibbażat fuq element finit estiż, li jissimula disinn speċjali. Migrazzjoni ġerarkika f'test ta' stratifikazzjoni komposta. Fl-istess ħin, huwa propost mudell ta' espansjoni f'saffi għall-imġiba ta' espansjoni f'saffi zigzag tul l-interfaċċja f'saffi ta' 90°/90°, li jissimula b'mod preċiż l-imġiba ta' espansjoni f'saffi tal-interfaċċja ta' 90°/90°.

Figura 4 Simulazzjoni numerika tal-migrazzjoni f'saffi u riżultati sperimentali^[15]

Konklużjoni

Dan id-dokument jiffoka fuq ir-riżultati tar-riċerka ta' dan il-grupp fil-qasam tad-delaminazzjoni tal-laminati komposti. L-aspetti sperimentali jinkludu prinċipalment l-influwenza tal-angolu tat-tqassim tal-interfaċċja u l-pont tal-fibra fuq l-imġiba tal-espansjoni statika u tad-delaminazzjoni tal-għeja. Permezz ta' numru kbir ta' studji sperimentali, instab li l-mekkaniżmu ta' falliment tal-laminat multidirezzjonali tal-materjali komposti huwa kkumplikat. Il-pont tal-fibra huwa mekkaniżmu komuni ta' tisħiħ tal-laminati multidirezzjonali, li hija r-raġuni ewlenija għall-kurva tar-reżistenza R tat-toughness tal-ksur interlaminari. Fil-preżent, l-istudju tal-kurva tar-reżistenza R taħt l-istratifikazzjoni II huwa relattivament nieqes u jeħtieġ aktar riċerka. Nibdew mill-mekkaniżmu tal-falliment, huwa propost il-mudell ta' stratifikazzjoni tal-għeja li jinkludi diversi fatturi ta' influwenza, li hija direzzjoni tar-riċerka dwar l-istratifikazzjoni tal-għeja. F'termini ta' simulazzjoni numerika, il-grupp ta' riċerka ppropona kriterju ta' espansjoni ġerarkika mtejjeb u mudell kostituttiv koeżiv biex jikkunsidra l-influwenza tal-pont tal-fibra fuq l-imġiba tal-espansjoni stratifikata. Barra minn hekk, l-element finit estiż jintuża biex jissimula aħjar il-fenomenu tal-migrazzjoni ġerarkika. Dan il-metodu jelimina l-ħtieġa għal diviżjoni fina taċ-ċelluli, u jelimina l-problemi assoċjati mad-diviżjoni mill-ġdid tal-malja. Għandu vantaġġi uniċi fis-simulazzjoni tal-istratifikazzjoni ta' forom arbitrarji, u aktar riċerka dwar l-applikazzjoni tal-inġinerija ta' dan il-metodu hija meħtieġa fil-futur.^[16].

Referenzi

[1] Y Gong, L Zhao, J Zhang, N Hu. Mudell ġdid għad-determinazzjoni tar-reżistenza għad-delaminazzjoni tal-għeja f'laminati komposti minn perspettiva tal-enerġija. Compos Sci Technol 2018; 167: 489-96.
[2] L Zhao, Y Wang, J Zhang, Y Gong, N Hu, N Li. Mudell ibbażat fuq XFEM għas-simulazzjoni tat-tkabbir tad-delaminazzjoni zigzag f'kompożiti laminati taħt tagħbija tal-modalità I. Compos Struct 2017; 160: 1155-62.
[3] L Zhao, Y Gong, J Zhang, Y Wang, Z Lu, L Peng, N Hu. Interpretazzjoni ġdida tal-imġiba tat-tkabbir tad-delaminazzjoni tal-għeja f'laminati multidirezzjonali tas-CFRP. Compos Sci Technol 2016; 133: 79-88.
[4] L Peng, J Zhang, L Zhao, R Bao, H Yang, B Fei. Tkabbir tad-delaminazzjoni tal-Modalità I ta' laminati komposti multidirezzjonali taħt tagħbija ta' għeja. J Compos Mater 2011; 45: 1077-90.
[5] L Zhao, Y Wang, J Zhang, Y Gong, Z Lu, N Hu, J Xu. Mudell dipendenti fuq l-interfaċċja tat-reżistenza għall-ksur tal-plateau f'laminati CFRP multidirezzjonali taħt tagħbija tal-modalità I. Composites Part B: Engineering 2017; 131: 196-208.
[6] L Zhao, Y Gong, J Zhang, Y Chen, B Fei. Simulazzjoni tat-tkabbir tad-delaminazzjoni f'laminati multidirezzjonali taħt tagħbijiet tal-modalità I u tal-modalità mħallta I/II bl-użu ta' elementi koeżivi. Compos Struct 2014; 116: 509-22.
[7] Y Gong, B Zhang, L Zhao, J Zhang, N Hu, C Zhang. Imġieba tal-kurva R tad-delaminazzjoni I/II b'modalità mħallta f'laminati tal-karbonju/epossi b'interfaċċji unidirezzjonali u multidirezzjonali. Compos Struct 2019. (Taħt Reviżjoni).
[8] L Peng, J Xu, J Zhang, L Zhao. Tkabbir ta' delaminazzjoni f'modalità mħallta ta' laminati komposti multidirezzjonali taħt tagħbija ta' għeja. Eng Fract Mech 2012; 96: 676-86.
[9] J Zhang, L Peng, L Zhao, B Fei. Rati ta' tkabbir tad-delaminazzjoni tal-għeja u limiti ta' laminati komposti taħt tagħbija ta' mod imħallat. Int J Fatigue 2012; 40: 7-15.
[10] Y Gong, L Zhao, J Zhang, Y Wang, N Hu. Kriterju tal-propagazzjoni tad-delaminazzjoni inkluż l-effett tal-pont tal-fibra għad-delaminazzjoni tal-modalità mħallta I/II f'laminati multidirezzjonali CFRP. Compos Sci Technol 2017; 151: 302-9.
[11] Y Gong, B Zhang, SR Hallett. Migrazzjoni tad-delaminazzjoni f'laminati komposti multidirezzjonali taħt tagħbija kważi-statika u ta' għeja tal-modalità I. Compos Struct 2018; 189: 160-76.
[12] Y Gong, B Zhang, S Mukhopadhyay, SR Hallett. Studju sperimentali dwar il-migrazzjoni tad-delaminazzjoni f'laminati multidirezzjonali taħt tagħbija statika u ta' għeja tal-modalità II, b'paragun mal-modalità I. Compos Struct 2018; 201: 683-98.
[13] Y Gong, L Zhao, J Zhang, N Hu. Kriterju mtejjeb tal-liġi tal-qawwa għall-propagazzjoni tad-delaminazzjoni bl-effett ta' pontijiet ta' fibri fuq skala kbira f'laminati komposti multidirezzjonali. Compos Struct 2018; 184: 961-8.
[14] Y Gong, Y Hou, L Zhao, W Li, G Yang, J Zhang, N Hu. Mudell ġdid ta' żona koeżiva bi tliet lineari għat-tkabbir tad-delaminazzjoni f'laminati DCB bl-effett ta' pontijiet tal-fibri. Compos Struct 2019. (Għandha tiġi sottomessa)
[15] L Zhao, J Zhi, J Zhang, Z Liu, N Hu. Simulazzjoni XFEM tad-delaminazzjoni f'laminati komposti. Komposti Parti A: Xjenza Applikata u Manifattura 2016; 80: 61-71.
[16] Zhao Libin, Gong Yu, Zhang Jianyu. Progress fir-riċerka dwar l-imġiba ta' espansjoni stratifikata ta' laminati komposti rinforzati bil-fibra. Ġurnal tax-Xjenzi Aeronawtiċi 2019: 1-28.

Sors:Gong Yu, Wang Yana, Peng Lei, Zhao Libin, Zhang Jianyu. Studju dwar l-imġiba ta' espansjoni stratifikata ta' laminati komposti avvanzati rinforzati bil-fibra tal-karbonju [C]. Mekkanika u Inġinerija - Komputazzjoni Numerika u Analiżi tad-Dejta 2019 Konferenza Akkademika. Soċjetà Ċiniża tal-Mekkanika, Soċjetà tal-Mekkanika ta' Beijing, 2019. permezz ta' ixueshu