Onderzoek naar gelaagd expansiegedrag van geavanceerde koolstofvezelversterkte composietlaminaatplaten

MECHANICA EN TECHNIEK - Numerieke berekeningen en data-analyse
Mechanica en techniek - Numerieke berekeningen en data-analyse 2019 Academische conferentie, 19-21 april 2019, Beijing
19-21 april 2019, Peking, China

Onderzoek naar gelaagd expansiegedrag van geavanceerde koolstofvezelversterkte composietlaminaatplaten

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

¹Universiteit van Chongqing, Chongqing, 400044, China
²China Aviation Research Institute Beijing Aeronautical Materials Research Institute, Beijing, 100095, China
³China Commerciële Vliegtuigen Beijing Civiel Vliegtuigtechnologie Onderzoekscentrum, Beijing, 102211, China
⁴Universiteit voor Luchtvaart en Ruimtevaart van Peking, Peking, 100191, China

AbstractLaminaatstructuur is een van de meest gebruikte composietconfiguraties, maar delaminatie wordt de belangrijkste faalfactor vanwege zwakke interlaminaire eigenschappen. Onderzoek naar de gelaagdheid en het expansiegedrag van meerlaagse laminaatlagen, die veel worden gebruikt in de ingenieurspraktijk, is altijd een hot topic geweest voor wetenschappers. In dit artikel worden de onderzoeksresultaten van koolstofvezelversterkte composietdelaminatie aan de Universiteit van Chongqing en het Vermoeiingsbreuklaboratorium van de Universiteit van Beijing voor Lucht- en Ruimtevaart geïntroduceerd vanuit twee aspecten: experimenteel onderzoek en numerieke simulatie. Ten slotte wordt de ontwikkelingsrichting van het vakgebied verkend.

Trefwoorden:koolstofvezelversterkt composiet, laminaat, delaminatie, vermoeiingsstratificatie

invoering

Composietmaterialen hebben uitstekende eigenschappen, zoals een hoge specifieke sterkte en stijfheid, en worden veel gebruikt in de lucht- en ruimtevaart, energietechnologie, civiele transport en bouw. ​​Tijdens de verwerking en het gebruik van composietmaterialen zullen de vezels en matrix onder belasting in verschillende mate beschadigd raken. Veelvoorkomende faalwijzen voor composietlaminaten zijn schade tussen de lagen en schade binnen de lagen. Door het ontbreken van versterking in de dikterichting zijn de laterale mechanische eigenschappen van het laminaat slecht en is de kans op delaminatieschade bij externe impactbelastingen groot. Het optreden en de uitbreiding van gelaagde schade zal leiden tot een afname van de structurele stijfheid en sterkte, en zelfs catastrofale ongevallen veroorzaken.^[1-3]Daarom wordt het delaminatieprobleem steeds meer betrokken bij het structureel ontwerp en de sterkteanalyse van composietmaterialen, en is het noodzakelijk om het gelaagde expansiegedrag van composietmaterialen te bestuderen^[4].

Onderzoek naar gelaagd expansiegedrag van laminaat
1. Experimenteel onderzoek

Interlaminaire breuktaaiheid is een karakteristieke parameter voor de mechanische eigenschappen tussen composietlagen. Er zijn overeenkomstige testnormen vastgesteld voor het bepalen van de interlaminaire breuktaaiheid van hybride unidirectionele laminaten van type I, type II en I/II. De bijbehorende testapparatuur is weergegeven in figuur 1. Multidirectionele laminaten van composietmaterialen worden echter vaak gebruikt in de daadwerkelijke technische constructie. Daarom heeft de experimentele studie naar het stratificatie- en expansiegedrag van multidirectionele laminaten een belangrijkere theoretische betekenis en technische waarde. De initiatie en expansie van meerlagige laminaatlagen vinden plaats tussen grensvlakken met willekeurige lagenhoeken, en het gelaagde expansiegedrag verschilt aanzienlijk van dat van unidirectionele laminaten, en het expansiemechanisme is complexer. Onderzoekers hebben relatief weinig experimentele studies uitgevoerd naar multidirectionele laminaten, en de bepaling van de interlaminaire breuktaaiheid heeft nog geen internationale standaard vastgesteld. Het onderzoeksteam gebruikte T700- en T800-koolstofvezels om diverse composietlaminaten te ontwerpen met verschillende interface layup-hoeken en bestudeerde de invloed van de interface layup-hoek en vezelbrugvorming op statisch en vermoeiingsdelaminatiegedrag. Het is gebleken dat vezelbrugvorming, gevormd door de achterrand van de laag, een grote invloed heeft op de interlaminaire breuktaaiheid. Naarmate de gelaagdheid zich uitbreidt, zal de interlaminaire breuktaaiheid geleidelijk toenemen vanaf een lagere initiële waarde, en wanneer de gelaagdheid een bepaalde lengte bereikt, bereikt deze een stabiele waarde, d.w.z. het fenomeen van de R-weerstandscurve. De initiële breuktaaiheid van de tussenlaag is nagenoeg gelijk en ongeveer gelijk aan de breuktaaiheid van de hars, die afhankelijk is van de breuktaaiheid van de matrix zelf.^{[5, 6]}De waarden voor de interlaminaire breuktaaiheidsextensie van verschillende interfaces variëren echter sterk. Er wordt een significante hoekafhankelijkheid van de interfacelaag gepresenteerd. Als reactie op deze afhankelijkheid, Zhao et al.^[5]Gebaseerd op het fysieke mechanisme van de gelaagde weerstandsbron, wordt aangenomen dat de interlaminaire breuktaaiheidsstabiliteitswaarde uit twee delen bestaat: één deel is de breukarbeid van de niet-gerelateerde laaginterface, en het andere deel is de intralaagschade en vezel. De breukarbeid veroorzaakt door brugvorming. Door de eindige elementenanalyse van het spanningsfrontveld van de gelaagde front, blijkt dat het tweede deel van de breukarbeid afhankelijk is van de diepte van de delaminatiefrontschadezone (zoals weergegeven in Figuur 3), en dat de diepte van de schadezone evenredig is met de layuphoek van de interface. Een theoretisch model van de I-type breuktaaiheidsstabiliteitswaarde, uitgedrukt als de sinusfunctie van de interfacelaaghoek, wordt gepresenteerd.
Gong et al.^[7]We hebben de I/II-hybridestratificatietest uitgevoerd onder verschillende mengverhoudingen en ontdekt dat de I/II-hybridestratificatie in het laminaat ook significante R-weerstandscurve-eigenschappen heeft. Door de breuktaaiheid tussen verschillende proefstukken te analyseren, blijkt dat de initiële waarde en de stabiele waarde van de interlaminaire breuktaaiheid van het proefstuk significant toenemen met de toename van de mengverhouding. Bovendien kunnen de initiële en stabiele breuktaaiheid van de tussenlaag onder verschillende mengverhoudingen worden beschreven met het BK-criterium.
Wat betreft vermoeiingsstratificatie werd tijdens de test ook significante vezelbrugvorming waargenomen. Analyse van de testgegevens toont aan dat de vermoeiingsdelaminatie-expansie van het composietmateriaal wordt beïnvloed door de "weerstandscurve", waardoor het traditionele vermoeiingsstratificatie-expansiesnelheidsmodel en de drempelwaarde niet langer van toepassing zijn. Op basis van theoretische analyse concluderen Zhang en Peng dat^[4,8,9]introduceerden de weerstand tegen vermoeiingsdelaminatie-expansie om de energie uit te drukken die nodig is voor de vermoeiingsdelaminatie-expansie van composietmaterialen, en stelden verder de genormaliseerde rekenergie voor. De loslaatsnelheid is het gestratificeerde vermoeiingsexpansiesnelheidsmodel en de drempelwaarde van de controleparameters. De toepasbaarheid van het model en de genormaliseerde drempelparameter is experimenteel geverifieerd. Verder, Zhao et al.^[3]De effecten van vezeloverbrugging, spanningsverhouding en belasting-mengverhouding op vermoeiingsstratificatie en expansiegedrag zijn uitgebreid onderzocht en er is een genormaliseerd model voor vermoeiingsstratificatie en expansiesnelheid ontwikkeld, rekening houdend met de invloed van de spanningsverhouding. De nauwkeurigheid van het model werd geverifieerd door middel van vermoeiingsstratificatietests met verschillende spanningsverhoudingen en mengverhoudingen. Voor de fysische grootheid van de weerstand tegen vermoeiingsstratificatie in het genormaliseerde model voor vermoeiingsstratificatie en expansiesnelheid, hebben Gong et al.^[1]De zwakte van de berekeningsmethode, die slechts beperkte discrete datapunten kan verkrijgen door middel van experimenten, overwinnen en vermoeiing vanuit energieoogpunt vaststellen. Een analytisch model voor de berekening van gestratificeerde, uitgebreide weerstand. Het model kan de kwantitatieve bepaling van vermoeiingsstratificatie en uitzettingsweerstand realiseren en theoretische ondersteuning bieden voor de toepassing van het voorgestelde genormaliseerde model voor vermoeiingsstratificatie en uitzettingssnelheid.

Figuur 1 diagram van een gestratificeerd testapparaat

Figuur 2 R-weerstandscurve voor breuktaaiheid tussen de lagen^[5]


Figuur 3 Gelaagde voorrandschadezone en gelaagde uitgebreide morfologie^[5]

2. Numerieke simulatiestudie

De numerieke simulatie van gelaagde expansie is een belangrijk onderzoeksthema op het gebied van het ontwerp van composietstructuren. Bij het voorspellen van delaminatiefalen van unidirectionele composietlaminaten gebruiken de bestaande criteria voor gelaagde expansie doorgaans een constante interlaminaire breuktaaiheid als basisprestatieparameter.^[10], door de energieafgiftesnelheid van de scheurtip en de interlaminaire breuktaaiheid te vergelijken. De grootte om te bepalen of de gelaagdheid uitzet. Het faalmechanisme van multidirectionele laminaten is complex.^[11,12], die wordt gekenmerkt door significante R-weerstandscurven^[5,13]De bestaande gelaagde expansiecriteria houden geen rekening met deze eigenschap en zijn niet van toepassing op de simulatie van het delaminatiegedrag van vezelbevattende gebrugde multidirectionele laminaten. Gong et al.^{[10, 13]}De bestaande gelaagde expansiecriteria zijn verbeterd en er is voorgesteld om de R-weerstandscurve in de criteria te introduceren. Op basis hiervan is een gelaagd expansiecriterium opgesteld, rekening houdend met de effecten van vezeloverbrugging. De definitie en gebruiksparameters van de bilineaire constitutieve cohesieve eenheid zijn systematisch bestudeerd met behulp van numerieke methoden, waaronder de initiële interface-stijfheid, interface-sterkte, viscositeitscoëfficiënt en het minimale aantal elementen in de cohesiekrachtzone. Het bijbehorende cohesie-eenheidsparametermodel is vastgesteld. Ten slotte zijn de effectiviteit en toepasbaarheid van het verbeterde gelaagde expansiecriterium en het cohesie-eenheidsparametermodel geverifieerd door middel van een statische stratificatietest. De verbeterde criteria kunnen echter alleen worden gebruikt voor eendimensionale gelaagde simulaties vanwege positionele afhankelijkheden en niet voor twee- of driedimensionale hiërarchische uitbreidingen. Om dit probleem op te lossen, heeft de auteur een nieuwe trilineaire cohesiekrachtconstitutieve eenheid voorgesteld, rekening houdend met vezeloverbrugging.^[14]De constitutieve relatie past bij het complexe proces van gelaagde uitbreiding vanuit een microscopisch perspectief en heeft de voordelen van eenvoudige parameters en een duidelijke fysieke betekenis.
Bovendien, om het fenomeen van gelaagde migratie dat veel voorkomt in het gelaagdheidsproces van multidirectionele laminaten nauwkeurig te simuleren^[11,12], Zhao et al.^[11,12]Een scheurpadgeleidingsmodel werd voorgesteld op basis van een uitgebreid eindig elementenmodel, dat een speciaal ontwerp simuleert. Hiërarchische migratie in een composietstratificatietest. Tegelijkertijd werd een gelaagd expansiemodel voorgesteld voor het zigzag gelaagde expansiegedrag langs de 90°/90° gelaagde interface, dat het gelaagde expansiegedrag van de 90°/90° interface nauwkeurig simuleert.

Figuur 4 Numerieke simulatie van gelaagde migratie en experimentele resultaten^[15]

Conclusie

Dit artikel richt zich op de onderzoeksresultaten van deze groep op het gebied van delaminatie van composietlaminaat. De experimentele aspecten omvatten voornamelijk de invloed van de lay-uphoek van de interface en vezelbrugvorming op het statische en vermoeiingsdelaminatie-expansiegedrag. Door een groot aantal experimentele studies is gebleken dat het multidirectionele laminaatfaalmechanisme van composietmaterialen complex is. Vezelbrugvorming is een veelvoorkomend verstevigingsmechanisme van multidirectionele laminaten, wat de belangrijkste reden is voor de R-weerstandscurve van interlaminaire breuktaaiheid. Momenteel is de studie van de R-weerstandscurve onder de II-stratificatie relatief gebrekkig en behoeft verder onderzoek. Uitgaande van het faalmechanisme wordt een vermoeiingsstratificatiemodel met verschillende beïnvloedende factoren voorgesteld, wat een richting is binnen het onderzoek naar vermoeiingsstratificatie. Wat betreft numerieke simulatie stelde de onderzoeksgroep een verbeterd hiërarchisch expansiecriterium en een cohesief constitutief model voor om de invloed van vezelbrugvorming op het gelaagde expansiegedrag te beschouwen. Daarnaast wordt het uitgebreide eindige elementenmodel gebruikt om het fenomeen van hiërarchische migratie beter te simuleren. Deze methode elimineert de noodzaak van fijne celdeling, waardoor de problemen die gepaard gaan met mesh-herverdeling verdwijnen. Het biedt unieke voordelen bij het simuleren van de gelaagdheid van willekeurige vormen, en in de toekomst is er meer technisch onderzoek naar deze methode nodig.^[16].

Referenties

[1] Y Gong, L Zhao, J Zhang, N Hu. Een nieuw model voor het bepalen van de weerstand tegen vermoeiingsdelaminatie in composietlaminaten vanuit een energieperspectief. Compos Sci Technol 2018; 167: 489-96.
[2] L Zhao, Y Wang, J Zhang, Y Gong, N Hu, N Li. XFEM-gebaseerd model voor het simuleren van zigzag-delaminatiegroei in gelamineerde composieten onder modus I-belasting. Compos Struct 2017; 160: 1155-62.
[3] L Zhao, Y Gong, J Zhang, Y Wang, Z Lu, L Peng, N Hu. Een nieuwe interpretatie van het groeigedrag van vermoeiingsdelaminatie in multidirectionele CFRP-laminaten. Compos Sci Technol 2016; 133: 79-88.
[4] L Peng, J Zhang, L Zhao, R Bao, H Yang, B Fei. Mode I delaminatiegroei van multidirectionele composietlaminaten onder vermoeiingsbelasting. J Compos Mater 2011; 45: 1077-90.
[5] L Zhao, Y Wang, J Zhang, Y Gong, Z Lu, N Hu, J Xu. Een interface-afhankelijk model van plateaubreuktaaiheid in multidirectionele CFRP-laminaten onder modus I-belasting. Composites Part B: Engineering 2017; 131: 196-208.
[6] L Zhao, Y Gong, J Zhang, Y Chen, B Fei. Simulatie van delaminatiegroei in multidirectionele laminaten onder modus I en gemengde modus I/II belastingen met behulp van cohesieve elementen. Compos Struct 2014; 116: 509-22.
[7] Y Gong, B Zhang, L Zhao, J Zhang, N Hu, C Zhang. R-curvegedrag van de gemengde-modus I/II-delaminatie in koolstof/epoxylaminaten met unidirectionele en multidirectionele interfaces. Compos Struct 2019. (Onder review).
[8] L Peng, J Xu, J Zhang, L Zhao. Gemengde delaminatiegroei van multidirectionele composietlaminaten onder vermoeiingsbelasting. Eng Fract Mech 2012; 96: 676-86.
[9] J Zhang, L Peng, L Zhao, B Fei. Groeisnelheden en drempelwaarden van vermoeiingsdelaminatie van composietlaminaten onder gemengde belasting. Int J Fatigue 2012; 40: 7-15.
[10] Y Gong, L Zhao, J Zhang, Y Wang, N Hu. Criterium voor de delaminatievoortplanting, inclusief het effect van vezelbrugvorming voor gemengde-modus I/II-delaminatie in multidirectionele CFRP-laminaten. Compos Sci Technol 2017; 151: 302-9.
[11] Y Gong, B Zhang, SR Hallett. Delaminatiemigratie in multidirectionele composietlaminaten onder quasi-statische modus I en vermoeiingsbelasting. Compos Struct 2018; 189: 160-76.
[12] Y Gong, B Zhang, S Mukhopadhyay, SR Hallett. Experimenteel onderzoek naar delaminatiemigratie in multidirectionele laminaten onder statische belasting en vermoeiingsbelasting van modus II, met vergelijking met modus I. Compos Struct 2018; 201: 683-98.
[13] Y Gong, L Zhao, J Zhang, N Hu. Een verbeterd machtswetcriterium voor de delaminatievoortplanting met het effect van grootschalige vezelbrugvorming in multidirectionele composietlaminaten. Compos Struct 2018; 184: 961-8.
[14] Y Gong, Y Hou, L Zhao, W Li, G Yang, J Zhang, N Hu. Een nieuw drie-lineair cohesief zonemodel voor de delaminatiegroei in DCB-laminaten met het effect van vezelbrugvorming. Compos Struct 2019. (In te dienen)
[15] L Zhao, J Zhi, J Zhang, Z Liu, N Hu. XFEM-simulatie van delaminatie in composietlaminaten. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing 2016; 80: 61-71.
[16] Zhao Libin, Gong Yu, Zhang Jianyu. Onderzoeksvoortgang naar gelaagd expansiegedrag van vezelversterkte composietlaminaten. Journal of Aeronautical Sciences 2019: 1-28.

Bron:Gong Yu, Wang Yana, Peng Lei, Zhao Libin, Zhang Jianyu. Onderzoek naar gelaagd expansiegedrag van geavanceerde koolstofvezelversterkte composietlaminaten [C]. Mechanica en Engineering - Numerieke berekening en data-analyse, academische conferentie 2019. Chinese Society of Mechanics, Beijing Mechanics Society, 2019. via ixueshu