Studie av lagvis ekspansjonsatferd hos avanserte karbonfiberforsterkede komposittlaminatplater

MEKANIKK OG INGENIØRTEGNSKAP - Numerisk beregning og dataanalyse
Mekanikk og ingeniørfag — Numeriske beregninger og dataanalyse 2019 Akademisk konferanse, 19.–21. april 2019, Beijing
19.–21. april 2019, Beijing, Kina

Studie av lagvis ekspansjonsatferd hos avanserte karbonfiberforsterkede komposittlaminatplater

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

¹Chongqing universitet, Chongqing, 400044, Kina
²China Aviation Research Institute Beijing Aeronautical Materials Research Institute, Beijing, 100095, Kina
³Kinas kommersielle fly Beijings forskningssenter for sivile flyteknologi, Beijing, 102211, Kina
⁴Beijings universitet for luftfart og romfart, Beijing, 100191, Kina

AbstraktLaminatstruktur er en av de mest brukte komposittkonfigurasjonene for kompositter, men delaminering blir den viktigste feilmåten på grunn av svake interlaminære egenskaper. Forskning på flerlagslaminatstratifisering og ekspansjonsatferd som ofte brukes i ingeniørpraksis har alltid vært et hett tema for forskere. I denne artikkelen introduseres forskningsresultatene for karbonfiberforsterket komposittdelaminering ved Chongqing University og Beijing University of Aeronautics and Astronautics Fatigue Fracture Laboratory fra to aspekter av eksperimentell forskning og numerisk simulering. Til slutt kartlegges feltets utviklingsretning.

Nøkkelord:karbonfiberforsterket kompositt, laminat, delaminering, utmattingslagdeling

introduksjon

Komposittmaterialer har utmerkede egenskaper som høy spesifikk styrke og høy spesifikk stivhet, og har blitt mye brukt innen luftfart, energiteknologi, sivil transport og konstruksjon. Under bearbeiding og bruk av komposittmaterialer vil fibrene og matrisen bli utsatt for ulik grad av skade under belastning. Vanlige feilmåter for komposittlaminater inkluderer skader mellom lag og skader i lag. På grunn av mangel på forsterkning i tykkelsesretningen er laminatets laterale mekaniske egenskaper dårlige, og det er høyst sannsynlig at delamineringsskader oppstår under ytre støtbelastninger. Forekomst og utvidelse av lagdelt skade vil føre til en reduksjon i strukturell stivhet og styrke, og til og med forårsake katastrofale ulykker.^[1–3]Derfor er delamineringsproblemet mer og mer opptatt av strukturell design og styrkeanalyse av komposittmaterialer, og det er nødvendig å studere den lagdelte ekspansjonsatferden til komposittmaterialer.^[4].

Forskning på lagvis ekspansjonsatferd hos laminat
1. Eksperimentell studie

Interlaminær bruddseighet er en karakteristisk parameter for de mekaniske egenskapene mellom komposittlag. Tilsvarende teststandarder er etablert for bestemmelse av interlaminær bruddseighet for type I, type II og I/II hybrid enveislaminater. Det tilhørende testapparatet er vist i figur 1. Imidlertid brukes ofte multidireksjonelle laminater av komposittmaterialer i selve konstruksjonsstrukturen. Derfor har den eksperimentelle studien av lagdeling og ekspansjonsatferd for multidireksjonelle laminater viktigere teoretisk betydning og ingeniørverdi. Initiering og ekspansjon av flerlagslaminatlag skjer mellom grensesnitt med vilkårlige lagdelingsvinkler, og den lagdelte ekspansjonsatferden er betydelig forskjellig fra den for enveislaminater, og ekspansjonsmekanismen er mer komplisert. Forskere har relativt få eksperimentelle studier på multidireksjonelle laminater, og bestemmelsen av interlaminær bruddseighet har ennå ikke etablert en internasjonal standard. Forskningsteamet brukte T700 og T800 karbonfiber til å designe en rekke komposittlaminater med forskjellige grensesnittoppleggsvinkler, og studerte påvirkningen av grensesnittoppleggsvinkel og fiberbrobygging på statisk og utmattingsdelamineringsatferd. Det har blitt funnet at fiberbrodannelse dannet av lagets bakkant har stor innflytelse på den interlaminære bruddseigheten. Etter hvert som lagdelingen utvides, vil den interlaminære bruddseigheten gradvis øke fra en lavere startverdi, og når lagdelingen når en viss lengde, når den en stabil verdi, det vil si R-motstandskurvefenomenet. Den initiale bruddseigheten til mellomlaget er nesten lik og tilnærmet lik bruddseigheten til harpikset, som avhenger av bruddseigheten til selve matrisen.^{[5, 6]}Imidlertid varierer forlengelsesverdiene for interlaminær bruddseighet for forskjellige grensesnitt sterkt. Signifikant avhengighet av vinkelen på grensesnittlaget presenteres. Som svar på denne avhengigheten har Zhao et al.^[5]Basert på den fysiske mekanismen til den lagdelte motstandskilden, anses det at den interlaminære bruddseighetsstabilitetsverdien består av to deler, den ene delen er bruddarbeidet til det urelaterte laggrensesnittet, og den andre delen er intralagsskade og fiber. Bruddarbeidet forårsaket av brobygging. Gjennom endelig elementanalyse av spenningsfrontfeltet til den lagdelte fronten, er det funnet at den andre delen av bruddarbeidet avhenger av dybden av delaminasjonsfrontens skadesone (som vist i figur 3), og dybden av skadesonen er proporsjonal med grensesnittets oppleggsvinkel. En teoretisk modell av I-type bruddseighetsstabilitetsverdi uttrykt ved den sinusformede funksjonen til grensesnittlagets vinkel presenteres.
Gong et al.^[7]utførte I/II hybridstratifiseringstesten under forskjellige blandingsforhold, og fant at I/II hybridstratifiseringen i laminatet også har betydelige R-motstandskurvekarakteristikker. Gjennom analyse av bruddseigheten mellom forskjellige teststykker, er det funnet at den opprinnelige verdien og den stabile verdien av den interlaminære bruddseigheten til teststykket øker betydelig med økningen av blandingsforholdet. I tillegg kan den opprinnelige og stabile bruddseigheten til mellomlaget under forskjellige blandingsforhold beskrives ved hjelp av BK-kriteriet.
Når det gjelder utmattingsstratifisering, ble det også observert betydelig fiberbrodannelse under testen. Gjennom analysen av testdataene er det funnet at utmattingsdelamineringsekspansjonen til komposittmaterialet påvirkes av "motstandskurven", slik at den tradisjonelle utmattingsstratifiseringsmodellen for ekspansjonshastighet og terskelverdien ikke lenger er anvendelige. Basert på teoretisk analyse, Zhang og Peng^[4,8,9]introduserte utmattingsdelamineringsmotstanden for å uttrykke energien som kreves for utmattingsdelamineringsekspansjon av komposittmaterialer, og foreslo videre den normaliserte tøyningsenergien. Frigjøringshastigheten er den utmattingsstratifiserte ekspansjonshastighetsmodellen og terskelverdien for kontrollparametrene. Anvendbarheten av modellen og den normaliserte terskelparameteren er bekreftet ved eksperimenter. Videre har Zhao et al.^[3]vurderte grundig effektene av fiberbrobygging, spenningsforhold og lastblandingsforhold på utmattingsstratifisering og ekspansjonsatferd, og etablerte en normalisert utmattingsstratifisert ekspansjonshastighetsmodell som tok hensyn til påvirkningen av spenningsforhold. Modellens nøyaktighet ble verifisert ved utmattingsstratifiseringstester med forskjellige spenningsforhold og blandingsforhold. For den fysiske mengden av utmattingsstratifisert ekspansjonsmotstand i den normaliserte utmattingsstratifiserte ekspansjonshastighetsmodellen, Gong et al.^[1]overvinne svakheten ved beregningsmetoden som bare kan innhente begrensede diskrete datapunkter gjennom eksperimenter, og etablere utmatting fra et energisynspunkt. En analytisk modell for beregning av stratifisert utvidet motstand. Modellen kan realisere kvantitativ bestemmelse av utmattingsstratifisering og ekspansjonsmotstand, og gi teoretisk støtte for anvendelsen av den foreslåtte normaliserte utmattingsstratifiserte ekspansjonshastighetsmodellen.

Figur 1 diagram over stratifisert testenhet

Figur 2 R-motstandskurve for bruddseighet mellom lag^[5]


Figur 3 Lagdelt skadesone i forkant og stratifisert utvidet morfologi^[5]

2. Numerisk simuleringsstudie

Numerisk simulering av lagdelt ekspansjon er et viktig forskningsinnhold innen design av komposittstrukturer. Når man forutsier delamineringsbrudd i kompositt ensrettede laminater, bruker de eksisterende stratifiseringskriteriene vanligvis konstant interlaminær bruddseighet som grunnleggende ytelsesparameter.^[10], ved å sammenligne energiutløsningshastigheten for sprekkspissene og interlaminær bruddseighet. Størrelse for å avgjøre om lagdelingen utvider seg. Sviktmekanismen for multidireksjonelle laminater er kompleks^[11,12], som er preget av betydelige R-motstandskurver^[5,13]De eksisterende kriteriene for lagdelt ekspansjon tar ikke hensyn til denne egenskapen og gjelder ikke for simuleringen av delamineringsatferden til fiberholdige, broforede multidireksjonelle laminater. Gong et al.^{[10, 13]}forbedret de eksisterende stratifiserte ekspansjonskriteriene og foreslo å introdusere R-motstandskurven i kriteriene, og basert på dette etablerte et stratifisert ekspansjonskriterium som tar hensyn til effektene av fiberbrobygging. Definisjonen og bruksparametrene for den bilineære konstitutive kohesive enheten ble systematisk studert ved hjelp av numeriske metoder, inkludert den innledende grensesnittstivheten, grensesnittstyrken, viskositetskoeffisienten og minimum antall elementer i den kohesive kraftsonen. Den tilsvarende kohesive enhetsparametermodellen ble etablert. Til slutt verifiseres effektiviteten og anvendeligheten til det forbedrede lagdelte ekspansjonskriteriet og kohesive enhetsparametermodellen ved hjelp av statisk stratifiseringstest. Imidlertid kan de forbedrede kriteriene bare brukes for endimensjonale lagdelte simuleringer på grunn av posisjonsavhengigheter og ikke for to- eller tredimensjonale hierarkiske utvidelser. For å løse dette problemet foreslo forfatteren videre en ny trilineær kohesiv kraftkonstitutiv som tar hensyn til fiberbrobygging.^[14]Det konstitutive forholdet passer til den komplekse prosessen med lagdelt ekspansjon fra et mikroskopisk perspektiv, og har fordelene med enkle parametere og klar fysisk betydning.
I tillegg, for å nøyaktig simulere det stratifiserte migrasjonsfenomenet som er vanlig i stratifiseringsprosessen av multidireksjonelle laminater^[11,12], Zhao et al.^[11,12]foreslo en modell for sprekkbanestyring basert på utvidet endelig element, som simulerer en spesiell design. Hierarkisk migrasjon i en sammensatt stratifiseringstest. Samtidig foreslås en lagdelt ekspansjonsmodell for den sikksakkformede lagdelte ekspansjonsatferden langs det 90°/90° lagdelte grensesnittet, som nøyaktig simulerer den lagdelte ekspansjonsatferden til 90°/90°-grensesnittet.

Figur 4 Numerisk simulering av lagdelt migrasjon og eksperimentelle resultater^[15]

Konklusjon

Denne artikkelen fokuserer på forskningsresultatene til denne gruppen innen delaminering av komposittlaminat. De eksperimentelle aspektene inkluderer hovedsakelig påvirkningen av grensesnittoppleggsvinkelen og fiberbrobygging på den statiske og utmattingsdelamineringsekspansjonsatferden. Gjennom et stort antall eksperimentelle studier er det funnet at den multidireksjonelle laminatbruddmekanismen i komposittmaterialer er komplisert. Fiberbrobygging er en vanlig herdingsmekanisme i multidireksjonelle laminater, som er hovedårsaken til R-motstandskurven for interlaminær bruddseighet. For tiden er R-motstandskurvestudien under II-stratifisering relativt mangelfull og trenger videre forskning. Med utgangspunkt i bruddmekanismen foreslås en utmattingsstratifiseringsmodell som inkluderer ulike påvirkningsfaktorer, som er en retning for forskning på utmattingsstratifisering. Når det gjelder numerisk simulering, foreslo forskergruppen et forbedret hierarkisk ekspansjonskriterium og en kohesiv konstitutiv modell for å vurdere påvirkningen av fiberbrobygging på den stratifiserte ekspansjonsatferden. I tillegg brukes det utvidede endelige elementet til å bedre simulere det hierarkiske migrasjonsfenomenet. Denne metoden eliminerer behovet for fin celledeling, og eliminerer dermed problemene forbundet med nettingomdeling. Den har unike fordeler ved å simulere lagdelingen av vilkårlige former, og det er behov for mer forskning på ingeniørmessig anvendelse av denne metoden i fremtiden.^[16].

Referanser

[1] Y Gong, L Zhao, J Zhang, N Hu. En ny modell for å bestemme motstanden mot utmatting og delaminering i komposittlaminater fra et energiperspektiv. Compos Sci Technol 2018; 167: 489–96.
[2] L Zhao, Y Wang, J Zhang, Y Gong, N Hu, N Li. XFEM-basert modell for simulering av sikksakk-delamineringsvekst i laminerte kompositter under modus I-belastning. Compos Struct 2017; 160: 1155-62.
[3] L Zhao, Y Gong, J Zhang, Y Wang, Z Lu, L Peng, N Hu. En ny tolkning av vekstatferd ved utmattingsdelaminering i CFRP-multidirksjonelle laminater. Compos Sci Technol 2016; 133: 79–88.
[4] L Peng, J Zhang, L Zhao, R Bao, H Yang, B Fei. Modus I delamineringsvekst av multidireksjonelle komposittlaminater under utmattingsbelastning. J Compos Mater 2011; 45: 1077–90.
[5] L Zhao, Y Wang, J Zhang, Y Gong, Z Lu, N Hu, J Xu. En grensesnittavhengig modell av platåbruddseighet i multidireksjonelle CFRP-laminater under modus I-belastning. Composites Part B: Engineering 2017; 131: 196–208.
[6] L Zhao, Y Gong, J Zhang, Y Chen, B Fei. Simulering av delamineringsvekst i multidireksjonelle laminater under modus I og blandede modus I/II-belastninger ved bruk av kohesive elementer. Compos Struct 2014; 116: 509-22.
[7] Y Gong, B Zhang, L Zhao, J Zhang, N Hu, C Zhang. R-kurveoppførsel for blandet I/II-delaminering i karbon/epoksylaminater med endiriksjonelle og flerdireksjonelle grensesnitt. Compos Struct 2019. (Under vurdering).
[8] L Peng, J Xu, J Zhang, L Zhao. Blandet delamineringsvekst av multidireksjonelle komposittlaminater under utmattingsbelastning. Eng Fract Mech 2012; 96: 676–86.
[9] J Zhang, L Peng, L Zhao, B Fei. Veksthastigheter og terskler for utmattingsdelaminering av komposittlaminater under blandet belastning. Int J Fatigue 2012; 40: 7–15.
[10] Y Gong, L Zhao, J Zhang, Y Wang, N Hu. Kriterier for delamineringsforplantning, inkludert effekten av fiberbrobygging for blandet I/II-delaminering i CFRP-multidireksjonslaminater. Compos Sci Technol 2017; 151: 302-9.
[11] Y Gong, B Zhang, SR Hallett. Delaminasjonsmigrasjon i multidireksjonelle komposittlaminater under kvasistatisk modus I og utmattingsbelastning. Compos Struct 2018; 189: 160–76.
[12] Y Gong, B Zhang, S Mukhopadhyay, SR Hallett. Eksperimentell studie av delamineringsmigrasjon i multidireksjonelle laminater under statisk belastning og utmattingsbelastning i modus II, med sammenligning med modus I. Compos Struct 2018; 201: 683-98.
[13] Y Gong, L Zhao, J Zhang, N Hu. Et forbedret potenslovkriterium for delamineringsforplantning med effekten av storskala fiberbrobygging i komposittlaminater i flere retninger. Compos Struct 2018; 184: 961-8.
[14] Y Gong, Y Hou, L Zhao, W Li, G Yang, J Zhang, N Hu. En ny trelineær kohesiv sonemodell for delamineringsvekst i DCB-laminater med effekten av fiberbrobygging. Compos Struct 2019. (Skal sendes inn)
[15] L Zhao, J Zhi, J Zhang, Z Liu, N Hu. XFEM-simulering av delaminering i komposittlaminater. Kompositter del A: Anvendt vitenskap og produksjon 2016; 80: 61–71.
[16] Zhao Libin, Gong Yu, Zhang Jianyu. Forskningsfremgang innen lagdelt ekspansjonsatferd hos fiberforsterkede komposittlaminater. Journal of Aeronautical Sciences 2019: 1–28.

Kilde:Gong Yu, Wang Yana, Peng Lei, Zhao Libin, Zhang Jianyu. Studie av lagdelt ekspansjonsatferd hos avanserte karbonfiberforsterkede komposittlaminater [C]. Mekanikk og ingeniørfag - Numerisk beregning og dataanalyse 2019 akademisk konferanse. Chinese Society of Mechanics, Beijing Mechanics Society, 2019. via ixueshu