MECHANIKA I INŻYNIERIA - Obliczenia numeryczne i analiza danych
Mechanika i Inżynieria — Obliczenia Numeryczne i Analiza Danych Konferencja Akademicka 2019, 19-21 kwietnia 2019 r., Pekin
19-21 kwietnia 2019 r., Pekin, Chiny
Badanie zachowania się warstw rozszerzalności zaawansowanych laminatów kompozytowych wzmacnianych włóknem węglowym
Gong Yu1*Wang Yana2, Peng Lei3, Zhao Libin4, Zhang Jianyu1
1Uniwersytet Chongqing, Chongqing, 400044, Chiny
2Chiński Instytut Badań Lotniczych Pekiński Instytut Badań Materiałów Lotniczych, Pekin, 100095, Chiny
3Chiny Samoloty komercyjne Pekin Centrum Badań Technologii Lotnictwa Cywilnego, Pekin, 102211, Chiny
4Uniwersytet Lotnictwa i Astronautyki w Pekinie, Pekin, 100191, Chiny
AbstrakcyjnyStruktura laminatu jest jedną z najczęściej stosowanych konfiguracji kompozytowych, ale delaminacja staje się jej głównym trybem awarii ze względu na słabe właściwości międzywarstwowe. Badania nad rozwarstwieniem i rozszerzalnością laminatu wielowarstwowego powszechnie stosowane w praktyce inżynierskiej zawsze były gorącym tematem dla naukowców. W tym artykule przedstawiono wyniki badań delaminacji kompozytu wzmacnianego włóknem węglowym w Chongqing University i Beijing University of Aeronautics and Astronautics Fatigue Fracture Laboratory z dwóch aspektów badań eksperymentalnych i symulacji numerycznej. Na koniec przedstawiono kierunek rozwoju tej dziedziny.
Słowa kluczowe:kompozyt wzmocniony włóknem węglowym, laminat, rozwarstwienie, rozwarstwienie zmęczeniowe
wstęp
Materiały kompozytowe mają doskonałe właściwości, takie jak wysoka wytrzymałość właściwa i wysoka sztywność właściwa, i są szeroko stosowane w lotnictwie, technologii energetycznej, transporcie cywilnym i budownictwie. Podczas przetwarzania i użytkowania materiałów kompozytowych włókna i matryca ulegają różnym stopniom uszkodzeń pod obciążeniem. Typowe tryby awarii laminatów kompozytowych obejmują uszkodzenia międzywarstwowe i uszkodzenia wewnątrz warstw. Ze względu na brak wzmocnienia w kierunku grubości, boczne właściwości mechaniczne laminatu są słabe, a uszkodzenia delaminacyjne są wysoce prawdopodobne w przypadku zewnętrznych obciążeń udarowych. Występowanie i rozszerzanie się uszkodzeń warstwowych doprowadzi do zmniejszenia sztywności i wytrzymałości konstrukcyjnej, a nawet spowoduje katastrofalne wypadki[1-3]Dlatego problem delaminacji jest coraz częściej poruszany w analizie konstrukcyjnej i wytrzymałościowej materiałów kompozytowych, a także konieczne jest badanie zachowania się materiałów kompozytowych w procesie rozszerzania warstwowego.[4].
Badania nad zachowaniem się laminatu podczas rozszerzania warstw
1. Badanie eksperymentalne
Wytrzymałość na pękanie międzywarstwowe jest charakterystycznym parametrem właściwości mechanicznych między warstwami kompozytowymi. Odpowiednie normy testowe zostały ustanowione w celu określenia wytrzymałości na pękanie międzywarstwowe laminatów jednokierunkowych hybrydowych typu I, typu II i I/II. Odpowiedni aparat testowy pokazano na rysunku 1. Jednak laminaty wielokierunkowe materiałów kompozytowych są często stosowane w rzeczywistej konstrukcji inżynierskiej. Dlatego badanie eksperymentalne dotyczące zachowania rozwarstwienia i rozszerzania laminatów wielokierunkowych ma większe znaczenie teoretyczne i wartość inżynierską. Inicjacja i rozszerzanie warstw laminatu wielowarstwowego występuje między interfejsami o dowolnych kątach warstwowania, a zachowanie rozszerzania warstwowego znacznie różni się od zachowania laminatów jednokierunkowych, a mechanizm rozszerzania jest bardziej skomplikowany. Naukowcy przeprowadzili stosunkowo niewiele badań eksperymentalnych nad laminatami wielokierunkowymi, a określenie wytrzymałości na pękanie międzywarstwowe nie ustanowiło jeszcze międzynarodowego standardu. Zespół badawczy wykorzystał włókno węglowe T700 i T800 do zaprojektowania różnych laminatów kompozytowych o różnych kątach ułożenia warstw międzyfazowych i zbadał wpływ kąta ułożenia warstw międzyfazowych i mostkowania włókien na zachowanie się rozwarstwienia statycznego i zmęczeniowego. Stwierdzono, że mostkowanie włókien utworzone przez tylną krawędź warstwy ma duży wpływ na międzywarstwową wytrzymałość na pękanie. W miarę rozszerzania się rozwarstwienia międzywarstwowa wytrzymałość na pękanie będzie stopniowo wzrastać od niższej początkowej wartości, a gdy rozwarstwienie osiągnie pewną długość, osiągnie stabilną wartość, czyli zjawisko krzywej oporu R. Początkowa wytrzymałość na pękanie międzywarstwy jest prawie równa i w przybliżeniu równa wytrzymałości na pękanie żywicy, która zależy od wytrzymałości na pękanie samej matrycy.[5, 6]. Jednakże wartości rozszerzenia odporności na pękanie międzywarstwowe różnych interfejsów znacznie się różnią. Przedstawiono znaczącą zależność kąta warstwy interfejsu. W odpowiedzi na tę zależność Zhao i in.[5]na podstawie mechanizmu fizycznego źródła oporu warstwowego uważa się, że wartość stabilności odporności na pękanie międzywarstwowe składa się z dwóch części, jedna część to praca pękania niezależnego interfejsu warstwy, a druga część to uszkodzenie i włókno wewnątrzwarstwowe. Praca pękania spowodowana mostkowaniem. Poprzez analizę elementów skończonych pola frontu naprężeń frontu warstwowego stwierdzono, że druga część pracy pękania zależy od głębokości strefy uszkodzenia frontu delaminacji (jak pokazano na rysunku 3), a głębokość strefy uszkodzenia jest proporcjonalna do kąta ułożenia warstw interfejsu. Przedstawiono teoretyczny model wartości stabilności odporności na pękanie typu I wyrażony funkcją sinusoidalną kąta warstwy interfejsu.
Gong i in.[7]przeprowadził test hybrydowego rozwarstwienia I/II przy różnych proporcjach mieszania i odkrył, że hybrydowe rozwarstwienie I/II w laminacie ma również istotne cechy krzywej oporu R. Poprzez analizę wytrzymałości na pękanie między różnymi elementami testowymi stwierdzono, że początkowa wartość i stabilna wartość międzywarstwowej wytrzymałości na pękanie elementu testowego znacznie wzrastają wraz ze wzrostem proporcji mieszania. Ponadto początkową i stabilną wytrzymałość na pękanie międzywarstwy przy różnych proporcjach mieszania można opisać kryterium BK.
W odniesieniu do rozwarstwienia zmęczeniowego, podczas testu zaobserwowano również znaczące mostkowanie włókien. Poprzez analizę danych testowych stwierdzono, że na rozwarstwienie zmęczeniowe materiału kompozytowego wpływa „krzywa oporu”, tak że tradycyjny model szybkości rozwarstwienia zmęczeniowego i wartość progowa nie mają już zastosowania. Na podstawie analizy teoretycznej Zhang i Peng[4,8,9]wprowadził odporność na rozwarstwienie zmęczeniowe, aby wyrazić energię wymaganą do rozwarstwienia zmęczeniowego materiałów kompozytowych, a następnie zaproponował znormalizowaną energię odkształcenia. Szybkość uwalniania jest modelem rozwarstwionej szybkości rozprężania zmęczeniowego i wartością progową parametrów kontrolnych. Stosowalność modelu i znormalizowanego parametru progowego jest weryfikowana eksperymentalnie. Ponadto Zhao i in.[3]kompleksowo rozważyli wpływ mostkowania włókien, współczynnika naprężeń i współczynnika mieszania obciążenia na rozwarstwienie zmęczeniowe i zachowanie rozszerzalności, i ustanowili znormalizowany model rozwarstwionej szybkości rozszerzalności zmęczeniowej, biorąc pod uwagę wpływ współczynnika naprężeń. Dokładność modelu została zweryfikowana za pomocą testów rozwarstwienia zmęczeniowego przy różnych współczynnikach naprężeń i współczynnikach mieszania. W przypadku fizycznej wielkości zmęczeniowej rozwarstwionej odporności na rozszerzalność w znormalizowanym modelu rozwarstwionej szybkości rozszerzalności zmęczeniowej, Gong i in.[1]przezwyciężyć słabość metody obliczeniowej, która może uzyskać jedynie ograniczone dyskretne punkty danych poprzez eksperymenty i ustalić zmęczenie z punktu widzenia energii. Model analityczny do obliczania rozwarstwionego rozszerzonego oporu. Model może realizować ilościowe określenie rozwarstwienia zmęczeniowego i oporu rozszerzania oraz zapewniać teoretyczne wsparcie dla zastosowania proponowanego znormalizowanego modelu rozwarstwionego zmęczeniowo tempa rozszerzania.
Rysunek 1 przedstawia schemat urządzenia testowego warstwowego
Rysunek 2 Krzywa odporności na pękanie międzywarstwowe R[5]
Rysunek 3. Warstwowa strefa uszkodzeń krawędzi natarcia i warstwowa rozszerzona morfologia[5]
2. Badanie symulacyjne numeryczne
Numeryczna symulacja rozszerzalności warstwowej jest ważną treścią badawczą w dziedzinie projektowania struktur kompozytowych. Przy przewidywaniu uszkodzenia rozwarstwienia jednokierunkowych laminatów kompozytowych, istniejące kryteria rozszerzalności warstwowej zwykle wykorzystują stałą międzywarstwową wytrzymałość na pękanie jako podstawowy parametr wydajności[10], porównując szybkość uwalniania energii z wierzchołka pęknięcia i międzywarstwową wytrzymałość na pękanie. Rozmiar, aby określić, czy warstwowanie się rozszerza. Mechanizm awarii laminatów wielokierunkowych jest złożony[11,12], który charakteryzuje się znaczącymi krzywymi oporu R[5,13]. Istniejące kryteria rozszerzalności warstwowej nie uwzględniają tej cechy i nie mają zastosowania do symulacji zachowania się delaminacji laminatów wielokierunkowych z mostkami zawierającymi włókna. Gong i in.[10, 13]ulepszono istniejące kryteria rozwarstwienia i zaproponowano wprowadzenie krzywej oporu R do kryteriów, a na tej podstawie ustanowiono kryterium rozwarstwienia uwzględniające skutki mostkowania włókien. Definicję i parametry użytkowe dwuliniowej konstytutywnej jednostki kohezyjnej systematycznie badano metodami numerycznymi, w tym początkową sztywność interfejsu, wytrzymałość interfejsu, współczynnik lepkości i minimalną liczbę elementów w strefie siły kohezyjnej. Utworzono odpowiadający model parametrów jednostki kohezyjnej. Na koniec skuteczność i stosowalność ulepszonego kryterium rozwarstwienia warstwowego i modelu parametrów jednostki kohezyjnej zostały zweryfikowane za pomocą statycznego testu stratyfikacji. Jednak ulepszone kryteria mogą być stosowane tylko w jednowymiarowych symulacjach warstwowych ze względu na zależności pozycyjne, a nie w dwu- lub trójwymiarowych rozszerzeniach hierarchicznych. Aby rozwiązać ten problem, autor zaproponował ponadto nową trójliniową konstytutywną siłę kohezyjną uwzględniającą mostkowanie włókien[14]Relacja konstytutywna opisuje złożony proces ekspansji warstwowej z mikroskopowej perspektywy i ma zalety prostych parametrów i jasnego znaczenia fizycznego.
Ponadto, w celu dokładnego odwzorowania zjawiska migracji warstwowej, powszechnego w procesie warstwowania laminatów wielokierunkowych[11,12], Zhao i in.[11,12]zaproponował model prowadzenia ścieżki pęknięcia oparty na rozszerzonym elemencie skończonym, symulujący specjalny projekt. Hierarchiczna migracja w teście stratyfikacji kompozytowej. Jednocześnie zaproponowano model ekspansji warstwowej dla zachowania ekspansji warstwowej zygzakowatej wzdłuż interfejsu warstwowego 90°/90°, który dokładnie symuluje zachowanie ekspansji warstwowej interfejsu 90°/90°.
Rysunek 4. Symulacja numeryczna migracji warstwowej i wyniki eksperymentów[15]
Wniosek
Niniejszy artykuł koncentruje się na wynikach badań tej grupy w dziedzinie delaminacji laminatów kompozytowych. Aspekty eksperymentalne obejmują głównie wpływ kąta ułożenia warstw i mostkowania włókien na zachowanie rozwarstwienia statycznego i zmęczeniowego. W wyniku licznych badań eksperymentalnych stwierdzono, że mechanizm uszkodzenia laminatu wielokierunkowego materiałów kompozytowych jest skomplikowany. Mostkowanie włókien jest powszechnym mechanizmem hartowania laminatów wielokierunkowych, co jest głównym powodem krzywej oporu R wytrzymałości na pękanie międzywarstwowe. Obecnie badanie krzywej oporu R przy stratyfikacji II jest stosunkowo niewystarczające i wymaga dalszych badań. Zaczynając od mechanizmu uszkodzenia, zaproponowano model stratyfikacji zmęczeniowej obejmujący różne czynniki wpływające, co jest kierunkiem badań stratyfikacji zmęczeniowej. W zakresie symulacji numerycznej grupa badawcza zaproponowała ulepszone kryterium ekspansji hierarchicznej i spójny model konstytutywny, aby uwzględnić wpływ mostkowania włókien na zachowanie rozwarstwionej ekspansji. Ponadto rozszerzony element skończony jest używany do lepszej symulacji zjawiska migracji hierarchicznej. Ta metoda eliminuje potrzebę drobnego podziału komórek, eliminując problemy związane z ponownym podziałem siatki. Ma unikalne zalety w symulowaniu stratyfikacji dowolnych kształtów, a w przyszłości potrzebne są dalsze badania inżynieryjne dotyczące tej metody[16].
Odniesienia
[1] Y Gong, L Zhao, J Zhang, N Hu. Nowy model określania odporności na rozwarstwienie zmęczeniowe w laminatach kompozytowych z punktu widzenia energii. Compos Sci Technol 2018; 167: 489-96.
[2] L Zhao, Y Wang, J Zhang, Y Gong, N Hu, N Li. Model oparty na XFEM do symulacji wzrostu delaminacji zygzakowatej w kompozytach laminowanych przy obciążeniu trybu I. Compos Struct 2017; 160: 1155-62.
[3] L Zhao, Y Gong, J Zhang, Y Wang, Z Lu, L Peng, N Hu. Nowa interpretacja zachowania się rozwarstwienia zmęczeniowego w wielokierunkowych laminatach CFRP. Compos Sci Technol 2016; 133: 79-88.
[4] L Peng, J Zhang, L Zhao, R Bao, H Yang, B Fei. Wzrost delaminacji typu I wielokierunkowych laminatów kompozytowych pod wpływem obciążenia zmęczeniowego. J Compos Mater 2011; 45: 1077-90.
[5] L Zhao, Y Wang, J Zhang, Y Gong, Z Lu, N Hu, J Xu. Model zależny od interfejsu wytrzymałości na pękanie plateau w wielokierunkowych laminatach CFRP przy obciążeniu trybu I. Kompozyty Część B: Inżynieria 2017; 131: 196-208.
[6] L Zhao, Y Gong, J Zhang, Y Chen, B Fei. Symulacja wzrostu delaminacji w laminatach wielokierunkowych przy obciążeniach w trybie I i mieszanym trybie I/II przy użyciu elementów kohezyjnych. Compos Struct 2014; 116: 509-22.
[7] Y Gong, B Zhang, L Zhao, J Zhang, N Hu, C Zhang. Zachowanie krzywej R delaminacji I/II w trybie mieszanym w laminatach węglowo-epoksydowych z interfejsami jednokierunkowymi i wielokierunkowymi. Compos Struct 2019. (w trakcie przeglądu).
[8] L Peng, J Xu, J Zhang, L Zhao. Mieszany tryb wzrostu delaminacji wielokierunkowych laminatów kompozytowych pod obciążeniem zmęczeniowym. Eng Fract Mech 2012; 96: 676-86.
[9] J Zhang, L Peng, L Zhao, B Fei. Szybkości wzrostu rozwarstwienia zmęczeniowego i progi laminatów kompozytowych przy obciążeniu w trybie mieszanym. Int J Fatigue 2012; 40: 7-15.
[10] Y Gong, L Zhao, J Zhang, Y Wang, N Hu. Kryterium propagacji delaminacji obejmujące wpływ mostkowania włókien na delaminację mieszanego trybu I/II w laminatach wielokierunkowych CFRP. Compos Sci Technol 2017; 151: 302-9.
[11] Y Gong, B Zhang, SR Hallett. Migracja delaminacji w wielokierunkowych laminatach kompozytowych pod obciążeniem quasi-statycznym i zmęczeniowym trybu I. Compos Struct 2018; 189: 160-76.
[12] Y Gong, B Zhang, S Mukhopadhyay, SR Hallett. Badanie eksperymentalne migracji delaminacji w laminatach wielokierunkowych pod obciążeniem statycznym i zmęczeniowym trybu II w porównaniu do trybu I. Compos Struct 2018; 201: 683-98.
[13] Y Gong, L Zhao, J Zhang, N Hu. Ulepszone kryterium prawa potęgowego dla propagacji delaminacji z efektem mostkowania włókien na dużą skalę w kompozytowych laminatach wielokierunkowych. Compos Struct 2018; 184: 961-8.
[14] Y Gong, Y Hou, L Zhao, W Li, G Yang, J Zhang, N Hu. Nowy trójliniowy model strefy kohezyjnej dla wzrostu delaminacji w laminatach DCB z efektem mostkowania włókien. Compos Struct 2019. (Do złożenia)
[15] L Zhao, J Zhi, J Zhang, Z Liu, N Hu. Symulacja XFEM delaminacji w laminatach kompozytowych. Kompozyty Część A: Nauka stosowana i produkcja 2016; 80: 61-71.
[16] Zhao Libin, Gong Yu, Zhang Jianyu. Postęp badań nad zachowaniem rozwarstwionej ekspansji laminatów kompozytowych wzmocnionych włóknami. Journal of Aeronautical Sciences 2019: 1-28.
Źródło:Gong Yu, Wang Yana, Peng Lei, Zhao Libin, Zhang Jianyu.Badanie zachowania rozwarstwionej ekspansji zaawansowanych laminatów kompozytowych wzmocnionych włóknem węglowym [C]. Mechanika i inżynieria - numeryczne obliczenia i analiza danych 2019 Konferencja akademicka. Chińskie Towarzystwo Mechaniki, Pekińskie Towarzystwo Mechaniki, 2019. przez ixueszu
Czas publikacji: 15-11-2019