MECÂNICA E ENGENHARIA - Computação Numérica e Análise de Dados
Mecânica e Engenharia — Cálculos Numéricos e Análise de Dados 2019 Conferência Acadêmica, 19 a 21 de abril de 2019, Pequim
19 a 21 de abril de 2019, Pequim, China
Estudo sobre o comportamento de expansão em camadas de laminados compostos reforçados com fibra de carbono avançada
Gong Yu1*, Wang Yana2, Peng Lei3, Zhao Libin4, Zhang Jianyu1
1Universidade de Chongqing, Chongqing, 400044, China
2Instituto de Pesquisa de Aviação da China Instituto de Pesquisa de Materiais Aeronáuticos de Pequim, Pequim, 100095, China
3Centro de Pesquisa em Tecnologia de Aeronaves Civis de Pequim, China Commercial Aircraft, Pequim, 102211, China
4Universidade de Aeronáutica e Astronáutica de Pequim, Pequim, 100191, China
ResumoA estrutura laminada é uma das configurações compósitas mais comumente utilizadas, mas a delaminação se torna seu principal modo de falha devido às fracas propriedades interlaminares. A pesquisa sobre o comportamento de estratificação e expansão de laminados multicamadas, comumente utilizada na prática de engenharia, sempre foi um tema controverso para os acadêmicos. Neste artigo, os resultados da pesquisa sobre delaminação de compósitos reforçados com fibra de carbono na Universidade de Chongqing e no Laboratório de Fratura por Fadiga da Universidade de Aeronáutica e Astronáutica de Pequim são apresentados a partir de dois aspectos: pesquisa experimental e simulação numérica. Por fim, a direção do desenvolvimento da área é prospectada.
Palavras-chave:compósito reforçado com fibra de carbono, laminado, delaminação, estratificação por fadiga
introdução
Materiais compósitos possuem excelentes propriedades, como alta resistência específica e alta rigidez específica, e têm sido amplamente utilizados nas áreas aeroespacial, de tecnologia energética, transporte civil e construção civil. Durante o processamento e o uso de materiais compósitos, as fibras e a matriz sofrem diferentes graus de dano sob carga. Os modos comuns de falha para laminados compósitos incluem danos intercamadas e danos dentro das camadas. Devido à falta de reforço na direção da espessura, as propriedades mecânicas laterais do laminado são ruins, e danos por delaminação são altamente prováveis de ocorrer sob cargas de impacto externo. A ocorrência e expansão de danos estratificados levará à diminuição da rigidez e da resistência estrutural, podendo até mesmo causar acidentes catastróficos.[1-3]. Portanto, o problema da delaminação é cada vez mais preocupado pelo projeto estrutural e análise de resistência de materiais compósitos, sendo necessário estudar o comportamento de expansão em camadas de materiais compósitos.[4].
Pesquisa sobre o comportamento de expansão em camadas do laminado
1. Estudo experimental
A tenacidade à fratura interlaminar é um parâmetro característico das propriedades mecânicas entre camadas compósitas. Padrões de teste correspondentes foram estabelecidos para a determinação da tenacidade à fratura interlaminar de laminados unidirecionais híbridos Tipo I, Tipo II e I/II. O aparato de teste correspondente é mostrado na Figura 1. No entanto, os laminados multidirecionais de materiais compósitos são frequentemente utilizados na engenharia estrutural. Portanto, o estudo experimental sobre o comportamento de estratificação e expansão de laminados multidirecionais tem maior significância teórica e valor de engenharia. A iniciação e a expansão da camada de laminados multicamadas ocorrem entre interfaces com ângulos de estratificação arbitrários, e o comportamento de expansão em camadas é significativamente diferente daquele de laminados unidirecionais, e o mecanismo de expansão é mais complexo. Pesquisadores têm relativamente poucos estudos experimentais sobre laminados multidirecionais, e a determinação da tenacidade à fratura interlaminar ainda não estabeleceu um padrão internacional. A equipe de pesquisa utilizou fibras de carbono T700 e T800 para projetar uma variedade de laminados compósitos com diferentes ângulos de estratificação da interface e estudou a influência do ângulo de estratificação da interface e da ponte de fibras no comportamento de delaminação estática e por fadiga. Verificou-se que a formação de pontes de fibras na borda posterior da camada tem grande influência na tenacidade à fratura interlaminar. À medida que a estratificação se expande, a tenacidade à fratura interlaminar aumenta gradualmente a partir de um valor inicial mais baixo e, quando a estratificação atinge um determinado comprimento, atinge um valor estável, ou seja, o fenômeno da curva de resistência R. A tenacidade à fratura inicial da camada intermediária é quase igual ou aproximadamente igual à tenacidade à fratura da resina, que depende da tenacidade à fratura da própria matriz.[5, 6]. No entanto, os valores de extensão da tenacidade à fratura interlaminar de diferentes interfaces variam bastante. É apresentada uma dependência significativa do ângulo da camada de interface. Em resposta a essa dependência, Zhao et al.[5]Com base no mecanismo físico da fonte de resistência estratificada, considera-se que o valor da estabilidade da tenacidade à fratura interlaminar consiste em duas partes: uma parte é o trabalho de fratura da interface da camada não relacionada e a outra parte é o dano intracamada e a fibra. O trabalho de fratura causado por ponte. Por meio da análise de elementos finitos do campo de frente de tensão da frente em camadas, verifica-se que a segunda parte do trabalho de fratura depende da profundidade da zona de dano da frente de delaminação (conforme mostrado na Figura 3), e a profundidade da zona de dano é proporcional ao ângulo de camada da interface. Um modelo teórico do valor da estabilidade da tenacidade à fratura do tipo I expresso pela função senoidal do ângulo da camada de interface é apresentado.
Gong e outros.[7]realizaram o teste de estratificação híbrida I/II sob diferentes proporções de mistura e constataram que a estratificação híbrida I/II no laminado também apresenta características significativas da curva de resistência R. Por meio da análise da tenacidade à fratura entre diferentes corpos de prova, constatou-se que o valor inicial e o valor estável da tenacidade à fratura interlaminar do corpo de prova aumentam significativamente com o aumento da proporção de mistura. Além disso, a tenacidade à fratura inicial e estável da camada intermediária sob diferentes proporções de mistura pode ser descrita pelo critério BK.
Em termos de estratificação por fadiga, também foi observada uma formação significativa de pontes de fibras durante o ensaio. Através da análise dos dados de ensaio, constatou-se que a expansão da delaminação por fadiga do material compósito é afetada pela "curva de resistência", de modo que o modelo tradicional de taxa de expansão da estratificação por fadiga e o valor limite não são mais aplicáveis. Com base na análise teórica, Zhang e Peng[4,8,9]introduziram a resistência à expansão por delaminação por fadiga para expressar a energia necessária para a expansão por delaminação por fadiga de materiais compósitos e, posteriormente, propuseram a energia de deformação normalizada. A taxa de liberação é o modelo de taxa de expansão estratificada por fadiga e o valor limite dos parâmetros de controle. A aplicabilidade do modelo e do parâmetro limite normalizado é verificada por experimentos. Além disso, Zhao et al.[3]consideraram exaustivamente os efeitos da ponte de fibras, da razão de tensões e da razão de mistura de carga no comportamento de estratificação e expansão por fadiga, e estabeleceram um modelo normalizado de taxa de expansão estratificada por fadiga, considerando a influência da razão de tensões. A precisão do modelo foi verificada por ensaios de estratificação por fadiga com diferentes razões de tensões e razões de mistura. Para a grandeza física da resistência à expansão estratificada por fadiga no modelo normalizado de taxa de expansão estratificada por fadiga, Gong et al.[1]Superar a fragilidade do método de cálculo, que permite obter apenas pontos de dados discretos limitados por meio de experimentos, e estabelecer a fadiga do ponto de vista energético. Um modelo analítico para o cálculo da resistência estendida estratificada. O modelo pode realizar a determinação quantitativa da estratificação e da resistência à expansão por fadiga, além de fornecer suporte teórico para a aplicação do modelo proposto de taxa de expansão estratificada normalizada por fadiga.
Figura 1 diagrama do dispositivo de teste estratificado
Figura 2 Curva de resistência R da tenacidade à fratura entre camadas[5]
Figura 3 Zona de dano em camadas na borda de ataque e morfologia estendida estratificada[5]
2. Estudo de simulação numérica
A simulação numérica da expansão em camadas é um importante conteúdo de pesquisa na área de projeto de estruturas compósitas. Ao prever a falha por delaminação de laminados unidirecionais compósitos, os critérios de expansão por estratificação existentes geralmente utilizam a tenacidade à fratura interlaminar constante como parâmetro básico de desempenho.[10], comparando a taxa de liberação de energia da ponta da trinca e a tenacidade à fratura interlaminar. Tamanho para determinar se a camada está se expandindo. O mecanismo de falha de laminados multidirecionais é complexo[11,12], que é caracterizada por curvas de resistência R significativas[5,13]Os critérios de expansão em camadas existentes não levam essa característica em consideração e não se aplicam à simulação do comportamento de delaminação de laminados multidirecionais em ponte contendo fibras. Gong et al.[10, 13]Aprimorou os critérios de expansão estratificada existentes e propôs a introdução da curva de resistência R nos critérios. Com base nisso, estabeleceu um critério de expansão estratificada considerando os efeitos da ponte de fibras. Os parâmetros de definição e uso da unidade coesiva constitutiva bilinear foram estudados sistematicamente por métodos numéricos, incluindo a rigidez inicial da interface, a resistência da interface, o coeficiente de viscosidade e o número mínimo de elementos na zona de força coesiva. O modelo de parâmetro da unidade coesiva correspondente foi estabelecido. Finalmente, a eficácia e a aplicabilidade do critério de expansão em camadas aprimorado e do modelo de parâmetro da unidade coesiva são verificadas por meio de um teste de estratificação estática. No entanto, os critérios aprimorados só podem ser usados para simulações em camadas unidimensionais devido a dependências posicionais e não para extensões hierárquicas bidimensionais ou tridimensionais. Para solucionar esse problema, o autor propôs ainda um novo critério de força coesiva trilinear considerando a ponte de fibras.[14]. O relacionamento constitutivo se ajusta ao complexo processo de expansão em camadas de uma perspectiva microscópica e tem as vantagens de parâmetros simples e significado físico claro.
Além disso, para simular com precisão o fenômeno de migração estratificada comum no processo de estratificação de laminados multidirecionais[11,12], Zhao e outros.[11,12]Propôs um modelo de orientação de trajetória de fissuras baseado em elementos finitos estendidos, simulando um projeto especial. Migração hierárquica em um teste de estratificação composta. Ao mesmo tempo, um modelo de expansão em camadas é proposto para o comportamento de expansão em zigue-zague ao longo da interface em camadas de 90°/90°, que simula com precisão o comportamento de expansão em camadas da interface de 90°/90°.
Figura 4 Simulação numérica da migração em camadas e resultados experimentais[15]
Conclusão
Este artigo foca nos resultados de pesquisa deste grupo na área de delaminação de laminados compósitos. Os aspectos experimentais incluem principalmente a influência do ângulo de camada da interface e da formação de pontes de fibras no comportamento de expansão da delaminação estática e por fadiga. Através de um grande número de estudos experimentais, descobriu-se que o mecanismo de falha de laminados multidirecionais de materiais compósitos é complexo. A formação de pontes de fibras é um mecanismo de tenacidade comum em laminados multidirecionais, sendo a principal razão para a curva de resistência R da tenacidade à fratura interlaminar. Atualmente, o estudo da curva de resistência R sob a estratificação II é relativamente escasso e necessita de mais pesquisas. Partindo do mecanismo de falha, o modelo de estratificação por fadiga, incluindo vários fatores de influência, é proposto, o que é uma direção da pesquisa em estratificação por fadiga. Em termos de simulação numérica, o grupo de pesquisa propôs um critério de expansão hierárquica aprimorado e um modelo constitutivo coesivo para considerar a influência da formação de pontes de fibras no comportamento de expansão estratificada. Além disso, o elemento finito estendido é usado para simular melhor o fenômeno de migração hierárquica. Este método elimina a necessidade de divisão celular fina, eliminando os problemas associados à redivisão da malha. Possui vantagens únicas na simulação da estratificação de formas arbitrárias, sendo necessárias mais pesquisas de aplicação deste método em engenharia no futuro.[16].
Referências
[1] Y Gong, L Zhao, J Zhang, N Hu. Um novo modelo para determinar a resistência à delaminação por fadiga em laminados compósitos sob a perspectiva energética. Compos Sci Technol 2018; 167: 489-96.
[2] L Zhao, Y Wang, J Zhang, Y Gong, N Hu, N Li. Modelo baseado em XFEM para simular crescimento de delaminação em zigue-zague em compósitos laminados sob carregamento de modo I. Compos Struct 2017; 160: 1155-62.
[3] L Zhao, Y Gong, J Zhang, Y Wang, Z Lu, L Peng, N Hu. Uma nova interpretação do comportamento de crescimento da delaminação por fadiga em laminados multidirecionais de CFRP. Compos Sci Technol 2016; 133: 79-88.
[4] L Peng, J Zhang, L Zhao, R Bao, H Yang, B Fei. Crescimento de delaminação modo I de laminados compósitos multidirecionais sob carga de fadiga. J Compos Mater 2011; 45: 1077-90.
[5] L Zhao, Y Wang, J Zhang, Y Gong, Z Lu, N Hu, J Xu. Um modelo dependente de interface de tenacidade à fratura de platô em laminados de CFRP multidirecionais sob carga de modo I. Composites Parte B: Engenharia 2017; 131: 196-208.
[6] L Zhao, Y Gong, J Zhang, Y Chen, B Fei. Simulação do crescimento de delaminação em laminados multidirecionais sob carregamentos de modo I e modo misto I/II usando elementos coesivos. Compos Struct 2014; 116: 509-22.
[7] Y Gong, B Zhang, L Zhao, J Zhang, N Hu, C Zhang. Comportamento da curva R da delaminação I/II de modo misto em laminados de carbono/epóxi com interfaces unidirecionais e multidirecionais. Compos Struct 2019. (Em revisão).
[8] L Peng, J Xu, J Zhang, L Zhao. Crescimento de delaminação em modo misto de laminados compósitos multidirecionais sob carga de fadiga. Eng Fract Mech 2012; 96: 676-86.
[9] J Zhang, L Peng, L Zhao, B Fei. Taxas de crescimento de delaminação por fadiga e limiares de laminados compósitos sob carga de modo misto. Int J Fatigue 2012; 40: 7-15.
[10] Y Gong, L Zhao, J Zhang, Y Wang, N Hu. Critério de propagação de delaminação, incluindo o efeito de pontes de fibras para delaminação I/II de modo misto em laminados multidirecionais de CFRP. Compos Sci Technol 2017; 151: 302-9.
[11] Y Gong, B Zhang, SR Hallett. Migração de delaminação em laminados compósitos multidirecionais sob carregamento quase estático e de fadiga de modo I. Compos Struct 2018; 189: 160-76.
[12] Y Gong, B Zhang, S Mukhopadhyay, SR Hallett. Estudo experimental sobre migração de delaminação em laminados multidirecionais sob carregamento estático e de fadiga modo II, com comparação ao modo I. Compos Struct 2018; 201: 683-98.
[13] Y Gong, L Zhao, J Zhang, N Hu. Um critério de lei de potência aprimorado para a propagação da delaminação com o efeito de pontes de fibras em larga escala em laminados multidirecionais compostos. Compos Struct 2018; 184: 961-8.
[14] Y Gong, Y Hou, L Zhao, W Li, G Yang, J Zhang, N Hu. Um novo modelo de zona coesiva trilinear para o crescimento de delaminação em laminados DCB com o efeito de pontes de fibras. Compos Struct 2019. (A ser submetido)
[15] L Zhao, J Zhi, J Zhang, Z Liu, N Hu. Simulação XFEM de delaminação em laminados compósitos. Composites Parte A: Ciência Aplicada e Fabricação 2016; 80: 61-71.
[16] Zhao Libin, Gong Yu, Zhang Jianyu. Progresso da pesquisa sobre o comportamento de expansão estratificada de laminados compósitos reforçados com fibras. Journal of Aeronautical Sciences 2019: 1-28.
Fonte:Gong Yu, Wang Yana, Peng Lei, Zhao Libin, Zhang Jianyu. Estudo sobre o comportamento de expansão estratificada de laminados compósitos reforçados com fibra de carbono avançada [C]. Mecânica e Engenharia - Computação Numérica e Análise de Dados, Conferência Acadêmica de 2019. Sociedade Chinesa de Mecânica, Sociedade de Mecânica de Pequim, 2019. através de ixueshu
Horário da publicação: 15 de novembro de 2019