MECANICĂ ȘI INGINERIE - Calcul Numeric și Analiza Datelor
Conferința Academică Mecanică și Inginerie — Calcule Numerice și Analiza Datelor 2019, 19-21 aprilie 2019, Beijing
19-21 aprilie 2019, Beijing, China
Studiu privind comportamentul de expansiune stratificată a foilor de laminate compozite avansate armate cu fibră de carbon
Gong Yu1*Wang Yana2, Peng Lei3, Zhao Libin4, Zhang Jianyu1
1Universitatea Chongqing, Chongqing, 400044, China
2Institutul de Cercetare a Aviației din China, Institutul de Cercetare a Materialelor Aeronautice din Beijing, Beijing, 100095, China
3Centrul de Cercetare Tehnologică a Aeronavelor Civile din Beijing, Beijing, 102211, China, Aeronave Comerciale din China
4Universitatea de Aeronautică și Astronautică din Beijing, Beijing, 100191, China
AbstractStructura laminată este una dintre cele mai utilizate configurații compozite, însă delaminarea devine principalul mod de cedare din cauza proprietăților interlaminare slabe. Cercetările privind stratificarea și comportamentul de expansiune al laminatelor multistrat, utilizate în mod obișnuit în practica inginerească, au fost întotdeauna un subiect fierbinte pentru cercetători. În această lucrare, sunt prezentate rezultatele cercetărilor privind delaminarea compozitelor armate cu fibră de carbon la Universitatea Chongqing și Laboratorul de Ruptură la Oboseală al Universității de Aeronautică și Astronautică din Beijing, din două aspecte ale cercetării experimentale și simulării numerice. În cele din urmă, este prospectată direcția de dezvoltare a domeniului.
Cuvinte cheie:compozit armat cu fibră de carbon, laminat, delaminare, stratificare la oboseală
introducere
Materialele compozite au proprietăți excelente, cum ar fi rezistență specifică ridicată și rigiditate specifică ridicată, și au fost utilizate pe scară largă în industria aerospațială, tehnologia energetică, transportul civil și construcțiile. În timpul procesării și utilizării materialelor compozite, fibrele și matricea vor suferi diferite grade de deteriorare sub sarcină. Modurile comune de defectare pentru laminatele compozite includ deteriorarea interstraturilor și deteriorarea în interiorul straturilor. Din cauza lipsei de armătură în direcția grosimii, proprietățile mecanice laterale ale laminatului sunt slabe, iar deteriorarea prin delaminare este foarte probabilă sub sarcini de impact extern. Apariția și extinderea deteriorării stratificate vor duce la o scădere a rigidității și rezistenței structurale și chiar vor provoca accidente catastrofale.[1-3]Prin urmare, problema delaminării este din ce în ce mai mult abordată în proiectarea structurală și analiza rezistenței materialelor compozite și este necesar să se studieze comportamentul de dilatare stratificată al materialelor compozite.[4].
Cercetare privind comportamentul de expansiune stratificată al laminatului
1. Studiu experimental
Tenacitatea la fractură interlaminară este un parametru caracteristic al proprietăților mecanice dintre straturile compozite. Au fost stabilite standarde de testare corespunzătoare pentru determinarea tenacității la fractură interlaminară a laminatelor unidirecționale hibride de tip I, tip II și I/II. Aparatul de testare corespunzător este prezentat în Figura 1. Cu toate acestea, laminatele multidirecționale din materiale compozite sunt adesea utilizate în structuri inginerești reale. Prin urmare, studiul experimental privind comportamentul de stratificare și expansiune al laminatelor multidirecționale are o semnificație teoretică și o valoare inginerească mai importante. Inițierea și expansiunea straturilor laminate multistrat au loc între interfețe cu unghiuri de stratificare arbitrare, iar comportamentul de expansiune stratificată este semnificativ diferit de cel al laminatelor unidirecționale, iar mecanismul de expansiune este mai complicat. Cercetătorii au relativ puține studii experimentale asupra laminatelor multidirecționale, iar determinarea tenacității la fractură interlaminară nu a stabilit încă un standard internațional. Echipa de cercetare a utilizat fibra de carbon T700 și T800 pentru a proiecta o varietate de laminate compozite cu unghiuri diferite de stratificare la interfață și a studiat influența unghiului de stratificare la interfață și a punții fibrelor asupra comportamentului de delaminare statică și la oboseală. S-a constatat că punțile de fibre formate de marginea posterioară a stratului au o influență mare asupra tenacității la fractură interlaminară. Pe măsură ce stratificarea se extinde, tenacitatea la fractură interlaminară va crește treptat de la o valoare inițială mai mică, iar când stratificarea atinge o anumită lungime, atinge o valoare stabilă, adică fenomenul curbei de rezistență R. Tenacitatea inițială la fractură a stratului intermediar este aproape egală și aproximativ egală cu tenacitatea la fractură a rășinii, care depinde de tenacitatea la fractură a matricei în sine.[5, 6]Cu toate acestea, valorile de extensie a tenacității la fractură interlaminară ale diferitelor interfețe variază foarte mult. Este prezentată o dependență semnificativă a unghiului stratului de interfață. Ca răspuns la această dependență, Zhao și colab.[5]Pe baza mecanismului fizic al sursei de rezistență stratificată, se consideră că valoarea stabilității tenacității la fractură interlaminară este alcătuită din două părți, o parte fiind lucrul mecanic de fractură al interfeței stratului independent, iar cealaltă parte este deteriorarea intrastrat și fibra. Lucrul mecanic de fractură cauzat de punte. Prin analiza cu elemente finite a câmpului frontului de tensiune al frontului stratificat, se constată că a doua parte a lucrului mecanic de fractură depinde de adâncimea zonei de deteriorare a frontului de delaminare (așa cum se arată în Figura 3), iar adâncimea zonei de deteriorare este proporțională cu unghiul de stratificare al interfeței. Este prezentat un model teoretic al valorii stabilității tenacității la fractură de tip I, exprimată prin funcția sinusoidală a unghiului stratului de interfață.
Gong și colab.[7]a efectuat testul de stratificare hibridă I/II sub diferite rapoarte de amestecare și a constatat că stratificarea hibridă I/II în laminat are, de asemenea, caracteristici semnificative ale curbei de rezistență R. Prin analiza tenacității la fractură între diferite epruvete, s-a constatat că valoarea inițială și valoarea stabilă a tenacității la fractură interlaminară a epruvetei cresc semnificativ odată cu creșterea raportului de amestecare. În plus, tenacitatea inițială și stabilă la fractură a stratului intermediar sub diferite rapoarte de amestecare poate fi descrisă prin criteriul BK.
În ceea ce privește stratificarea la oboseală, s-a observat și o formare semnificativă a punților de fibre în timpul testului. Prin analiza datelor testului, s-a constatat că expansiunea delaminării la oboseală a materialului compozit este afectată de „curba de rezistență”, astfel încât modelul tradițional al ratei de expansiune a stratificării la oboseală și valoarea prag nu mai sunt aplicabile. Pe baza analizei teoretice, Zhang și Peng[4,8,9]a introdus rezistența la dilatare prin delaminare la oboseală pentru a exprima energia necesară pentru dilatarea prin delaminare la oboseală a materialelor compozite și a propus în continuare energia de deformare normalizată. Rata de eliberare este modelul ratei de dilatare stratificată la oboseală și valoarea prag a parametrilor de control. Aplicabilitatea modelului și a parametrului prag normalizat este verificată prin experimente. În plus, Zhao și colab.[3]au luat în considerare în mod cuprinzător efectele punții cu fibre, raportului de tensiune și raportului de amestecare a sarcinii asupra stratificării la oboseală și comportamentului de dilatare și au stabilit un model normalizat al ratei de dilatare stratificate la oboseală, luând în considerare influența raportului de tensiune. Acuratețea modelului a fost verificată prin teste de stratificare la oboseală cu diferite rapoarte de tensiune și rapoarte de amestecare. Pentru cantitatea fizică a rezistenței la dilatare stratificate la oboseală în modelul normalizat al ratei de dilatare stratificate la oboseală, Gong și colab.[1]depășirea slăbiciunii metodei de calcul care poate obține doar puncte de date discrete limitate prin experimente și stabilirea oboselii din punct de vedere energetic. Un model analitic pentru calculul rezistenței extinse stratificate. Modelul poate realiza determinarea cantitativă a stratificării la oboseală și a rezistenței la dilatare și poate oferi suport teoretic pentru aplicarea modelului propus de rată de dilatare stratificată la oboseală normalizată.
Figura 1 diagrama dispozitivului de testare stratificată
Figura 2 Curba de rezistență la fracturare între straturi R[5]
Figura 3 Zonă de deteriorare stratificată a muchiei anterioare și morfologie extinsă stratificată[5]
2. Studiu de simulare numerică
Simularea numerică a expansiunii stratificate este un conținut important de cercetare în domeniul proiectării structurilor compozite. Atunci când se prezice cedarea prin delaminare a laminatelor compozite unidirecționale, criteriile existente de expansiune prin stratificare utilizează de obicei tenacitatea constantă la fractură interlaminară ca parametru de performanță de bază.[10], prin compararea ratei de eliberare a energiei la vârful fisurii și a tenacității la fractură interlaminară. Dimensiune pentru a determina dacă stratificarea se extinde. Mecanismul de rupere al laminatelor multidirecționale este complex[11,12], care este caracterizată prin curbe de rezistență R semnificative[5,13]Criteriile existente de expansiune stratificată nu iau în considerare această caracteristică și nu se aplică simulării comportamentului de delaminare a laminatelor multidirecționale cu punți care conțin fibre. Gong și colab.[10, 13]a îmbunătățit criteriile existente de expansiune stratificată și a propus introducerea curbei de rezistență R în criterii și, pe baza acesteia, a stabilit un criteriu de expansiune stratificată care ia în considerare efectele punții de fibre. Parametrii de definire și utilizare ai unității coezive constitutive biliniare au fost studiați sistematic prin metode numerice, inclusiv rigiditatea inițială a interfeței, rezistența interfeței, coeficientul de vâscozitate și numărul minim de elemente din zona forței de coeziune. A fost stabilit modelul parametrilor unității coezive corespunzător. În cele din urmă, eficacitatea și aplicabilitatea criteriului îmbunătățit de expansiune stratificată și a modelului parametrilor unității coezive sunt verificate prin testul de stratificare statică. Cu toate acestea, criteriile îmbunătățite pot fi utilizate numai pentru simulări stratificate unidimensionale din cauza dependențelor poziționale și nu pentru extensii ierarhice bidimensionale sau tridimensionale. Pentru a rezolva această problemă, autorul a propus în continuare un nou criteriu triliniar de forță coezivă care ia în considerare punțile de fibre.[14]Relația constitutivă se potrivește procesului complex de expansiune stratificată dintr-o perspectivă microscopică și are avantajele unor parametri simpli și a unei semnificații fizice clare.
În plus, pentru a simula cu acuratețe fenomenul de migrare stratificată, comun în procesul de stratificare a laminatelor multidirecționale[11,12], Zhao și colab.[11,12]a propus un model de ghidare a traiectoriei fisurii bazat pe elemente finite extinse, simulând un design special. Migrarea ierarhică într-un test de stratificare compozită. În același timp, este propus un model de expansiune stratificată pentru comportamentul de expansiune stratificată în zig-zag de-a lungul interfeței stratificate 90°/90°, care simulează cu acuratețe comportamentul de expansiune stratificată a interfeței 90°/90°.
Figura 4 Simulare numerică a migrării stratificate și rezultate experimentale[15]
Concluzie
Această lucrare se concentrează pe rezultatele cercetării acestui grup în domeniul delaminării laminatelor compozite. Aspectele experimentale includ în principal influența unghiului de așezare la interfață și a punții de fibre asupra comportamentului de expansiune statică și la oboseală a delaminării. Printr-un număr mare de studii experimentale, s-a constatat că mecanismul de rupere multidirecțională a laminatelor din materialele compozite este complicat. Punctarea de fibre este un mecanism comun de călire al laminatelor multidirecționale, acesta fiind principalul motiv pentru curba de rezistență R a tenacității la fractură interlaminară. În prezent, studiul curbei de rezistență R sub stratificarea II este relativ deficitar și necesită cercetări suplimentare. Pornind de la mecanismul de rupere, se propune modelul de stratificare la oboseală care include diverși factori de influență, acesta fiind o direcție de cercetare a stratificării la oboseală. În ceea ce privește simularea numerică, grupul de cercetare a propus un criteriu de expansiune ierarhică îmbunătățit și un model constitutiv coeziv pentru a lua în considerare influența punții de fibre asupra comportamentului de expansiune stratificată. În plus, elementul finit extins este utilizat pentru a simula mai bine fenomenul de migrare ierarhică. Această metodă elimină necesitatea diviziunii fine a celulelor, eliminând problemele asociate cu rediviziunea plasei. Are avantaje unice în simularea stratificării formelor arbitrare, iar în viitor sunt necesare mai multe cercetări în domeniul aplicațiilor inginerești ale acestei metode.[16].
Referințe
[1] Y Gong, L Zhao, J Zhang, N Hu. Un model nou pentru determinarea rezistenței la delaminare la oboseală în laminatele compozite din punct de vedere energetic. Compos Sci Technol 2018; 167: 489-96.
[2] L Zhao, Y Wang, J Zhang, Y Gong, N Hu, N Li. Model bazat pe XFEM pentru simularea creșterii delaminării în zig-zag în compozite laminate sub încărcare în modul I. Compos Struct 2017; 160: 1155-62.
[3] L Zhao, Y Gong, J Zhang, Y Wang, Z Lu, L Peng, N Hu. O nouă interpretare a comportamentului de creștere a delaminării la oboseală în laminatele multidirecționale CFRP. Compos Sci Technol 2016; 133: 79-88.
[4] L Peng, J Zhang, L Zhao, R Bao, H Yang, B Fei. Creșterea delaminării în modul I a laminatelor compozite multidirecționale sub sarcină de oboseală. J Compos Mater 2011; 45: 1077-90.
[5] L Zhao, Y Wang, J Zhang, Y Gong, Z Lu, N Hu, J Xu. Un model dependent de interfață al tenacității la fractură în platou în laminate CFRP multidirecționale sub încărcare în modul I. Composites Part B: Engineering 2017; 131: 196-208.
[6] L Zhao, Y Gong, J Zhang, Y Chen, B Fei. Simularea creșterii delaminării în laminate multidirecționale sub încărcări de mod I și mod mixt I/II folosind elemente coezive. Compos Struct 2014; 116: 509-22.
[7] Y Gong, B Zhang, L Zhao, J Zhang, N Hu, C Zhang. Comportamentul curbei R a delaminării I/II în mod mixt în laminate carbon/epoxi cu interfețe unidirecționale și multidirecționale. Compos Struct 2019. (În curs de revizuire).
[8] L Peng, J Xu, J Zhang, L Zhao. Creșterea delaminării în mod mixt a laminatelor compozite multidirecționale sub sarcină de oboseală. Eng Fract Mech 2012; 96: 676-86.
[9] J Zhang, L Peng, L Zhao, B Fei. Rate de creștere a delaminării la oboseală și praguri ale laminatelor compozite sub sarcină mixtă. Int J Fatigue 2012; 40: 7-15.
[10] Y Gong, L Zhao, J Zhang, Y Wang, N Hu. Criteriul de propagare a delaminării, inclusiv efectul punții de fibre pentru delaminarea în mod mixt I/II în laminate multidirecționale CFRP. Compos Sci Technol 2017; 151: 302-9.
[11] Y Gong, B Zhang, SR Hallett. Migrarea delaminării în laminate compozite multidirecționale sub sarcină cvasistatică și de oboseală în modul I. Compos Struct 2018; 189: 160-76.
[12] Y Gong, B Zhang, S Mukhopadhyay, SR Hallett. Studiu experimental privind migrarea delaminării în laminate multidirecționale sub sarcină statică și de oboseală în modul II, comparativ cu modul I. Compos Struct 2018; 201: 683-98.
[13] Y Gong, L Zhao, J Zhang, N Hu. Un criteriu îmbunătățit al legii puterii pentru propagarea delaminării cu efectul punții de fibre la scară largă în laminate compozite multidirecționale. Compos Struct 2018; 184: 961-8.
[14] Y Gong, Y Hou, L Zhao, W Li, G Yang, J Zhang, N Hu. Un nou model de zonă coezivă triliniară pentru creșterea delaminării în laminatele DCB cu efectul de punte a fibrelor. Compos Struct 2019. (Va fi trimis)
[15] L Zhao, J Zhi, J Zhang, Z Liu, N Hu. Simulare XFEM a delaminării în laminate compozite. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing 2016; 80: 61-71.
[16] Zhao Libin, Gong Yu, Zhang Jianyu. Progrese în cercetare privind comportamentul de expansiune stratificată al laminatelor compozite armate cu fibre. Journal of Aeronautical Sciences 2019: 1-28.
Sursă:Gong Yu, Wang Yana, Peng Lei, Zhao Libin, Zhang Jianyu. Studiu privind comportamentul la expansiune stratificată al laminatelor compozite avansate armate cu fibră de carbon [C]. Mecanică și Inginerie - Calcul Numeric și Analiza Datelor Conferința Academică 2019. Societatea Chineză de Mecanică, Societatea de Mecanică din Beijing, 2019. prin ixueshu
Data publicării: 15 noiembrie 2019