МЕХАНИКА И МАШИНОСТРОЕНИЕ - Численные вычисления и анализ данных
Механика и машиностроение — Численные расчеты и анализ данных. Научная конференция 2019 г., 19–21 апреля 2019 г., Пекин
19-21 апреля 2019 г., Пекин, Китай
Исследование поведения слоистого расширения усовершенствованных композитных ламинатов, армированных углеродным волокном
Гонг Ю1*, Ван Яна2, Пэн Лэй3, Чжао Либинь4, Чжан Цзяньюй1
1Чунцинский университет, Чунцин, 400044, Китай
2Китайский авиационный научно-исследовательский институт Пекинский научно-исследовательский институт авиационных материалов, Пекин, 100095, Китай
3Китайские коммерческие самолеты Пекинский центр исследований технологий гражданской авиации, Пекин, 102211, Китай
4Пекинский университет аэронавтики и астронавтики, Пекин, 100191, Китай
АбстрактныйСтруктура ламината является одной из наиболее часто используемых композитных конфигураций для композитов, но расслоение становится его основным видом отказа из-за слабых межслойных свойств. Исследования многослойного расслоения и поведения расширения ламината, обычно используемого в инженерной практике, всегда были горячей темой для ученых. В этой статье представлены результаты исследований расслоения композита, армированного углеродным волокном, в Чунцинском университете и Лаборатории усталостного разрушения Пекинского университета аэронавтики и астронавтики с двух сторон экспериментального исследования и численного моделирования. Наконец, рассматривается направление развития этой области.
Ключевые слова:композит, армированный углеродным волокном, ламинат, расслоение, усталостное расслоение
введение
Композитные материалы обладают превосходными свойствами, такими как высокая удельная прочность и высокая удельная жесткость, и широко используются в аэрокосмической промышленности, энергетике, гражданском транспорте и строительстве. Во время обработки и использования композитных материалов волокна и матрица будут подвергаться различным степеням повреждения под нагрузкой. Обычные виды отказов для композитных ламинатов включают межслойные повреждения и повреждения внутри слоев. Из-за отсутствия армирования в направлении толщины латеральные механические свойства ламината плохие, и весьма вероятно возникновение расслоения при внешних ударных нагрузках. Возникновение и расширение стратифицированных повреждений приведет к снижению жесткости и прочности конструкции и даже вызовет катастрофические аварии[1-3]. Таким образом, проблема расслоения все больше и больше касается структурного проектирования и анализа прочности композитных материалов, и необходимо изучать поведение композитных материалов при послойном расширении.[4].
Исследование поведения слоистого расширения ламината
1. Экспериментальное исследование
Вязкость межслойного разрушения является характерным параметром механических свойств между композитными слоями. Соответствующие стандарты испытаний были установлены для определения вязкости межслойного разрушения гибридных однонаправленных ламинатов типа I, типа II и I/II. Соответствующее испытательное устройство показано на рисунке 1. Однако многонаправленные ламинаты композитных материалов часто используются в реальной инженерной конструкции. Поэтому экспериментальное исследование поведения расслоения и расширения многонаправленных ламинатов имеет более важное теоретическое значение и инженерную ценность. Инициирование и расширение многослойного ламината происходит между интерфейсами с произвольными углами наслаивания, а поведение расширения слоев значительно отличается от поведения однонаправленных ламинатов, а механизм расширения более сложен. Исследователи имеют относительно мало экспериментальных исследований многонаправленных ламинатов, и определение вязкости межслойного разрушения еще не установило международный стандарт. Исследовательская группа использовала углеродное волокно T700 и T800 для проектирования различных композитных ламинатов с различными углами наложения интерфейса и изучала влияние угла наложения интерфейса и перемычек волокон на статическое и усталостное поведение расслоения. Было обнаружено, что перемычки волокон, образованные задней кромкой слоя, оказывают большое влияние на межслойную вязкость разрушения. По мере расширения стратификации межслойная вязкость разрушения будет постепенно увеличиваться от более низкого начального значения, и когда стратификация достигнет определенной длины, она достигнет стабильного значения, то есть явления кривой сопротивления R. Начальная вязкость разрушения прослойки почти равна и приблизительно равна вязкости разрушения смолы, которая зависит от вязкости разрушения самой матрицы[5, 6]. Однако значения расширения межслойной вязкости разрушения различных интерфейсов сильно различаются. Представлена значительная зависимость угла интерфейса слоя. В ответ на эту зависимость Чжао и др.[5]на основе физического механизма источника стратифицированного сопротивления считается, что значение стабильности вязкости разрушения межслойного слоя состоит из двух частей, одна часть - это работа разрушения несвязанного интерфейса слоев, а другая часть - это внутрислоевое повреждение и волокно. Работа разрушения, вызванная перемычками. С помощью конечно-элементного анализа поля фронта напряжений слоистого фронта обнаружено, что вторая часть работы разрушения зависит от глубины зоны повреждения фронта расслоения (как показано на рисунке 3), а глубина зоны повреждения пропорциональна углу наложения интерфейса. Представлена теоретическая модель значения стабильности вязкости разрушения I-типа, выраженная синусоидальной функцией угла слоя интерфейса.
Гонг и др.[7]провели испытание гибридной стратификации I/II при различных соотношениях смешивания и обнаружили, что гибридная стратификация I/II в ламинате также имеет значительные характеристики кривой сопротивления R. Посредством анализа вязкости разрушения между различными образцами для испытаний было обнаружено, что начальное значение и стабильное значение межслойной вязкости разрушения образца для испытаний значительно увеличиваются с увеличением соотношения смешивания. Кроме того, начальная и стабильная вязкость разрушения промежуточного слоя при различных соотношениях смешивания может быть описана критерием BK.
Что касается усталостного расслоения, то во время испытания также наблюдалось значительное образование мостиков из волокон. Анализ данных испытаний показал, что на усталостное расслоение композитного материала влияет «кривая сопротивления», поэтому традиционная модель скорости расширения усталостного расслоения и пороговое значение больше не применимы. На основе теоретического анализа Чжан и Пэн[4,8,9]ввели сопротивление расширению усталостного расслоения для выражения энергии, необходимой для расширения усталостного расслоения композитных материалов, и далее предложили нормализованную энергию деформации. Скорость высвобождения представляет собой модель скорости усталостного стратифицированного расширения и пороговое значение контрольных параметров. Применимость модели и нормализованного порогового параметра проверена экспериментами. Далее, Чжао и др.[3]всесторонне рассмотрели влияние перекрытия волокон, коэффициента напряжения и коэффициента смешивания нагрузки на усталостное расслоение и поведение расширения и создали нормализованную модель скорости усталостного расслоения, учитывающую влияние коэффициента напряжения. Точность модели была проверена испытаниями на усталостное расслоение с различными коэффициентами напряжения и коэффициентами смешивания. Для физической величины сопротивления усталостному расслоению в нормализованной модели скорости усталостного расслоения Гонг и др.[1]преодолеть слабость метода расчета, который может получить только ограниченные дискретные точки данных посредством экспериментов, и установить усталость с точки зрения энергии. Аналитическая модель для расчета стратифицированного удлиненного сопротивления. Модель может реализовать количественное определение усталостного расслоения и сопротивления расширению, а также предоставить теоретическую поддержку для применения предлагаемой нормализованной модели усталостного расслоенного расширения.
Рисунок 1. Схема стратифицированного испытательного устройства
Рисунок 2 Кривая сопротивления трещиностойкости R между слоями[5]
Рисунок 3. Слоистая зона повреждения передней кромки и слоистая протяженная морфология[5]
2. Численное моделирование
Численное моделирование расширения слоев является важным исследовательским содержанием в области проектирования композитных структур. При прогнозировании разрушения от расслоения композитных однонаправленных ламинатов существующие критерии расширения слоев обычно используют постоянную межслойную вязкость разрушения в качестве основного параметра производительности[10], сравнивая скорость высвобождения энергии вершины трещины и межслойную вязкость разрушения. Размер для определения расширения слоев. Механизм разрушения многонаправленных ламинатов сложен[11,12], который характеризуется значительными кривыми сопротивления R[5,13]. Существующие критерии послойного расширения не учитывают эту особенность и не применяются для моделирования поведения расслоения волокнистых мостиковых многонаправленных ламинатов. Гонг и др.[10, 13]улучшены существующие критерии стратифицированного расширения и предложено ввести кривую сопротивления R в критерии, и на основе этого установлен критерий стратифицированного расширения с учетом эффектов перекрытия волокон. Определение и параметры использования билинейной конститутивной связной единицы были систематически изучены численными методами, включая начальную жесткость интерфейса, прочность интерфейса, коэффициент вязкости и минимальное количество элементов в зоне силы сцепления. Была установлена соответствующая модель параметров связной единицы. Наконец, эффективность и применимость улучшенного критерия стратифицированного расширения и модели параметров связной единицы проверены с помощью статического теста на стратификацию. Однако улучшенные критерии могут быть использованы только для одномерных слоистых симуляций из-за позиционных зависимостей, а не для двух- или трехмерных иерархических расширений. Чтобы решить эту проблему, автор далее предложил новую трилинейную конститутивную силу сцепления с учетом перекрытия волокон[14]. Конститутивное соотношение соответствует сложному процессу послойного расширения с микроскопической точки зрения и имеет преимущества простых параметров и ясного физического смысла.
Кроме того, для точного моделирования явления стратифицированной миграции, распространенного в процессе стратификации многонаправленных ламинатов[11,12], Чжао и др.[11,12]предложена модель направления траектории трещины на основе расширенного конечного элемента, имитирующая специальную конструкцию. Иерархическая миграция в тесте на композитную стратификацию. В то же время предлагается модель слоистого расширения для поведения зигзагообразного слоистого расширения вдоль слоистого интерфейса 90°/90°, которая точно имитирует поведение слоистого расширения интерфейса 90°/90°.
Рисунок 4 Численное моделирование слоистой миграции и экспериментальные результаты[15]
Заключение
В данной статье основное внимание уделяется результатам исследований этой группы в области расслоения композитного ламината. Экспериментальные аспекты в основном включают влияние угла наложения интерфейса и перемычек волокон на статическое и усталостное поведение расширения расслоения. Благодаря большому количеству экспериментальных исследований было обнаружено, что механизм разрушения многонаправленного ламината композитных материалов сложен. Перемычки волокон являются распространенным механизмом упрочнения многонаправленных ламинатов, что является основной причиной кривой сопротивления R межслойной вязкости разрушения. В настоящее время исследование кривой сопротивления R при расслоении II относительно недостаточно и требует дальнейших исследований. Начиная с механизма разрушения, предлагается модель усталостной стратификации, включающая различные влияющие факторы, что является направлением исследований усталостной стратификации. С точки зрения численного моделирования исследовательская группа предложила улучшенный иерархический критерий расширения и связную конститутивную модель для рассмотрения влияния перемычек волокон на поведение стратифицированного расширения. Кроме того, расширенный конечный элемент используется для лучшего моделирования явления иерархической миграции. Этот метод устраняет необходимость в тонком делении клеток, устраняя проблемы, связанные с повторным делением сетки. Он имеет уникальные преимущества в моделировании стратификации произвольных форм, и в будущем необходимо больше инженерных прикладных исследований этого метода[16].
Ссылки
[1] Y Gong, L Zhao, J Zhang, N Hu. Новая модель для определения сопротивления усталостному расслоению в композитных ламинатах с точки зрения энергии. Compos Sci Technol 2018; 167: 489-96.
[2] L Zhao, Y Wang, J Zhang, Y Gong, N Hu, N Li. Модель на основе XFEM для моделирования роста зигзагообразного расслоения в слоистых композитах при нагрузке в режиме I. Compos Struct 2017; 160: 1155-62.
[3] L Zhao, Y Gong, J Zhang, Y Wang, Z Lu, L Peng, N Hu. Новая интерпретация поведения роста усталостного расслоения в многонаправленных ламинатах CFRP. Compos Sci Technol 2016; 133: 79-88.
[4] L Peng, J Zhang, L Zhao, R Bao, H Yang, B Fei. Рост расслоения в режиме I многонаправленных композитных ламинатов под усталостной нагрузкой. J Compos Mater 2011; 45: 1077-90.
[5] L Zhao, Y Wang, J Zhang, Y Gong, Z Lu, N Hu, J Xu. Модель плато-зависимой вязкости разрушения в многонаправленных ламинатах CFRP при нагрузке в режиме I. Композиты, часть B: Engineering 2017; 131: 196-208.
[6] L Zhao, Y Gong, J Zhang, Y Chen, B Fei. Моделирование роста расслоения в многонаправленных ламинатах при нагрузках в режиме I и смешанном режиме I/II с использованием связующих элементов. Compos Struct 2014; 116: 509-22.
[7] Y Gong, B Zhang, L Zhao, J Zhang, N Hu, C Zhang. Поведение R-кривой расслоения смешанного режима I/II в углеродных/эпоксидных ламинатах с однонаправленными и многонаправленными интерфейсами. Compos Struct 2019. (На рассмотрении).
[8] L Peng, J Xu, J Zhang, L Zhao. Смешанный режим роста расслоения многонаправленных композитных ламинатов под усталостной нагрузкой. Eng Fract Mech 2012; 96: 676-86.
[9] J Zhang, L Peng, L Zhao, B Fei. Скорости роста усталостного расслоения и пороги композитных ламинатов при смешанном режиме нагрузки. Int J Fatigue 2012; 40: 7-15.
[10] Y Gong, L Zhao, J Zhang, Y Wang, N Hu. Критерий распространения расслоения, включающий эффект образования мостиков из волокон для расслоения смешанного режима I/II в многонаправленных ламинатах CFRP. Compos Sci Technol 2017; 151: 302-9.
[11] Y Gong, B Zhang, SR Hallett. Миграция расслоения в многонаправленных композитных ламинатах при квазистатическом и усталостном нагружении в режиме I. Compos Struct 2018; 189: 160-76.
[12] Y Gong, B Zhang, S Mukhopadhyay, SR Hallett. Экспериментальное исследование миграции расслоения в многонаправленных ламинатах при статической и усталостной нагрузке в режиме II по сравнению с режимом I. Compos Struct 2018; 201: 683-98.
[13] Y Gong, L Zhao, J Zhang, N Hu. Улучшенный критерий степенного закона для распространения расслоения с эффектом крупномасштабного перекрытия волокон в композитных многонаправленных ламинатах. Compos Struct 2018; 184: 961-8.
[14] Y Gong, Y Hou, L Zhao, W Li, G Yang, J Zhang, N Hu. Новая трехлинейная модель когезионной зоны для роста расслоения в ламинатах DCB с эффектом образования мостиков из волокон. Compos Struct 2019. (Будет представлено)
[15] L Zhao, J Zhi, J Zhang, Z Liu, N Hu. XFEM-моделирование расслоения в композитных ламинатах. Композиты, часть A: прикладная наука и производство 2016; 80: 61-71.
[16] Чжао Либин, Гун Юй, Чжан Цзяньюй. Прогресс в исследовании поведения слоистого расширения армированных волокном композитных ламинатов. Журнал аэронавтических наук 2019: 1-28.
Источник:Гун Юй, Ван Яна, Пэн Лэй, Чжао Либин, Чжан Цзяньюй. Исследование поведения слоистого расширения современных композитных ламинатов, армированных углеродным волокном [C]. Механика и машиностроение - Численные вычисления и анализ данных, научная конференция 2019 года. Китайское общество механиков, Пекинское общество механиков, 2019. с помощью иксюешу
Время публикации: 15 ноября 2019 г.