MECHANIKA A INŽINIERSTVO - Numerické výpočty a analýza dát
Akademická konferencia Mechanika a inžinierstvo — Numerické výpočty a analýza dát 2019, 19. – 21. apríla 2019, Peking
19. – 21. apríla 2019, Peking, Čína
Štúdia správania sa pri vrstvenej expanzii pokročilých kompozitných laminátov vystužených uhlíkovými vláknami
Gong Yu1*, Wang Yana2, Peng Lei3, Čao Libin4, Zhang Jianyu1
1Univerzita v Čchung-čchingu, Čchung-čching, 400044, Čína
2Čínsky letecký výskumný ústav Pekinský výskumný ústav leteckých materiálov, Peking, 100095, Čína
3Výskumné centrum pre technologický výskum civilných lietadiel v Pekingu, Peking, 102211, Čína
4Pekinská univerzita letectva a astronautiky, Peking, 100191, Čína
AbstraktLaminovaná štruktúra je jednou z najčastejšie používaných konfigurácií kompozitov, ale delaminácia sa stáva jej hlavným spôsobom zlyhania kvôli slabým interlaminárnym vlastnostiam. Výskum viacvrstvového laminátu pri stratifikácii a rozťahovaní, bežne používaný v inžinierskej praxi, bol vždy horúcou témou pre vedcov. V tomto článku sú predstavené výsledky výskumu delaminácie kompozitov vystužených uhlíkovými vláknami na Univerzite Chongqing a v Laboratóriu únavového lomu Pekinskej univerzity pre letectvo a astronautiku z dvoch hľadísk: experimentálneho výskumu a numerickej simulácie. Na záver je načrtnutý smer vývoja tejto oblasti.
Kľúčové slová:kompozit vystužený uhlíkovými vláknami, laminát, delaminácia, únavová stratifikácia
úvod
Kompozitné materiály majú vynikajúce vlastnosti, ako je vysoká špecifická pevnosť a vysoká špecifická tuhosť, a široko sa používajú v leteckom priemysle, energetických technológiách, doprave a stavebníctve. Počas spracovania a používania kompozitných materiálov dochádza k rôznemu stupňu poškodenia vlákien a matrice pri zaťažení. Medzi bežné spôsoby porušenia kompozitných laminátov patrí poškodenie medzi vrstvami a poškodenie vo vnútri vrstiev. V dôsledku nedostatku výstuže v smere hrúbky sú bočné mechanické vlastnosti laminátu slabé a pri vonkajších nárazových zaťaženiach je veľmi pravdepodobné, že dôjde k poškodeniu delamináciou. Výskyt a rozširovanie stratifikovaného poškodenia povedie k zníženiu štrukturálnej tuhosti a pevnosti a dokonca spôsobí katastrofické nehody.[1-3]Preto sa problém delaminácie čoraz viac zameriava na konštrukčný návrh a pevnostnú analýzu kompozitných materiálov a je potrebné študovať správanie kompozitných materiálov pri rozťahovaní vo vrstvách.[4].
Výskum správania sa laminátu pri rozťahovaní vrstiev
1. Experimentálna štúdia
Medzivrstvová lomová húževnatosť je charakteristickým parametrom mechanických vlastností medzi kompozitnými vrstvami. Na stanovenie medzivrstvovej lomovej húževnatosti jednosmerných laminátov typu I, typu II a I/II boli stanovené zodpovedajúce testovacie normy. Zodpovedajúce testovacie zariadenie je znázornené na obrázku 1. Viacsmerové lamináty kompozitných materiálov sa však často používajú v skutočných technických konštrukciách. Preto má experimentálna štúdia správania sa viacsmerových laminátov pri stratifikácii a rozťahovaní dôležitejší teoretický význam a inžiniersku hodnotu. Iniciácia a rozťahovanie vrstiev viacvrstvového laminátu prebieha medzi rozhraniami s ľubovoľnými uhlami vrstvenia a správanie sa pri rozťahovaní pri vrstvení sa výrazne líši od správania sa pri jednosmerných laminátoch a mechanizmus rozťahovania je zložitejší. Výskumníci majú relatívne málo experimentálnych štúdií o viacsmerových laminátoch a stanovenie medzivrstvovej lomovej húževnatosti zatiaľ nestanovilo medzinárodný štandard. Výskumný tím použil uhlíkové vlákna T700 a T800 na navrhnutie rôznych kompozitných laminátov s rôznymi uhlami rozloženia rozhrania a študoval vplyv uhla rozloženia rozhrania a premostenia vlákien na statické správanie a správanie pri únavovej delaminácii. Zistilo sa, že premostenie vlákien tvorené zadným okrajom vrstvy má veľký vplyv na medzivrstvovú lomovú húževnatosť. S rozširovaním stratifikácie sa medzivrstvová lomová húževnatosť postupne zvyšuje z nižšej počiatočnej hodnoty a keď stratifikácia dosiahne určitú dĺžku, dosiahne stabilnú hodnotu, teda jav krivky odporu R. Počiatočná lomová húževnatosť medzivrstvy je takmer rovnaká a približne rovná lomovej húževnatosti živice, ktorá závisí od lomovej húževnatosti samotnej matrice.[5, 6]Hodnoty predĺženia medzivrstvovej lomovej húževnatosti rôznych rozhraní sa však značne líšia. Je prezentovaná významná závislosť od uhla medzivrstvy. V reakcii na túto závislosť Zhao a kol.[5]Na základe fyzikálneho mechanizmu zdroja stratifikovaného odporu sa predpokladá, že hodnota stability lomovej húževnatosti medzi vrstvami sa skladá z dvoch častí, pričom jedna časť je lomová práca rozhrania nesúvisiacich vrstiev a druhá časť je poškodenie vnútrovrstvovej vrstvy a vlákna. Lomová práca spôsobená premostením. Analýzou metódou konečných prvkov poľa napäťového frontu vrstevnatého frontu sa zistilo, že druhá časť lomovej práce závisí od hĺbky zóny poškodenia delaminácie frontu (ako je znázornené na obrázku 3) a hĺbka zóny poškodenia je úmerná uhlu rozhrania. Je prezentovaný teoretický model hodnoty stability lomovej húževnatosti typu I vyjadrený sínusovou funkciou uhla rozhrania.
Gong a kol.[7]vykonali test hybridnej stratifikácie I/II pri rôznych pomeroch miešania a zistili, že hybridná stratifikácia I/II v lamináte má tiež významné charakteristiky krivky odporu R. Analýzou lomovej húževnatosti medzi rôznymi testovanými kusmi sa zistilo, že počiatočná hodnota a stabilná hodnota medzivrstvovej lomovej húževnatosti testovaného kusu sa výrazne zvyšujú so zvyšujúcim sa pomerom miešania. Okrem toho možno počiatočnú a stabilnú lomovú húževnatosť medzivrstvy pri rôznych pomeroch miešania opísať kritériom BK.
Z hľadiska únavovej stratifikácie sa počas testu pozorovalo aj významné premostenie vlákien. Analýzou testovacích údajov sa zistilo, že únavová delaminácia rozťažnosti kompozitného materiálu je ovplyvnená „krivkou odporu“, takže tradičný model rýchlosti rozťažnosti únavovej stratifikácie a prahová hodnota už nie sú použiteľné. Na základe teoretickej analýzy Zhang a Peng[4,8,9]zaviedli odpor únavovej delaminácie pri rozťažnosti na vyjadrenie energie potrebnej na únavovú delamináciu kompozitných materiálov a ďalej navrhli normalizovanú energiu deformácie. Rýchlosť uvoľňovania je model rýchlosti stratifikovanej únavovej rozťažnosti a prahová hodnota riadiacich parametrov. Použiteľnosť modelu a normalizovaného prahového parametra je overená experimentmi. Ďalej, Zhao a kol.[3]komplexne zvážili vplyvy premostenia vlákien, pomeru napätia a pomeru zaťaženia k miešaniu na správanie sa stratifikácie únavy a rozťažnosti a vytvorili normalizovaný model rýchlosti stratifikovanej únavy s ohľadom na vplyv pomeru napätia. Presnosť modelu bola overená testami stratifikácie únavy s rôznymi pomermi napätia a pomermi miešania. Pre fyzikálnu veličinu odporu stratifikovanej únavovej rozťažnosti v normalizovanom modeli rýchlosti stratifikovanej únavy, Gong a kol.[1]prekonať slabinu výpočtovej metódy, ktorá dokáže získať iba obmedzený počet diskrétnych údajov prostredníctvom experimentov a stanoviť únavu z energetického hľadiska. Analytický model pre výpočet stratifikovanej predĺženej odolnosti. Model dokáže realizovať kvantitatívne stanovenie únavovej stratifikácie a odolnosti voči rozťažnosti a poskytnúť teoretickú podporu pre aplikáciu navrhovaného normalizovaného modelu rýchlosti únavovej stratifikovanej rozťažnosti.
Obrázok 1 schéma stratifikovaného testovacieho zariadenia
Obrázok 2 Krivka lomovej húževnatosti medzi vrstvami R[5]
Obrázok 3 Vrstvená zóna poškodenia nábežnej hrany a stratifikovaná predĺžená morfológia[5]
2. Štúdia numerickej simulácie
Numerická simulácia vrstvenej expanzie je dôležitým výskumným obsahom v oblasti návrhu kompozitných štruktúr. Pri predpovedaní delaminácie kompozitných jednosmerných laminátov existujúce kritériá stratifikačnej expanzie zvyčajne používajú konštantnú medzivrstvovú lomovú húževnatosť ako základný výkonnostný parameter.[10], porovnaním rýchlosti uvoľňovania energie z hrotu trhliny a lomovej húževnatosti medzivrstvového vlákna. Veľkosť na určenie, či sa vrstvenie rozširuje. Mechanizmus porušenia viacsmerových laminátov je zložitý[11,12], ktorý sa vyznačuje výraznými krivkami odporu R[5,13]Existujúce kritériá vrstveného rozťahovania túto vlastnosť nezohľadňujú a nevzťahujú sa na simuláciu správania sa pri delaminácii premostených viacsmerových laminátov obsahujúcich vlákna. Gong a kol.[10, 13]vylepšil existujúce kritériá stratifikovanej expanzie a navrhol zaviesť do kritérií krivku odporu R a na základe toho stanovil kritérium stratifikovanej expanzie zohľadňujúce vplyvy premostenia vlákien. Definícia a parametre použitia bilineárnej konštitutívnej kohéznej jednotky boli systematicky študované numerickými metódami, vrátane počiatočnej tuhosti rozhrania, pevnosti rozhrania, koeficientu viskozity a minimálneho počtu prvkov v zóne kohéznej sily. Bol stanovený zodpovedajúci model parametrov kohéznej jednotky. Nakoniec bola účinnosť a použiteľnosť vylepšeného kritéria vrstevnatej expanzie a modelu parametrov kohéznej jednotky overená statickým stratifikačným testom. Vylepšené kritériá však možno použiť iba pre jednorozmerné vrstvené simulácie kvôli polohovým závislostiam a nie pre dvoj- alebo trojrozmerné hierarchické rozšírenia. Na vyriešenie tohto problému autor ďalej navrhol novú trilineárnu konštitutívnu kohéznu silu zohľadňujúcu premostenie vlákien.[14]Konštitutívny vzťah zodpovedá zložitému procesu vrstevnatej expanzie z mikroskopického hľadiska a má výhody jednoduchých parametrov a jasného fyzikálneho významu.
Okrem toho, aby sa presne simuloval jav stratifikovanej migrácie bežný v procese stratifikácie viacsmerových laminátov[11,12], Zhao a kol.[11,12]navrhol model vedenia dráhy trhliny založený na rozšírenej metóde konečných prvkov, simulujúci špeciálny návrh. Hierarchická migrácia v teste kompozitnej stratifikácie. Zároveň je navrhnutý model vrstevnatého rozširovania pre správanie kľukatého vrstevnatého rozširovania pozdĺž vrstveného rozhrania 90°/90°, ktorý presne simuluje správanie vrstevnatého rozširovania rozhrania 90°/90°.
Obrázok 4 Numerická simulácia vrstevnatej migrácie a experimentálne výsledky[15]
Záver
Táto práca sa zameriava na výsledky výskumu tejto skupiny v oblasti delaminácie kompozitných laminátov. Experimentálne aspekty zahŕňajú najmä vplyv uhla rozhrania a premostenia vlákien na správanie sa pri statickej a únavovej delaminácii pri rozťažnosti. Prostredníctvom veľkého počtu experimentálnych štúdií sa zistilo, že mechanizmus viacsmerového porušenia laminátov z kompozitných materiálov je komplikovaný. Premostenie vlákien je bežným mechanizmom spevňovania viacsmerových laminátov, čo je hlavným dôvodom krivky odporu R medzivrstvovej lomovej húževnatosti. V súčasnosti je štúdia krivky odporu R pri stratifikácii II relatívne nedostatočná a vyžaduje si ďalší výskum. Vychádzajúc z mechanizmu porušenia, je navrhnutý model stratifikácie únavy zahŕňajúci rôzne ovplyvňujúce faktory, čo je smer výskumu stratifikácie únavy. Z hľadiska numerickej simulácie výskumná skupina navrhla vylepšené kritérium hierarchickej expanzie a kohézny konštitutívny model na zohľadnenie vplyvu premostenia vlákien na správanie pri stratifikovanej expanzii. Okrem toho sa na lepšiu simuláciu javu hierarchickej migrácie používa rozšírený konečný prvok. Táto metóda eliminuje potrebu jemného delenia buniek a eliminuje problémy spojené s opätovným delením siete. Má jedinečné výhody pri simulácii stratifikácie ľubovoľných tvarov a v budúcnosti je potrebný ďalší výskum inžinierskych aplikácií tejto metódy.[16].
Referencie
[1] Y Gong, L Zhao, J Zhang, N Hu. Nový model na určenie odolnosti voči únavovej delaminácii v kompozitných laminátoch z hľadiska energie. Compos Sci Technol 2018; 167: 489-96.
[2] L Zhao, Y Wang, J Zhang, Y Gong, N Hu, N Li. Model založený na XFEM na simuláciu rastu cikcakovej delaminácie v laminovaných kompozitoch pri zaťažení v móde I. Compos Struct 2017; 160: 1155-62.
[3] L Zhao, Y Gong, J Zhang, Y Wang, Z Lu, L Peng, N Hu. Nová interpretácia správania sa pri raste únavovej delaminácie vo viacsmerových laminátoch z CFRP. Compos Sci Technol 2016; 133: 79-88.
[4] L Peng, J Zhang, L Zhao, R Bao, H Yang, B Fei. Rast delaminácie v móde I viacsmerových kompozitných laminátov pri únavovom zaťažení. J Compos Mater 2011; 45: 1077-90.
[5] L Zhao, Y Wang, J Zhang, Y Gong, Z Lu, N Hu, J Xu. Model lomovej húževnatosti typu plateau závislý od rozhrania vo viacsmerových CFRP laminátoch pri zaťažení v móde I. Composites Part B: Engineering 2017; 131: 196-208.
[6] L Zhao, Y Gong, J Zhang, Y Chen, B Fei. Simulácia rastu delaminácie vo viacsmerových laminátoch pri zaťažení v móde I a zmiešanom móde I/II s použitím kohéznych prvkov. Compos Struct 2014; 116: 509-22.
[7] Y Gong, B Zhang, L Zhao, J Zhang, N Hu, C Zhang. Správanie sa R-krivky zmiešaného módu delaminácie I/II v uhlíkových/epoxidových laminátoch s jednosmernými a viacsmerovými rozhraniami. Compos Struct 2019. (V revízii).
[8] L Peng, J Xu, J Zhang, L Zhao. Rast delaminácie v zmiešanom móde viacsmerových kompozitných laminátov pri únavovom zaťažení. Eng Fract Mech 2012; 96: 676-86.
[9] J Zhang, L Peng, L Zhao, B Fei. Rýchlosti rastu únavovej delaminácie a prahové hodnoty kompozitných laminátov pri zmiešanom režime zaťaženia. Int J Fatigue 2012; 40: 7-15.
[10] Y Gong, L Zhao, J Zhang, Y Wang, N Hu. Kritérium šírenia delaminácie vrátane vplyvu premostenia vlákien pre zmiešanú delamináciu I/II v CFRP viacsmerových laminátoch. Compos Sci Technol 2017; 151: 302-9.
[11] Y Gong, B Zhang, SR Hallett. Migrácia delaminácie vo viacsmerových kompozitných laminátoch pri kvázistatickom a únavovom zaťažení v móde I. Compos Struct 2018; 189: 160-76.
[12] Y Gong, B Zhang, S Mukhopadhyay, SR Hallett. Experimentálna štúdia migrácie delaminácie vo viacsmerových laminátoch pri statickom a únavovom zaťažení v móde II v porovnaní s módom I. Compos Struct 2018; 201: 683-98.
[13] Y Gong, L Zhao, J Zhang, N Hu. Vylepšené kritérium mocninového zákona pre šírenie delaminácie s efektom rozsiahleho premostenia vlákien v kompozitných viacsmerových laminátoch. Compos Struct 2018; 184: 961-8.
[14] Y Gong, Y Hou, L Zhao, W Li, G Yang, J Zhang, N Hu. Nový trojlineárny model kohéznej zóny pre rast delaminácie v DCB laminátoch s efektom premostenia vlákien. Compos Struct 2019. (Na odoslanie)
[15] L Zhao, J Zhi, J Zhang, Z Liu, N Hu. XFEM simulácia delaminácie v kompozitných laminátoch. Kompozity, časť A: Aplikovaná veda a výroba 2016; 80: 61-71.
[16] Zhao Libin, Gong Yu, Zhang Jianyu. Pokrok vo výskume správania sa pri stratifikovanej expanzii vláknami vystužených kompozitných laminátov. Journal of Aeronautical Sciences 2019: 1-28.
Zdroj:Gong Yu, Wang Yana, Peng Lei, Zhao Libin, Zhang Jianyu. Štúdia správania sa pri stratifikovanej expanzii pokročilých kompozitných laminátov vystužených uhlíkovými vláknami [C]. Akademická konferencia Mechanika a inžinierstvo - numerické výpočty a analýza dát 2019. Čínska spoločnosť mechaniky, Pekinská spoločnosť mechaniky, 2019. cez ixueshu
Čas uverejnenia: 15. novembra 2019