Študija o vedenju večplastnega raztezanja naprednih kompozitnih laminatov, ojačanih z ogljikovimi vlakni

MEHANIKA IN INŽENIRSTVO - Numerično računanje in analiza podatkov
Akademska konferenca Mehanika in inženirstvo — Numerični izračuni in analiza podatkov 2019, 19.–21. april 2019, Peking
19.–21. april 2019, Peking, Kitajska

Študija o vedenju večplastnega raztezanja naprednih kompozitnih laminatov, ojačanih z ogljikovimi vlakni

Gong Yu^1*, Wang Yana², Peng Lei³, Zhao Libin⁴, Zhang Jianyu¹

¹Univerza Chongqing, Chongqing, 400044, Kitajska
²Kitajski letalski raziskovalni inštitut Pekinški inštitut za raziskave letalskih materialov, Peking, 100095, Kitajska
³Kitajska komercialna letala, Pekinški center za raziskave tehnologije civilnih letal, Peking, 102211, Kitajska
⁴Pekinška univerza za aeronavtiko in astronavtiko, Peking, 100191, Kitajska

PovzetekLaminatna struktura je ena najpogosteje uporabljenih konfiguracij kompozitov, vendar je delaminacija njen glavni način odpovedi zaradi šibkih medplastnih lastnosti. Raziskave o stratifikaciji in raztezanju večplastnih laminatov, ki se pogosto uporabljajo v inženirski praksi, so bile vedno vroča tema za znanstvenike. V tem članku so predstavljeni rezultati raziskav o delaminaciji kompozitov, ojačanih z ogljikovimi vlakni, na Univerzi Chongqing in v Laboratoriju za utrujenostni lom Univerze v Pekingu, in sicer z dveh vidikov eksperimentalnih raziskav in numerične simulacije. Nazadnje je predstavljena smer razvoja tega področja.

Ključne besede:kompozit, ojačan z ogljikovimi vlakni, laminat, delaminacija, utrujenostna stratifikacija

uvod

Kompozitni materiali imajo odlične lastnosti, kot sta visoka specifična trdnost in visoka specifična togost, in se pogosto uporabljajo v vesoljski industriji, energetski tehnologiji ter civilnem prometu in gradbeništvu. Med obdelavo in uporabo kompozitnih materialov se vlakna in matrica pod obremenitvijo različno poškodujejo. Pogosti načini odpovedi kompozitnih laminatov vključujejo poškodbe med plastmi in poškodbe znotraj plasti. Zaradi pomanjkanja ojačitve v smeri debeline so stranske mehanske lastnosti laminata slabe, poškodbe zaradi delaminacije pa so zelo verjetne pri zunanjih udarnih obremenitvah. Pojav in širjenje stratificiranih poškodb bosta povzročila zmanjšanje strukturne togosti in trdnosti ter celo povzročila katastrofalne nesreče.^[1–3]Zato se problem delaminacije vse bolj ukvarja s strukturnim načrtovanjem in analizo trdnosti kompozitnih materialov, zato je treba preučiti obnašanje kompozitnih materialov pri raztezanju v plasteh.^[4].

Raziskava o obnašanju laminata pri raztezanju v plasteh
1. Eksperimentalna študija

Medplastna lomna žilavost je značilen parameter mehanskih lastnosti med kompozitnimi plastmi. Za določanje medplastne lomne žilavosti enosmernih laminatov tipa I, tipa II in hibridnih I/II so bili določeni ustrezni preskusni standardi. Ustrezna preskusna naprava je prikazana na sliki 1. Vendar pa se večsmerni laminati kompozitnih materialov pogosto uporabljajo v dejanskih inženirskih konstrukcijah. Zato ima eksperimentalna študija o stratifikacijskem in ekspanzijskem obnašanju večsmernih laminatov večji teoretični pomen in inženirsko vrednost. Začetek in ekspanzija večplastnih laminatnih plasti se pojavita med vmesniki s poljubnimi koti plastenja, obnašanje plastnega ekspanzije pa se bistveno razlikuje od obnašanja enosmernih laminatov, mehanizem ekspanzije pa je bolj zapleten. Raziskovalci imajo relativno malo eksperimentalnih študij o večsmernih laminatih, določanje medplastne lomne žilavosti pa še ni vzpostavilo mednarodnega standarda. Raziskovalna skupina je uporabila ogljikova vlakna T700 in T800 za načrtovanje različnih kompozitnih laminatov z različnimi koti polaganja vmesnika ter preučevala vpliv kota polaganja vmesnika in premostitve vlaken na statično in utrujenostno delaminacijsko obnašanje. Ugotovljeno je bilo, da ima premostitev vlaken, ki jo tvori zadnji rob plasti, velik vpliv na medplastno lomno žilavost. Ko se stratifikacija širi, se medplastna lomna žilavost postopoma povečuje od nižje začetne vrednosti in ko stratifikacija doseže določeno dolžino, doseže stabilno vrednost, to je pojav krivulje upornosti R. Začetna lomna žilavost vmesne plasti je skoraj enaka in približno enaka lomni žilavosti smole, ki je odvisna od lomne žilavosti same matrice.^{[5, 6]}Vendar pa se vrednosti raztezanja medplastne lomne žilavosti različnih vmesnikov zelo razlikujejo. Predstavljena je pomembna odvisnost od kota vmesnika. V odgovor na to odvisnost so Zhao in sod.^[5]Na podlagi fizikalnega mehanizma stratificiranega vira upora se šteje, da je vrednost stabilnosti medplastne lomne žilavosti sestavljena iz dveh delov, en del je lomno delo nepovezanega vmesnika plasti, drugi del pa je poškodba znotraj plasti in vlaken. Lomno delo, ki ga povzroči premostitev. Z analizo končnih elementov polja napetostne fronte večplastne fronte je bilo ugotovljeno, da je drugi del lomnega dela odvisen od globine poškodovane cone delaminacijske fronte (kot je prikazano na sliki 3), globina poškodovane cone pa je sorazmerna s kotom nanosa vmesnika. Predstavljen je teoretični model vrednosti stabilnosti lomne žilavosti tipa I, izražen s sinusoidno funkcijo kota vmesnika.
Gong in drugi.^[7]Izvedli so test hibridne stratifikacije I/II pri različnih mešalnih razmerjih in ugotovili, da ima hibridna stratifikacija I/II v laminatu tudi pomembne značilnosti krivulje odpornosti R. Z analizo lomne žilavosti med različnimi preskušanci je bilo ugotovljeno, da se začetna vrednost in stabilna vrednost medplastne lomne žilavosti preskušanca znatno povečata z naraščanjem mešalnega razmerja. Poleg tega lahko začetno in stabilno lomno žilavost vmesne plasti pri različnih mešalnih razmerjih opišemo s kriterijem BK.
Kar zadeva utrujenostno stratifikacijo, je bilo med preskusom opaženo tudi znatno premoščanje vlaken. Z analizo preskusnih podatkov je bilo ugotovljeno, da na utrujenostno delaminacijsko raztezanje kompozitnega materiala vpliva "krivulja upornosti", tako da tradicionalni model stopnje raztezanja utrujenostne stratifikacije in pragovna vrednost nista več uporabna. Na podlagi teoretične analize sta Zhang in Peng^[4,8,9]uvedel upornost pri utrujenosti zaradi delaminacije, da bi izrazil energijo, potrebno za raztezanje kompozitnih materialov zaradi utrujenosti zaradi delaminacije, in nadalje predlagal normalizirano energijo deformacije. Hitrost sproščanja je model stopnje stratificiranega raztezanja zaradi utrujenosti in pragovna vrednost kontrolnih parametrov. Uporabnost modela in normaliziranega pragovnega parametra je bila potrjena z eksperimenti. Nadalje, Zhao et al.^[3]celovito preučili vplive premoščanja vlaken, razmerja napetosti in razmerja med obremenitvijo in mešanjem na stratifikacijo utrujenosti in obnašanje raztezanja ter vzpostavili normaliziran model stopnje raztezanja pri stratificirani utrujenosti, ki upošteva vpliv razmerja napetosti. Natančnost modela je bila preverjena s testi stratifikacije utrujenosti z različnimi razmerji napetosti in mešalnimi razmerji. Za fizikalno količino upornosti pri stratificirani razteznitvi pri utrujenosti v normaliziranem modelu stopnje raztezanja pri stratificirani utrujenosti so Gong in sod.^[1]Premagati slabost računske metode, ki lahko s poskusi pridobi le omejene diskretne podatkovne točke, in ugotoviti utrujenost z energijskega vidika. Analitični model za izračun stratificirane razširjene upornosti. Model lahko izvede kvantitativno določitev utrujenostne stratifikacije in ekspanzijske upornosti ter zagotovi teoretično podporo za uporabo predlaganega normaliziranega modela stopnje stratificirane ekspanzije zaradi utrujenosti.

Slika 1 diagram stratificirane testne naprave

Slika 2 Krivulja odpornosti na medplastno lomno žilavost R^[5]


Slika 3 Območje poškodbe na večplastnem sprednjem robu in stratificirana razširjena morfologija^[5]

2. Študija numerične simulacije

Numerična simulacija plastovite ekspanzije je pomembna raziskovalna vsebina na področju načrtovanja kompozitnih struktur. Pri napovedovanju delaminacijske rušitve kompozitnih enosmernih laminatov obstoječi kriteriji stratifikacijske ekspanzije običajno uporabljajo konstantno medplastno lomno žilavost kot osnovni parameter delovanja.^[10], s primerjavo hitrosti sproščanja energije na konici razpoke in medplastne lomne žilavosti. Velikost za ugotavljanje, ali se plast širi. Mehanizem odpovedi večsmernih laminatov je kompleksen^[11,12], za katerega so značilne pomembne krivulje upora R^[5,13]Obstoječi kriteriji za raztezanje v plasteh te značilnosti ne upoštevajo in se ne uporabljajo za simulacijo obnašanja delaminacije premoščenih večsmernih laminatov, ki vsebujejo vlakna. Gong et al.^{[10, 13]}Izboljšal je obstoječe kriterije stratificiranega raztezanja in predlagal uvedbo krivulje upornosti R v kriterije ter na podlagi tega vzpostavil kriterij stratificiranega raztezanja, ki upošteva učinke premostitve vlaken. Definicija in parametri uporabe bilinearne konstitutivne kohezivne enote so bili sistematično preučeni z numeričnimi metodami, vključno z začetno togostjo vmesnika, trdnostjo vmesnika, koeficientom viskoznosti in minimalnim številom elementov v območju kohezijske sile. Določen je bil ustrezen model parametrov kohezijske enote. Nazadnje sta bili učinkovitost in uporabnost izboljšanega kriterija plastovnega raztezanja in modela parametrov kohezijske enote preverjeni s statičnim testom stratifikacije. Vendar pa se izboljšani kriteriji lahko uporabljajo le za enodimenzionalne plastovite simulacije zaradi položajnih odvisnosti in ne za dvo- ali tridimenzionalne hierarhične razširitve. Da bi rešil ta problem, je avtor nadalje predlagal nov trilinearni konstitutivni model kohezijske sile, ki upošteva premostitev vlaken.^[14]Konstitutivni odnos ustreza kompleksnemu procesu plastovite ekspanzije z mikroskopskega vidika in ima prednosti preprostih parametrov in jasnega fizikalnega pomena.
Poleg tega, da bi natančno simulirali pojav stratificirane migracije, ki je pogost v procesu stratifikacije večsmernih laminatov^[11,12], Zhao et al.^[11,12]predlagal model vodenja poti razpoke, ki temelji na razširjeni metodi končnih elementov, ki simulira posebno zasnovo. Hierarhična migracija v testu sestavljene stratifikacije. Hkrati je predlagan model plastovite ekspanzije za cikcakasto plastovito ekspanzijo vzdolž plastovitega vmesnika 90°/90°, ki natančno simulira plastovito ekspanzijo vmesnika 90°/90°.

Slika 4 Numerična simulacija migracije po plasteh in eksperimentalni rezultati^[15]

Zaključek

Ta članek se osredotoča na raziskovalne rezultate te skupine na področju delaminacije kompozitnih laminatov. Eksperimentalni vidiki vključujejo predvsem vpliv kota namestitve vmesnika in premostitve vlaken na statično in utrujenostno ekspanzijsko obnašanje delaminacije. Z velikim številom eksperimentalnih študij je bilo ugotovljeno, da je mehanizem večsmerne lomnosti laminatov kompozitnih materialov zapleten. Premostitev vlaken je pogost mehanizem kaljenja večsmernih laminatov, kar je glavni razlog za krivuljo odpornosti R pri medplastni lomni žilavosti. Trenutno je študija krivulje odpornosti R pri stratifikaciji II relativno pomanjkljiva in potrebuje nadaljnje raziskave. Izhajajoč iz mehanizma lomnosti, je predlagan model stratifikacije utrujenosti, ki vključuje različne vplivne dejavnike, kar je smer raziskav stratifikacije utrujenosti. V smislu numerične simulacije je raziskovalna skupina predlagala izboljšan hierarhični kriterij ekspanzije in kohezivni konstitutivni model za upoštevanje vpliva premostitve vlaken na obnašanje stratificirane ekspanzije. Poleg tega se za boljšo simulacijo pojava hierarhične migracije uporablja razširjeni končni element. Ta metoda odpravlja potrebo po delitvi finih celic in odpravlja težave, povezane s ponovno delitvijo mreže. Ima edinstvene prednosti pri simuliranju stratifikacije poljubnih oblik, zato je v prihodnosti potrebnih več inženirskih raziskav uporabe te metode.^[16].

Reference

[1] Y Gong, L Zhao, J Zhang, N Hu. Nov model za določanje odpornosti proti utrujenosti pri delaminaciji v kompozitnih laminatih z vidika energije. Compos Sci Technol 2018; 167: 489-96.
[2] L Zhao, Y Wang, J Zhang, Y Gong, N Hu, N Li. Model na osnovi XFEM za simulacijo rasti cikcakaste delaminacije v laminiranih kompozitih pri obremenitvi v načinu I. Compos Struct 2017; 160: 1155-62.
[3] L Zhao, Y Gong, J Zhang, Y Wang, Z Lu, L Peng, N Hu. Nova interpretacija obnašanja rasti utrujenostne delaminacije v večsmernih laminatih CFRP. Compos Sci Technol 2016; 133: 79-88.
[4] L Peng, J Zhang, L Zhao, R Bao, H Yang, B Fei. Rast delaminacije v načinu I večsmernih kompozitnih laminatov pod obremenitvijo zaradi utrujenosti. J Compos Mater 2011; 45: 1077-90.
[5] L Zhao, Y Wang, J Zhang, Y Gong, Z Lu, N Hu, J Xu. Model lomne žilavosti v obliki platoja, odvisen od vmesnika, v večsmernih CFRP laminatih pri obremenitvi načina I. Kompoziti, del B: Inženiring 2017; 131: 196-208.
[6] L Zhao, Y Gong, J Zhang, Y Chen, B Fei. Simulacija rasti delaminacije v večsmernih laminatih pri obremenitvah tipa I in mešanih obremenitev tipa I/II z uporabo kohezivnih elementov. Compos Struct 2014; 116: 509-22.
[7] Y Gong, B Zhang, L Zhao, J Zhang, N Hu, C Zhang. Obnašanje R-krivulje mešane I/II delaminacije v ogljikovih/epoksi laminatih z enosmernimi in večsmernimi vmesniki. Compos Struct 2019. (V pregledu).
[8] L Peng, J Xu, J Zhang, L Zhao. Rast delaminacije v mešanem načinu večsmernih kompozitnih laminatov pod obremenitvijo zaradi utrujenosti. Eng Fract Mech 2012; 96: 676-86.
[9] J Zhang, L Peng, L Zhao, B Fei. Stopnje rasti in pragovi utrujenostne delaminacije kompozitnih laminatov pri mešanem načinu obremenitve. Int J Fatigue 2012; 40: 7-15.
[10] Y Gong, L Zhao, J Zhang, Y Wang, N Hu. Kriterij širjenja delaminacije, vključno z učinkom premostitve vlaken za mešano I/II delaminacijo v večsmernih laminatih CFRP. Compos Sci Technol 2017; 151: 302–9.
[11] Y Gong, B Zhang, SR Hallett. Migracija delaminacije v večsmernih kompozitnih laminatih pri kvazistatični obremenitvi in ​​obremenitvi zaradi utrujenosti v načinu I. Compos Struct 2018; 189: 160-76.
[12] Y Gong, B Zhang, S Mukhopadhyay, SR Hallett. Eksperimentalna študija migracije delaminacije v večsmernih laminatih pri statični obremenitvi in ​​obremenitvi zaradi utrujenosti v načinu II v primerjavi z načinom I. Compos Struct 2018; 201: 683-98.
[13] Y Gong, L Zhao, J Zhang, N Hu. Izboljšan kriterij potenčnega zakona za širjenje delaminacije z učinkom premostitvenih vlaken velikega obsega v kompozitnih večsmernih laminatih. Compos Struct 2018; 184: 961-8.
[14] Y Gong, Y Hou, L Zhao, W Li, G Yang, J Zhang, N Hu. Nov model treh linearnih kohezivnih con za rast delaminacije v laminatih DCB z učinkom premoščanja vlaken. Compos Struct 2019. (V oddaji)
[15] L Zhao, J Zhi, J Zhang, Z Liu, N Hu. XFEM simulacija delaminacije v kompozitnih laminatih. Kompoziti, del A: Uporabna znanost in proizvodnja 2016; 80: 61–71.
[16] Zhao Libin, Gong Yu, Zhang Jianyu. Napredek raziskav o stratificiranem razteznem obnašanju vlakneno ojačanih kompozitnih laminatov. Journal of Aeronautical Sciences 2019: 1-28.

Vir:Gong Yu, Wang Yana, Peng Lei, Zhao Libin, Zhang Jianyu. Študija o stratificiranem ekspanzijskem obnašanju naprednih kompozitnih laminatov, ojačanih z ogljikovimi vlakni [C]. Akademska konferenca o mehaniki in inženirstvu - numerično računanje in analiza podatkov 2019. Kitajsko društvo za mehaniko, Pekinško društvo za mehaniko, 2019. prek iksueshu