MEKANIKË DHE INXHINIERI - Llogaritje Numerike dhe Analizë e të Dhënave
Mekanika dhe Inxhinieria — Llogaritjet Numerike dhe Analiza e të Dhënave Konferenca Akademike 2019, 19-21 Prill 2019, Pekin
19-21 Prill, 2019, Pekin, Kinë
Studim mbi sjelljen e zgjerimit të shtresave të fletës së laminuar kompozit të përforcuar me fibra karboni të avancuara
Gong Yu1*, Wang Yana2, Peng Lei3, Zhao Libin4, Zhang Jianyu1
1Universiteti i Çongqingut, Çongqing, 400044, Kinë
2Instituti i Kërkimeve të Aviacionit të Kinës, Instituti i Kërkimeve të Materialeve Aeronautike të Pekinit, Pekin, 100095, Kinë
3Qendra Kërkimore e Teknologjisë së Avionëve Komercialë të Kinës, Pekin, 102211, Kinë
4Universiteti i Aeronautikës dhe Astronautikës së Pekinit, Pekin, 100191, Kinë
AbstraktStruktura laminate është një nga konfigurimet më të përdorura të kompozitëve, por delaminimi bëhet mënyra e saj kryesore e dështimit për shkak të vetive të dobëta ndërshtresore. Hulumtimi mbi shtresimin dhe sjelljen e zgjerimit të laminateve shumështresore që përdoren zakonisht në praktikën inxhinierike ka qenë gjithmonë një temë e nxehtë për studiuesit. Në këtë punim, rezultatet e hulumtimit të delaminimit të kompozitëve të përforcuar me fibra karboni në Universitetin Chongqing dhe Laboratorin e Thyerjeve të Lodhjes të Universitetit të Aeronautikës dhe Astronautikës së Pekinit prezantohen nga dy aspekte të hulumtimit eksperimental dhe simulimit numerik. Së fundmi, parashikohet drejtimi i zhvillimit të fushës.
Fjalë kyçe:kompozit i përforcuar me fibra karboni, laminat, delaminim, stratifikim lodhjeje
hyrje
Materialet kompozite kanë veti të shkëlqyera, siç janë forca e lartë specifike dhe ngurtësia e lartë specifike, dhe janë përdorur gjerësisht në hapësirën ajrore, teknologjinë e energjisë, transportin civil dhe ndërtimin. Gjatë përpunimit dhe përdorimit të materialeve kompozite, fibrat dhe matrica do të pësojnë shkallë të ndryshme dëmtimi nën ngarkesë. Mënyrat e zakonshme të dështimit për laminatet kompozite përfshijnë dëmtimin midis shtresave dhe dëmtimin brenda shtresave. Për shkak të mungesës së përforcimit në drejtimin e trashësisë, vetitë mekanike anësore të laminatit janë të dobëta, dhe dëmtimi nga delaminimi ka shumë të ngjarë të ndodhë nën ngarkesa të jashtme të ndikimit. Shfaqja dhe zgjerimi i dëmtimit të shtresuar do të çojë në një ulje të ngurtësisë dhe forcës strukturore, dhe madje do të shkaktojë aksidente katastrofike.[1-3]Prandaj, problemi i delaminimit është gjithnjë e më i shqetësuar nga projektimi strukturor dhe analiza e forcës së materialeve kompozite, dhe është e nevojshme të studiohet sjellja e zgjerimit të shtresave të materialeve kompozite.[4].
Hulumtim mbi sjelljen e zgjerimit të shtresave të laminateve
1. Studimi eksperimental
Rezistenca ndaj thyerjes ndërlaminare është një parametër karakteristik i vetive mekanike midis shtresave kompozite. Janë krijuar standarde përkatëse të testimit për përcaktimin e rezistencës ndaj thyerjes ndërlaminare të laminateve hibride unidireksionale të Tipit I, Tipit II dhe I/II. Aparati përkatës i testimit është treguar në Figurën 1. Megjithatë, laminatet shumëdireksionale të materialeve kompozite përdoren shpesh në strukturën aktuale inxhinierike. Prandaj, studimi eksperimental mbi sjelljen e shtresimit dhe zgjerimit të laminateve shumëdireksionale ka rëndësi teorike dhe vlerë inxhinierike më të rëndësishme. Fillimi dhe zgjerimi i shtresave të laminateve shumëdireksionale ndodhin midis ndërfaqeve me kënde arbitrare shtresimi, dhe sjellja e zgjerimit të shtresave është dukshëm e ndryshme nga ajo e laminateve unidireksionale, dhe mekanizmi i zgjerimit është më i ndërlikuar. Studiuesit kanë relativisht pak studime eksperimentale mbi laminatet shumëdireksionale, dhe përcaktimi i rezistencës ndaj thyerjes ndërlaminare nuk ka vendosur ende një standard ndërkombëtar. Ekipi i hulumtimit përdori fibra karboni T700 dhe T800 për të projektuar një sërë laminatesh kompozite me kënde të ndryshme të vendosjes së ndërfaqes, dhe studioi ndikimin e këndit të vendosjes së ndërfaqes dhe lidhjes së fibrave në sjelljen statike dhe të delaminimit nga lodhja. Është zbuluar se lidhja e fibrave e formuar nga skaji i pasmë i shtresës ka një ndikim të madh në rezistencën ndaj thyerjes ndërlaminare. Ndërsa stratifikimi zgjerohet, rezistencën ndaj thyerjes ndërlaminare do të rritet gradualisht nga një vlerë fillestare më e ulët, dhe kur stratifikimi arrin një gjatësi të caktuar, ai arrin një vlerë të qëndrueshme, domethënë fenomenin e kurbës së rezistencës R. Rezistenca fillestare ndaj thyerjes së ndërmjetme është pothuajse e barabartë dhe afërsisht e barabartë me rezistencën ndaj thyerjes së rrëshirës, e cila varet nga rezistencën ndaj thyerjes së vetë matricës.[5, 6]Megjithatë, vlerat e zgjatjes së rezistencës ndaj thyerjes ndërshtresore të ndërfaqeve të ndryshme ndryshojnë shumë. Paraqitet një varësi e rëndësishme nga këndi i shtresës ndërfaqesore. Në përgjigje të kësaj varësie, Zhao et al.[5]Bazuar në mekanizmin fizik të burimit të rezistencës së shtresuar, konsiderohet se vlera e qëndrueshmërisë së rezistencës ndaj thyerjes ndërshtresore përbëhet nga dy pjesë, njëra pjesë është puna e thyerjes së ndërfaqes së shtresës së palidhur, dhe pjesa tjetër është dëmtimi brenda shtresës dhe fibra. Puna e thyerjes e shkaktuar nga lidhja. Nëpërmjet analizës së elementëve të fundëm të fushës së frontit të stresit të frontit të shtresuar, zbulohet se pjesa e dytë e punës së thyerjes varet nga thellësia e zonës së dëmtimit të frontit të delaminimit (siç tregohet në Figurën 3), dhe thellësia e zonës së dëmtimit është proporcionale me këndin e vendosjes së ndërfaqes. Paraqitet një model teorik i vlerës së qëndrueshmërisë së rezistencës ndaj thyerjes së tipit I, i shprehur nga funksioni sinusoidal i këndit të shtresës së ndërfaqes.
Gong etj.[7]kreu testin e stratifikimit hibrid I/II në raporte të ndryshme përzierjeje dhe zbuloi se stratifikimi hibrid I/II në laminat ka gjithashtu karakteristika të rëndësishme të kurbës së rezistencës R. Përmes analizës së rezistencës ndaj thyerjes midis pjesëve të ndryshme të provës, u zbulua se vlera fillestare dhe vlera e qëndrueshme e rezistencës ndaj thyerjes ndërshtresore të copës së provës rriten ndjeshëm me rritjen e raportit të përzierjes. Përveç kësaj, rezistencës fillestare dhe të qëndrueshme ndaj thyerjes së shtresës së ndërmjetme në raporte të ndryshme përzierjeje mund të përshkruhet nga kriteri BK.
Sa i përket stratifikimit të lodhjes, gjatë testit u vu re edhe një urë e konsiderueshme e fibrave. Nëpërmjet analizës së të dhënave të testit, u zbulua se zgjerimi i delaminimit të lodhjes së materialit kompozit ndikohet nga "kurba e rezistencës", kështu që modeli tradicional i shkallës së zgjerimit të stratifikimit të lodhjes dhe vlera e pragut nuk janë më të zbatueshme. Bazuar në analizën teorike, Zhang dhe Peng[4,8,9]prezantoi rezistencën e zgjerimit të delaminimit nga lodhja për të shprehur energjinë e nevojshme për zgjerimin e delaminimit nga lodhja të materialeve kompozite, dhe më tej propozoi energjinë e normalizuar të deformimit. Shkalla e lirimit është modeli i shkallës së zgjerimit të stratifikuar nga lodhja dhe vlera prag e parametrave të kontrollit. Zbatueshmëria e modelit dhe parametrit të pragut të normalizuar verifikohet nga eksperimentet. Më tej, Zhao et al.[3]shqyrtoi në mënyrë gjithëpërfshirëse efektet e lidhjes së fibrave, raportit të stresit dhe raportit të përzierjes së ngarkesës në sjelljen e stratifikimit dhe zgjerimit ndaj lodhjes, dhe krijoi një model të normës së normalizuar të zgjerimit të stratifikuar ndaj lodhjes duke marrë parasysh ndikimin e raportit të stresit. Saktësia e modelit u verifikua nga testet e stratifikimit të lodhjes me raporte të ndryshme stresi dhe raporte përzierjeje. Për sasinë fizike të rezistencës së zgjerimit të stratifikuar ndaj lodhjes në modelin e normës së normalizuar të zgjerimit të stratifikuar ndaj lodhjes, Gong et al.[1]kapërcejnë dobësinë e metodës së llogaritjes që mund të marrë vetëm pika të kufizuara të dhënash diskrete përmes eksperimenteve dhe të përcaktojnë lodhjen nga pikëpamja e energjisë. Një model analitik për llogaritjen e rezistencës së shtrirë të stratifikuar. Modeli mund të realizojë përcaktimin sasior të stratifikimit të lodhjes dhe rezistencës së zgjerimit, dhe të ofrojë mbështetje teorike për zbatimin e modelit të propozuar të normës së normalizuar të zgjerimit të stratifikuar të lodhjes.
Figura 1 diagrama e pajisjes së testimit të stratifikuar
Figura 2 Kurba e rezistencës ndaj thyerjes R midis shtresave[5]
Figura 3 Zona e dëmtimit të skajit kryesor me shtresa dhe morfologjia e shtrirë e shtresuar[5]
2. Studimi i simulimit numerik
Simulimi numerik i zgjerimit të shtresave është një përmbajtje e rëndësishme kërkimore në fushën e projektimit të strukturave kompozite. Kur parashikohet dështimi i delaminimit të laminateve unidireksionale kompozite, kriteret ekzistuese të zgjerimit të stratifikimit zakonisht përdorin rezistencën konstante ndaj thyerjes ndërshtresore si parametër bazë të performancës.[10], duke krahasuar shkallën e çlirimit të energjisë së majës së çarjes dhe rezistencën ndaj thyerjes ndërshtresore. Madhësia për të përcaktuar nëse shtresa po zgjerohet. Mekanizmi i dështimit të laminateve shumëdrejtimëshe është kompleks[11,12], e cila karakterizohet nga kurba të rëndësishme të rezistencës R[5,13]Kriteret ekzistuese të zgjerimit të shtresave nuk e marrin parasysh këtë veçori dhe nuk zbatohen për simulimin e sjelljes së delaminimit të laminateve shumëdrejtimëshe të lidhura me urë që përmbajnë fibra. Gong et al.[10, 13]përmirësoi kriteret ekzistuese të zgjerimit të stratifikuar dhe propozoi futjen e kurbës së rezistencës R në kritere, dhe bazuar në këtë, krijoi një kriter të zgjerimit të stratifikuar duke marrë parasysh efektet e lidhjes së fibrave. Parametrat e përkufizimit dhe përdorimit të njësisë konstituive bilineare u studiuan sistematikisht me anë të metodave numerike, duke përfshirë ngurtësinë fillestare të ndërfaqes, forcën e ndërfaqes, koeficientin e viskozitetit dhe numrin minimal të elementëve në zonën e forcës kohezive. U krijua modeli përkatës i parametrave të njësisë kohezive. Së fundmi, efektiviteti dhe zbatueshmëria e kriterit të përmirësuar të zgjerimit të shtresuar dhe modelit të parametrave të njësisë kohezive verifikohen me anë të testit statik të stratifikimit. Megjithatë, kriteret e përmirësuara mund të përdoren vetëm për simulime njëdimensionale të shtresuara për shkak të varësive pozicionale dhe jo për zgjerime hierarkike dy ose tredimensionale. Për të zgjidhur këtë problem, autori propozoi më tej një konstituiv të ri të forcës kohezive trilineare duke marrë parasysh lidhjen e fibrave.[14]Marrëdhënia përbërëse i përshtatet procesit kompleks të zgjerimit të shtresave nga një perspektivë mikroskopike dhe ka avantazhet e parametrave të thjeshtë dhe kuptimit të qartë fizik.
Përveç kësaj, për të simuluar me saktësi fenomenin e migrimit të stratifikuar, i zakonshëm në procesin e stratifikimit të laminateve shumëdrejtimëshe[11,12], Zhao etj.[11,12]propozoi një model udhëzimi të rrugës së çarjes bazuar në element të fundëm të zgjeruar, duke simuluar një dizajn të veçantë. Migrimi hierarkik në një provë shtresimi të përbërë. Në të njëjtën kohë, propozohet një model zgjerimi i shtresuar për sjelljen e zgjerimit të shtresuar zigzag përgjatë ndërfaqes së shtresuar 90°/90°, i cili simulon me saktësi sjelljen e zgjerimit të shtresuar të ndërfaqes 90°/90°.
Figura 4 Simulimi numerik i migrimit të shtresuar dhe rezultatet eksperimentale[15]
Përfundim
Ky punim përqendrohet në rezultatet e kërkimit të këtij grupi në fushën e delaminimit të laminateve kompozite. Aspektet eksperimentale përfshijnë kryesisht ndikimin e këndit të vendosjes së ndërfaqes dhe lidhjes së fibrave në sjelljen e zgjerimit statik dhe të delaminimit nga lodhja. Përmes një numri të madh studimesh eksperimentale, është zbuluar se mekanizmi shumëdrejtimësh i dështimit të laminateve të materialeve kompozite është i ndërlikuar. Lidhja e fibrave është një mekanizëm i zakonshëm i fortësimit të laminateve shumëdrejtimëshe, i cili është arsyeja kryesore për kurbën e rezistencës R të rezistencës ndaj thyerjes ndërshtresore. Aktualisht, studimi i kurbës së rezistencës R nën shtresëzimin II është relativisht i mangët dhe ka nevojë për kërkime të mëtejshme. Duke filluar nga mekanizmi i dështimit, propozohet modeli i shtresëzimit të lodhjes që përfshin faktorë të ndryshëm ndikues, i cili është një drejtim i kërkimit të shtresëzimit të lodhjes. Sa i përket simulimit numerik, grupi i kërkimit propozoi një kriter të përmirësuar të zgjerimit hierarkik dhe një model konstituiv koheziv për të marrë në konsideratë ndikimin e lidhjes së fibrave në sjelljen e zgjerimit të shtresëzuar. Përveç kësaj, elementi i fundëm i zgjeruar përdoret për të simuluar më mirë fenomenin e migrimit hierarkik. Kjo metodë eliminon nevojën për ndarje të imët qelizore, duke eliminuar problemet që lidhen me rindarjen e rrjetës. Ka avantazhe unike në simulimin e stratifikimit të formave arbitrare, dhe në të ardhmen nevojiten më shumë kërkime inxhinierike për zbatimin e kësaj metode.[16].
Referencat
[1] Y Gong, L Zhao, J Zhang, N Hu. Një model i ri për përcaktimin e rezistencës ndaj delaminimit ndaj lodhjes në laminatet kompozite nga pikëpamja e energjisë. Compos Sci Technol 2018; 167: 489-96.
[2] L Zhao, Y Wang, J Zhang, Y Gong, N Hu, N Li. Model i bazuar në XFEM për simulimin e rritjes së delaminimit zigzag në kompozitët e laminuar nën ngarkesën e modalitetit I. Compos Struct 2017; 160: 1155-62.
[3] L Zhao, Y Gong, J Zhang, Y Wang, Z Lu, L Peng, N Hu. Një interpretim i ri i sjelljes së rritjes së delaminimit nga lodhja në laminatet shumëdrejtimëshe të CFRP. Compos Sci Technol 2016; 133: 79-88.
[4] L Peng, J Zhang, L Zhao, R Bao, H Yang, B Fei. Rritja e delaminimit në modalitetin I të laminateve kompozite shumëdrejtimëshe nën ngarkesë lodhjeje. J Compos Mater 2011; 45: 1077-90.
[5] L Zhao, Y Wang, J Zhang, Y Gong, Z Lu, N Hu, J Xu. Një model i varur nga ndërfaqja i rezistencës ndaj thyerjes në plato në laminatet shumëdrejtimëshe CFRP nën ngarkesën e modalitetit I. Kompozitët Pjesa B: Inxhinieri 2017; 131: 196-208.
[6] L Zhao, Y Gong, J Zhang, Y Chen, B Fei. Simulimi i rritjes së delaminimit në laminat shumëdrejtimësh nën modalitetin I dhe ngarkesat e përziera të modalitetit I/II duke përdorur elementë kohezivë. Compos Struct 2014; 116: 509-22.
[7] Y Gong, B Zhang, L Zhao, J Zhang, N Hu, C Zhang. Sjellja e kurbës R të delaminimit I/II me modalitet të përzier në laminatet karbon/epoksi me ndërfaqe unidireksionale dhe shumëdireksionale. Compos Struct 2019. (Në shqyrtim).
[8] L Peng, J Xu, J Zhang, L Zhao. Rritja e delaminimit të modës së përzier të laminateve kompozite shumëdrejtimëshe nën ngarkesë lodhjeje. Eng Fract Mech 2012; 96: 676-86.
[9] J Zhang, L Peng, L Zhao, B Fei. Shkalla e rritjes së delaminimit nga lodhja dhe pragjet e laminateve kompozite nën ngarkesë të përzier. Int J Fatigue 2012; 40: 7-15.
[10] Y Gong, L Zhao, J Zhang, Y Wang, N Hu. Kriteri i përhapjes së delaminimit duke përfshirë efektin e lidhjes së fibrave për delaminimin I/II me modalitet të përzier në laminatet shumëdrejtimëshe CFRP. Compos Sci Technol 2017; 151: 302-9.
[11] Y Gong, B Zhang, SR Hallett. Migrimi i delaminimit në laminat kompozitë shumëdrejtimëshe nën modalitetin I kuazi-statik dhe ngarkesë lodhjeje. Compos Struct 2018; 189: 160-76.
[12] Y Gong, B Zhang, S Mukhopadhyay, SR Hallett. Studim eksperimental mbi migrimin e delaminimit në laminat shumëdrejtimësh nën ngarkesë statike dhe lodhjeje të modës II, me krahasim me mënyrën I. Compos Struct 2018; 201: 683-98.
[13] Y Gong, L Zhao, J Zhang, N Hu. Një kriter i përmirësuar i ligjit të fuqisë për përhapjen e delaminimit me efektin e urës së fibrave në shkallë të gjerë në laminatet shumëdrejtimëshe kompozite. Compos Struct 2018; 184: 961-8.
[14] Y Gong, Y Hou, L Zhao, W Li, G Yang, J Zhang, N Hu. Një model i ri tre-linear i zonës kohezive për rritjen e delaminimit në laminatet DCB me efektin e lidhjes së fibrave. Compos Struct 2019. (Do të dorëzohet)
[15] L Zhao, J Zhi, J Zhang, Z Liu, N Hu. Simulimi XFEM i delaminimit në laminatet kompozite. Kompozitët Pjesa A: Shkenca dhe Prodhimi i Aplikuar 2016; 80: 61-71.
[16] Zhao Libin, Gong Yu, Zhang Jianyu. Progresi i kërkimit mbi sjelljen e zgjerimit të shtresuar të laminateve kompozite të përforcuara me fibra. Revista e Shkencave Aeronautike 2019: 1-28.
Burimi:Gong Yu, Wang Yana, Peng Lei, Zhao Libin, Zhang Jianyu. Studim mbi sjelljen e zgjerimit të shtresuar të laminateve kompozite të përforcuara me fibra karboni të avancuara [C]. Mekanika dhe Inxhinieria - Llogaritja Numerike dhe Analiza e të Dhënave Konferenca Akademike 2019. Shoqëria Kineze e Mekanikës, Shoqëria e Mekanikës së Pekinit, 2019. nëpërmjet ixueshu
Koha e postimit: 15 nëntor 2019