МЕХАНИКА И ИНЖЕЊЕРСТВО - Нумеричко рачунање и анализа података
Механика и инжењерство — Нумеричка прорачунавања и анализа података 2019. Академска конференција, 19-21. април 2019, Пекинг
19-21. април 2019, Пекинг, Кина
Студија о понашању слојевитог ширења напредних композитних ламината ојачаних угљеничним влакнима
Гонг Иу1*, Ванг Јана2, Пенг Леи3, Зхао Либин4, Зханг Јианиу1
1Универзитет Чонгћинг, Чонгћинг, 400044, Кина
2Кинески институт за истраживање ваздухопловства, Пекиншки институт за истраживање ваздухопловних материјала, Пекинг, 100095, Кина
3Кинески комерцијални авиони, Пекиншки истраживачки центар за технологију цивилних авиона, Пекинг, 102211, Кина
4Пекиншки универзитет за аеронаутику и астронаутику, Пекинг, 100191, Кина
АпстрактЛаминатна структура је једна од најчешће коришћених композитних конфигурација за композите, али деламинација постаје њен главни начин отказа због слабих међуслојних својстава. Истраживање понашања вишеслојне ламинатне стратификације и ширења које се обично користи у инжењерској пракси одувек је била врућа тема за научнике. У овом раду, резултати истраживања деламинације композита ојачаних угљеничним влакнима у Лабораторији за заморне ломове Универзитета у Чонгћингу и Лабораторији за лом услед замора Универзитета у Пекингу представљени су из два аспекта експерименталног истраживања и нумеричке симулације. Коначно, испитан је правац развоја ове области.
Кључне речи:композит ојачан угљеничним влакнима, ламинат, деламинација, стратификација замора
увод
Композитни материјали имају одлична својства као што су висока специфична чврстоћа и висока специфична крутост, и широко се користе у ваздухопловству, енергетској технологији, цивилном транспорту и грађевинарству. Током обраде и употребе композитних материјала, влакна и матрица ће претрпети различите степене оштећења под оптерећењем. Уобичајени облици отказа за композитне ламинанте укључују оштећења између слојева и оштећења унутар слојева. Због недостатка арматуре у правцу дебљине, бочна механичка својства ламината су лоша, а оштећења услед деламинације су веома вероватноћа да ће се јавити под спољним ударним оптерећењима. Појава и ширење слојевитих оштећења довешће до смањења структурне крутости и чврстоће, па чак и изазвати катастрофалне несреће.[1-3]Стога се проблем деламинације све више бави структурним пројектовањем и анализом чврстоће композитних материјала, те је неопходно проучити понашање слојевитог ширења композитних материјала.[4].
Истраживање понашања ламината при слојевитом ширењу
1. Експериментална студија
Интерламинарна жилавост лома је карактеристичан параметар механичких својстава између композитних слојева. Одговарајући стандарди испитивања су утврђени за одређивање интерламинарне жилавости лома једносмерних ламината типа I, типа II и I/II хибридних. Одговарајући апарат за испитивање је приказан на слици 1. Међутим, вишесмерни ламинати композитних материјала се често користе у стварним инжењерским структурама. Стога, експериментална студија о понашању стратификације и ширења вишесмерних ламината има важнији теоријски значај и инжењерску вредност. Иницијација и ширење вишеслојних ламината се дешавају између међуслојних површина са произвољним угловима наслагивања, а понашање слојевитог ширења се значајно разликује од понашања једносмерних ламината, а механизам ширења је компликованији. Истраживачи имају релативно мало експерименталних студија о вишесмерним ламинатима, а одређивање интерламинарне жилавости лома још увек није успоставило међународни стандард. Истраживачки тим је користио угљенична влакна Т700 и Т800 за пројектовање различитих композитних ламината са различитим угловима наслагивања међуслојне површине и проучавао је утицај угла наслагивања међуслојне површине и премошћавања влакана на статичко понашање и понашање деламинације услед замора. Утврђено је да премошћавање влакана формирано задњом ивицом слоја има велики утицај на жилавост лома између слојева. Како се слојеви шире, жилавост лома између слојева ће се постепено повећавати од ниже почетне вредности, а када слојеви достигну одређену дужину, достиже стабилну вредност, односно феномен R криве отпора. Почетна жилавост лома између слојева је скоро једнака и приближно једнака жилавости лома смоле, која зависи од жилавости лома саме матрице.[5, 6]Међутим, вредности продужења жилавости интерламинарног лома различитих међуповршина значајно варирају. Приказана је значајна зависност од угла међуповршинског слоја. Као одговор на ову зависност, Жао и др.[5]На основу физичког механизма извора слојевите отпорности, сматра се да се вредност стабилности жилавости лома међу слојевима састоји од два дела, један део је рад лома неповезаног слоја на интерфејсу, а други део је оштећење унутар слоја и влакана. Рад лома изазван премошћавањем. Анализом методом коначних елемената поља напонског фронта слојевитог фронта, утврђено је да други део рада лома зависи од дубине зоне оштећења фронта деламинације (као што је приказано на слици 3), а дубина зоне оштећења је пропорционална углу наслаге интерфејса. Представљен је теоријски модел вредности стабилности жилавости лома типа I изражен синусоидном функцијом угла међуслојног слоја.
Гонг и др.[7]спровели су тест I/II хибридне стратификације под различитим односима мешања и открили да I/II хибридна стратификација у ламинату такође има значајне карактеристике R криве отпора. Анализом жилавости лома између различитих испитаних узорака, утврђено је да почетна вредност и стабилна вредност међуслојне жилавости лома испитаног узорка значајно расту са повећањем односа мешања. Поред тога, почетна и стабилна жилавост лома међуслоја под различитим односима мешања могу се описати BK критеријумом.
Што се тиче стратификације услед замора, током испитивања је такође примећено значајно премошћавање влакана. Анализом података испитивања утврђено је да је ширење композитног материјала услед заморне деламинације под утицајем „криве отпора“, тако да традиционални модел брзине ширења услед заморне стратификације и гранична вредност више нису применљиви. На основу теоријске анализе, Жанг и Пенг[4,8,9]увели су отпорност на ширење услед заморне деламинације како би изразили енергију потребну за ширење композитних материјала услед заморне деламинације и даље предложили нормализовану енергију деформације. Брзина отпуштања је модел брзине стратифицираног ширења услед замора и гранична вредност контролних параметара. Применљивост модела и нормализованог параметра прага је потврђена експериментима. Даље, Жао и др.[3]свеобухватно су размотрили ефекте премошћивања влакана, односа напона и односа оптерећења и мешања на понашање стратификације и ширења услед замора, и успоставили нормализовани модел брзине стратификације услед замора, узимајући у обзир утицај односа напона. Тачност модела је верификована тестовима стратификације услед замора са различитим односима напона и односима мешања. За физичку величину отпора стратификације услед замора у моделу нормализоване брзине стратификације услед замора, Гонг и др.[1]превазићи слабост методе прорачуна која може добити само ограничене дискретне тачке података кроз експерименте и утврдити замор са енергетске тачке гледишта. Аналитички модел за прорачун слојевите продужене отпорности. Модел може да оствари квантитативно одређивање слојевите отпорности на замор и отпорности на ширење и пружи теоријску подршку за примену предложеног нормализованог модела брзине слојевите ширења услед замора.
Слика 1 дијаграм стратифицираног тест уређаја
Слика 2 Крива отпорности на жилавост између слојева лома R[5]
Слика 3 Зона оштећења слојевите предње ивице и стратифицирана продужена морфологија[5]
2. Студија нумеричке симулације
Нумеричка симулација слојевитог ширења је важан истраживачки садржај у области пројектовања композитних структура. Приликом предвиђања отказа услед деламинације композитних једносмерних ламината, постојећи критеријуми за слојевито ширење обично користе константну међуслојну жилавост лома као основни параметар перформанси.[10], упоређивањем брзине ослобађања енергије врха прслине и жилавости интерламинарног лома. Величина да би се утврдило да ли се слојеви шире. Механизам отказа вишесмерних ламината је сложен[11,12], који карактеришу значајне криве отпора R[5,13]Постојећи критеријуми слојевите експанзије не узимају у обзир ову карактеристику и не примењују се на симулацију понашања деламинације премошћених вишесмерних ламината који садрже влакна. Гонг и др.[10, 13]побољшао је постојеће критеријуме стратифициране експанзије и предложио увођење R криве отпора у критеријуме, и на основу тога успоставио критеријум стратифициране експанзије узимајући у обзир ефекте премошћавања влакана. Дефиниција и параметри употребе билинеарне конститутивне кохезивне јединице систематски су проучавани нумеричким методама, укључујући почетну крутост међуповршине, чврстоћу међуповршине, коефицијент вискозности и минимални број елемената у зони кохезивне силе. Успостављен је одговарајући модел параметра кохезивне јединице. Коначно, ефикасност и применљивост побољшаног критеријума слојевите експанзије и модела параметра кохезивне јединице су верификоване статичким тестом стратификације. Међутим, побољшани критеријуми се могу користити само за једнодимензионалне слојевите симулације због позиционих зависности, а не за дво- или тродимензионална хијерархијска проширења. Да би решио овај проблем, аутор је даље предложио нову трилинеарну конститутивну кохезивну силу која узима у обзир премошћавање влакана.[14]Конститутивни однос одговара сложеном процесу слојевите експанзије из микроскопске перспективе и има предности једноставних параметара и јасног физичког значења.
Поред тога, како би се прецизно симулирао феномен стратифициране миграције уобичајен у процесу стратификације вишесмерних ламината[11,12], Жао и др.[11,12]предложио је модел вођења путање пукотине заснован на проширеном коначном елементу, симулирајући посебан дизајн. Хијерархијска миграција у тесту композитне стратификације. Истовремено, предложен је модел слојевите експанзије за понашање цик-цак слојевите експанзије дуж слојевите интерфејса од 90°/90°, који прецизно симулира понашање слојевите експанзије интерфејса од 90°/90°.
Слика 4 Нумеричка симулација слојевите миграције и експериментални резултати[15]
Закључак
Овај рад се фокусира на резултате истраживања ове групе у области деламинације композитних ламината. Експериментални аспекти углавном укључују утицај угла постављања међуповршине и премошћавања влакана на понашање статичког и заморног ширења деламинације. Кроз велики број експерименталних студија, утврђено је да је механизам отказа вишесмерних ламината композитних материјала компликован. Премошћавање влакана је уобичајени механизам очвршћавања вишесмерних ламината, што је главни разлог за R-криву отпора интерламинарне жилавости на лом. Тренутно, проучавање R криве отпора под II стратификацијом је релативно недостајуће и захтева даља истраживања. Полазећи од механизма отказа, предложен је модел стратификације замора који укључује различите факторе утицаја, што је правац истраживања стратификације замора. У смислу нумеричке симулације, истраживачка група је предложила побољшани хијерархијски критеријум ширења и кохезивни конститутивни модел како би се размотрио утицај премошћавања влакана на понашање стратифицираног ширења. Поред тога, проширени коначни елемент се користи за бољу симулацију феномена хијерархијске миграције. Ова метода елиминише потребу за фином деобом ћелија, елиминишући проблеме повезане са поновном поделом мреже. Има јединствене предности у симулацији стратификације произвољних облика и потребна су додатна истраживања инжењерске примене ове методе у будућности.[16].
Референце
[1] Y Gong, L Zhao, J Zhang, N Hu. Нови модел за одређивање отпорности на заморну деламинацију у композитним ламинатима са становишта енергије. Compos Sci Technol 2018; 167: 489-96.
[2] Л Жао, Ј Ванг, Ј Жанг, Ј Гонг, Н Ху, Н Ли. Модел базиран на XFEM-у за симулацију раста цик-цак деламинације у ламинираним композитима под оптерећењем у режиму I. Compos Struct 2017; 160: 1155-62.
[3] Л Жао, Ј Гонг, Ј Жанг, Ј Ванг, З Лу, Л Пенг, Н Ху. Ново тумачење понашања раста деламинације услед замора код CFRP вишесмерних ламината. Compos Sci Technol 2016; 133: 79-88.
[4] Л Пенг, Ј Жанг, Л Жао, Р Бао, Х Јанг, Б Феј. Раст деламинације вишесмерних композитних ламината у режиму I под оптерећењем услед замора. J Compos Mater 2011; 45: 1077-90.
[5] Л Жао, Ј Ванг, Ј Жанг, Ј Гонг, З Лу, Н Ху, Ј Сју. Модел жилавости лома платоа зависан од интерфејса у вишесмерним CFRP ламинатима под оптерећењем у режиму I. Композити Део Б: Инжењерство 2017; 131: 196-208.
[6] Л Жао, Ј Гонг, Ј Жанг, Ј Чен, Б Феј. Симулација раста деламинације у вишесмерним ламинатима под оптерећењима у режиму I и мешовитом режиму I/II коришћењем кохезивних елемената. Compos Struct 2014; 116: 509-22.
[7] Y Gong, B Zhang, L Zhao, J Zhang, N Hu, C Zhang. Понашање R-криве мешаног I/II деламинације у угљенично/епоксидним ламинатима са једносмерним и вишесмерним интерфејсима. Compos Struct 2019. (У рецензији).
[8] Л Пенг, Ј Сју, Ј Жанг, Л Жао. Раст деламинације у мешовитом режиму код вишесмерних композитних ламината под оптерећењем услед замора. Eng Fract Mech 2012; 96: 676-86.
[9] J Zhang, L Peng, L Zhao, B Fei. Брзине раста деламинације услед замора и прагови композитних ламината под мешовитим режимом оптерећења. Int J Fatigue 2012; 40: 7-15.
[10] Y Gong, L Zhao, J Zhang, Y Wang, N Hu. Критеријум ширења деламинације, укључујући ефекат премошћавања влакана за мешану I/II деламинацију у CFRP вишесмерним ламинатима. Compos Sci Technol 2017; 151: 302-9.
[11] Y Gong, B Zhang, SR Hallett. Миграција деламинације у вишесмерним композитним ламинатима под квазистатичким и заморним оптерећењем у моду I. Compos Struct 2018; 189: 160-76.
[12] Y Gong, B Zhang, S Mukhopadhyay, SR Hallett. Експериментална студија о миграцији деламинације у вишесмерним ламинатима под статичким и заморним оптерећењем у моду II, са поређењем са модом I. Compos Struct 2018; 201: 683-98.
[13] Y Gong, L Zhao, J Zhang, N Hu. Побољшани критеријум степеног закона за ширење деламинације са ефектом премошћавања влакана великих размера у композитним вишесмерним ламинатима. Compos Struct 2018; 184: 961-8.
[14] Y Gong, Y Hou, L Zhao, W Li, G Yang, J Zhang, N Hu. Нови тролинеарни кохезивни зонски модел за раст деламинације у DCB ламинатима са ефектом премошћавања влакана. Compos Struct 2019. (Треба поднети)
[15] Л Жао, Ј Жи, Ј Жанг, З Лиу, Н Ху. XFEM симулација деламинације у композитним ламинатима. Композити, део А: Примењена наука и производња 2016; 80: 61-71.
[16] Жао Либин, Гонг Ју, Жанг Ђианју. Напредак у истраживању понашања слојевите експанзије композитних ламината ојачаних влакнима. Часопис за аеронаутичке науке 2019: 1-28.
Извор:Гонг Ју, Ванг Јана, Пенг Леј, Жао Либин, Жанг Ђианју. Студија о понашању стратификованог ширења напредних композитних ламината ојачаних угљеничним влакнима [C]. Механика и инжењерство - Нумеричко рачунање и анализа података 2019. Академска конференција. Кинеско друштво механичара, Пекиншко друштво механичара, 2019. преко Иксуешу
Време објаве: 15. новембар 2019.