Studie av lagerutvidgningsbeteende hos avancerade kolfiberförstärkta kompositlaminatark

MEKANIK OCH TEKNIK - Numerisk beräkning och dataanalys
Mekanik och teknik — Numeriska beräkningar och dataanalys 2019 Akademisk konferens, 19-21 april 2019, Peking
19-21 april 2019, Peking, Kina

Studie av lagerutvidgningsbeteende hos avancerade kolfiberförstärkta kompositlaminatark

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

¹Chongqings universitet, Chongqing, 400044, Kina
²China Aviation Research Institute Beijing Aeronautical Materials Research Institute, Peking, 100095, Kina
³Kinas kommersiella flygplan Beijing Civil Aircraft Technology Research Center, Peking, 102211, Kina
⁴Pekings universitet för flyg- och rymdteknik, Peking, 100191, Kina

AbstraktLaminatstruktur är en av de vanligaste kompositkonfigurationerna för kompositer, men delaminering blir dess huvudsakliga felmod på grund av svaga interlaminära egenskaper. Forskning om stratifiering och expansionsbeteende hos flerskiktslaminat som vanligtvis används inom ingenjörspraktik har alltid varit ett hett ämne för forskare. I denna artikel introduceras forskningsresultaten för delaminering av kolfiberförstärkta kompositer vid Chongqing University och Beijing University of Aeronautics and Astronautics Fatigue Fracture Laboratory utifrån två aspekter av experimentell forskning och numerisk simulering. Slutligen kartläggs områdets utvecklingsriktning.

Nyckelord:kolfiberförstärkt komposit, laminat, delaminering, utmattningsskiktning

introduktion

Kompositmaterial har utmärkta egenskaper som hög specifik hållfasthet och hög specifik styvhet, och har använts i stor utsträckning inom flyg- och rymdteknik, energiteknik samt civil transport och byggnation. Under bearbetning och användning av kompositmaterial kommer fibrerna och matrisen att utsättas för olika grader av skador under belastning. Vanliga fellägen för kompositlaminat inkluderar skador mellan lager och skador inom lager. På grund av bristen på förstärkning i tjockleksriktningen är laminatets laterala mekaniska egenskaper dåliga, och delamineringsskador är mycket sannolikt att uppstå under externa stötbelastningar. Uppkomsten och expansionen av skiktade skador kommer att leda till en minskning av strukturell styvhet och hållfasthet, och till och med orsaka katastrofala olyckor.^[1-3]Därför är delamineringsproblemet alltmer relevant vid strukturell design och hållfasthetsanalys av kompositmaterial, och det är nödvändigt att studera kompositmaterials skiktade expansionsbeteende.^[4].

Forskning om skiktad expansion hos laminat
1. Experimentell studie

Interlaminär brottseghet är en karakteristisk parameter för de mekaniska egenskaperna mellan kompositlager. Motsvarande teststandarder har fastställts för bestämning av interlaminär brottseghet hos typ I-, typ II- och I/II-hybrid-enriktade laminat. Motsvarande testapparat visas i figur 1. Emellertid används ofta multidirektionella laminat av kompositmaterial i själva konstruktionskonstruktionen. Därför har den experimentella studien av stratifierings- och expansionsbeteendet hos multidirektionella laminat viktigare teoretisk betydelse och tekniskt värde. Initiering och expansion av flerskiktslaminat sker mellan gränssnitt med godtyckliga skiktvinklar, och det skiktade expansionsbeteendet skiljer sig avsevärt från det för enriktade laminat, och expansionsmekanismen är mer komplicerad. Forskare har relativt få experimentella studier på multidirektionella laminat, och bestämningen av interlaminär brottseghet har ännu inte etablerat en internationell standard. Forskargruppen använde T700- och T800-kolfiber för att designa en mängd olika kompositlaminat med olika gränssnittsuppläggningsvinklar och studerade inverkan av gränssnittsuppläggningsvinkel och fiberbryggning på statiskt och utmattningsdelamineringsbeteende. Det har visat sig att fiberbryggor som bildas av lagrets bakkant har stor inverkan på den interlaminära brottsegheten. Allt eftersom skiktningen expanderar kommer den interlaminära brottsegheten gradvis att öka från ett lägre initialvärde, och när skiktningen når en viss längd når den ett stabilt värde, det vill säga R-motståndskurvans fenomen. Mellanlagrets initiala brottseghet är nästan lika och ungefär lika med hartsets brottseghet, vilket beror på själva matrisens brottseghet.^{[5, 6]}Emellertid varierar förlängningsvärdena för brottsegheten mellan olika gränssnitt kraftigt. Signifikanta vinkelberoenden för gränssnittslagret presenteras. Som svar på detta beroende har Zhao et al.^[5]Baserat på den fysiska mekanismen för den stratifierade motståndskällan anses det att värdet för stabiliteten hos brottsegheten mellan laminära lager består av två delar, en del är brottarbetet i det orelaterade skiktgränssnittet, och den andra delen är skador och fibrer inom skiktet. Brottarbetet orsakat av överbryggning. Genom finita elementanalys av spänningsfrontfältet på den skiktade fronten konstateras att den andra delen av brottarbetet beror på djupet av delamineringsfrontens skadezon (som visas i figur 3), och att skadezonens djup är proportionellt mot gränssnittets uppläggningsvinkel. En teoretisk modell för I-typs brottseghetsstabilitetsvärde uttryckt av den sinusformade funktionen för gränssnittslagervinkeln presenteras.
Gong m.fl.^[7]utförde I/II-hybridstratifieringstestet under olika blandningsförhållanden och fann att I/II-hybridstratifieringen i laminatet också har signifikanta R-motståndskurveegenskaper. Genom analys av brottsegheten mellan olika testbitar konstaterades att det initiala värdet och det stabila värdet för den interlaminära brottsegheten hos testbiten ökar signifikant med ökningen av blandningsförhållandet. Dessutom kan den initiala och stabila brottsegheten hos mellanskiktet under olika blandningsförhållanden beskrivas med BK-kriteriet.
När det gäller utmattningsskiktning observerades även betydande fiberbryggbildning under testet. Genom analys av testdata konstateras att utmattningsdelamineringsexpansionen hos kompositmaterialet påverkas av "motståndskurvan", så att den traditionella modellen för utmattningsskiktningsexpansionshastighet och tröskelvärdet inte längre är tillämpliga. Baserat på teoretisk analys har Zhang och Peng^[4,8,9]introducerade utmattningsdelamineringsexpansionsmotståndet för att uttrycka den energi som krävs för utmattningsdelamineringsexpansion av kompositmaterial, och föreslog vidare den normaliserade töjningsenergin. Frisättningshastigheten är den utmattningsstratifierade expansionshastighetsmodellen och tröskelvärdet för kontrollparametrarna. Tillämpligheten av modellen och den normaliserade tröskelparametern verifieras genom experiment. Vidare har Zhao et al.^[3]beaktade omfattande effekterna av fiberbryggning, spänningsförhållande och lastblandningsförhållande på utmattningsstratifiering och expansionsbeteende, och etablerade en normaliserad utmattningsstratifierad expansionshastighetsmodell som beaktar spänningsförhållandets inverkan. Modellens noggrannhet verifierades genom utmattningsstratifieringstester med olika spänningsförhållanden och blandningsförhållanden. För den fysiska mängden utmattningsstratifierad expansionsmotstånd i den normaliserade utmattningsstratifierade expansionshastighetsmodellen, Gong et al.^[1]övervinna svagheten i beräkningsmetoden som endast kan erhålla begränsade diskreta datapunkter genom experiment, och fastställa utmattning ur energisynpunkt. En analytisk modell för beräkning av stratifierat utsträckt bärförmåga. Modellen kan realisera kvantitativ bestämning av utmattningsstratifiering och expansionsmotstånd, och ge teoretiskt stöd för tillämpningen av den föreslagna normaliserade utmattningsstratifierade expansionshastighetsmodellen.

Figur 1 diagram över stratifierad testanordning

Figur 2 R-motståndskurva för brottseghet mellan lager^[5]


Figur 3 Skiktad framkantsskadezon och stratifierad utökad morfologi^[5]

2. Numerisk simuleringsstudie

Numerisk simulering av skiktad expansion är ett viktigt forskningsinnehåll inom området kompositstrukturdesign. Vid förutsägelse av delamineringsbrott hos kompositlaminat i enriktning använder de befintliga kriterierna för stratifiering av expansion vanligtvis konstant interlaminär brottseghet som grundläggande prestandaparameter.^[10], genom att jämföra sprickspetsens energiutlösningshastighet och interlaminär brottseghet. Storlek för att avgöra om skiktningen expanderar. Brottmekanismen för multidirektionella laminat är komplex^[11,12], vilket kännetecknas av signifikanta R-resistanskurvor^[5,13]De befintliga kriterierna för skiktad expansion tar inte hänsyn till denna egenskap och gäller inte för simuleringen av delamineringsbeteendet hos fiberinnehållande bryggförsedda multidirektionella laminat. Gong et al.^{[10, 13]}förbättrade de befintliga stratifierade expansionskriterierna och föreslog att R-resistanskurvan skulle introduceras i kriterierna, och baserat på detta etablerade man ett stratifierat expansionskriterium som beaktar effekterna av fiberbryggning. Definitionen och användningsparametrarna för den bilinjära konstitutiva kohesiva enheten studerades systematiskt med numeriska metoder, inklusive den initiala gränssnittsstyvheten, gränssnittsstyrkan, viskositetskoefficienten och det minsta antalet element i den kohesiva kraftzonen. Motsvarande kohesiva enhetsparametermodell fastställdes. Slutligen verifierades effektiviteten och tillämpbarheten av det förbättrade skiktade expansionskriteriet och den kohesiva enhetsparametermodellen genom statiskt stratifieringstest. De förbättrade kriterierna kan dock endast användas för endimensionella skiktade simuleringar på grund av positionsberoenden och inte för två- eller tredimensionella hierarkiska utvidgningar. För att lösa detta problem föreslog författaren vidare en ny trilinjär kohesiv kraftkonstitutiv med hänsyn till fiberbryggning.^[14]Det konstitutiva förhållandet passar den komplexa processen med skiktad expansion ur ett mikroskopiskt perspektiv och har fördelarna med enkla parametrar och tydlig fysikalisk betydelse.
För att dessutom noggrant simulera det stratifierade migrationsfenomenet som är vanligt i stratifieringsprocessen för multidirektionella laminat^[11,12], Zhao m.fl.^[11,12]föreslog en modell för styrning av sprickvägar baserad på utökade finita element, som simulerar en speciell design. Hierarkisk migration i ett sammansatt stratifieringstest. Samtidigt föreslås en skiktad expansionsmodell för det sicksackformade skiktade expansionsbeteendet längs det 90°/90° skiktade gränssnittet, vilket noggrant simulerar det skiktade expansionsbeteendet hos 90°/90° gränssnittet.

Figur 4 Numerisk simulering av lagermigration och experimentella resultat^[15]

Slutsats

Denna artikel fokuserar på forskningsresultaten från denna grupp inom området delaminering av kompositlaminat. De experimentella aspekterna inkluderar huvudsakligen inverkan av gränssnittets uppläggningsvinkel och fiberbryggning på den statiska expansionsbeteendet och utmattningsdelamineringens expansionsbeteende. Genom ett stort antal experimentella studier har det visat sig att den multidirektionella laminatbrottmekanismen hos kompositmaterial är komplicerad. Fiberbryggning är en vanlig seghetsmekanism hos multidirektionella laminat, vilket är den främsta orsaken till R-motståndskurvan för interlaminär brottseghet. För närvarande är R-motståndskurvestudien under II-stratifiering relativt bristfällig och behöver ytterligare forskning. Utgående från brottmekanismen föreslås en utmattningsstratifieringsmodell inklusive olika påverkande faktorer, vilket är en inriktning för forskning om utmattningsstratifiering. När det gäller numerisk simulering föreslog forskargruppen ett förbättrat hierarkiskt expansionskriterium och en kohesiv konstitutiv modell för att beakta inverkan av fiberbryggning på det stratifierade expansionsbeteendet. Dessutom används det utökade finita elementet för att bättre simulera det hierarkiska migrationsfenomenet. Denna metod eliminerar behovet av fin celldelning, vilket eliminerar problemen i samband med nätomdelning. Den har unika fördelar vid simulering av stratifiering av godtyckliga former, och mer forskning om teknisk tillämpning av denna metod behövs i framtiden.^[16].

Referenser

[1] Y Gong, L Zhao, J Zhang, N Hu. En ny modell för att bestämma utmattningsdelamineringsmotståndet i kompositlaminat ur ett energiperspektiv. Compos Sci Technol 2018; 167: 489-96.
[2] L Zhao, Y Wang, J Zhang, Y Gong, N Hu, N Li. XFEM-baserad modell för simulering av sicksackdelamineringstillväxt i laminerade kompositer under belastning i läge I. Compos Struct 2017; 160: 1155-62.
[3] L Zhao, Y Gong, J Zhang, Y Wang, Z Lu, L Peng, N Hu. En ny tolkning av tillväxtbeteendet vid utmattningdelaminering i multidirektionella CFRP-laminat. Compos Sci Technol 2016; 133: 79-88.
[4] L Peng, J Zhang, L Zhao, R Bao, H Yang, B Fei. Tillväxt av delamineringsmetod I hos multidirektionella kompositlaminat under utmattningsbelastning. J Compos Mater 2011; 45: 1077-90.
[5] L Zhao, Y Wang, J Zhang, Y Gong, Z Lu, N Hu, J Xu. En gränssnittsberoende modell för platåbrottseghet i multidirektionella CFRP-laminat under belastning i mod I. Composites Part B: Engineering 2017; 131: 196-208.
[6] L Zhao, Y Gong, J Zhang, Y Chen, B Fei. Simulering av delamineringstillväxt i multidirektionella laminat under mod I- och blandade mod I/II-belastningar med hjälp av kohesiva element. Compos Struct 2014; 116: 509-22.
[7] Y Gong, B Zhang, L Zhao, J Zhang, N Hu, C Zhang. R-kurvans beteende för blandad I/II-delaminering i kol/epoxilaminat med enriktade och flerriktade gränssnitt. Compos Struct 2019. (Under granskning).
[8] L Peng, J Xu, J Zhang, L Zhao. Blandad delamineringstillväxt av multidirektionella kompositlaminat under utmattningsbelastning. Eng Fract Mech 2012; 96: 676-86.
[9] J Zhang, L Peng, L Zhao, B Fei. Tillväxthastigheter och tröskelvärden för utmattningsdelaminering hos kompositlaminat under blandad belastning. Int J Fatigue 2012; 40: 7-15.
[10] Y Gong, L Zhao, J Zhang, Y Wang, N Hu. Kriterier för delamineringsutbredning inklusive effekten av fiberbryggning för blandad I/II-delaminering i CFRP-multidirektionella laminat. Compos Sci Technol 2017; 151: 302-9.
[11] Y Gong, B Zhang, SR Hallett. Delamineringsmigration i multidirektionella kompositlaminat under kvasistatisk belastning och utmattningsbelastning i mod I. Compos Struct 2018; 189: 160-76.
[12] Y Gong, B Zhang, S Mukhopadhyay, SR Hallett. Experimentell studie av delamineringsmigration i multidirektionella laminat under statisk belastning och utmattningsbelastning i läge II, med jämförelse med läge I. Compos Struct 2018; 201: 683-98.
[13] Y Gong, L Zhao, J Zhang, N Hu. Ett förbättrat potenslagskriterium för delamineringsutbredning med effekten av storskalig fiberbryggning i kompositlaminat i flera riktningar. Compos Struct 2018; 184: 961-8.
[14] Y Gong, Y Hou, L Zhao, W Li, G Yang, J Zhang, N Hu. En ny trelinjär kohesiv zonmodell för delamineringstillväxt i DCB-laminat med effekten av fiberbryggning. Compos Struct 2019. (Ska skickas in)
[15] L Zhao, J Zhi, J Zhang, Z Liu, N Hu. XFEM-simulering av delaminering i kompositlaminat. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing 2016; 80: 61-71.
[16] Zhao Libin, Gong Yu, Zhang Jianyu. Forskningsframsteg gällande stratifierat expansionsbeteende hos fiberförstärkta kompositlaminat. Journal of Aeronautical Sciences 2019: 1-28.

Källa:Gong Yu, Wang Yana, Peng Lei, Zhao Libin, Zhang Jianyu. Studie av stratifierat expansionsbeteende hos avancerade kolfiberförstärkta kompositlaminat [C]. Mekanik och teknik - Numerisk beräkning och dataanalys 2019 akademisk konferens. Kinesiska mekaniksällskapet, Beijing Mechanics Society, 2019. via ixueshu