MECHANICS AND ENGINEERING - Numerical Computation at Data Analysis
Mechanics and Engineering — Numerical Calculations at Data Analysis 2019 Academic Conference, Abril 19-21, 2019, Beijing
Abril 19-21, 2019, Beijing, China
Pag-aaral sa Layered Expansion Behavior ng Advanced Carbon Fiber Reinforced Composite Laminates Sheet
Gong Yu1*, Wang Yana2, Peng Lei3, Zhao Libin4, Zhang Jianyu1
1Chongqing University, Chongqing, 400044, China
2China Aviation Research Institute Beijing Aeronautical Materials Research Institute, Beijing, 100095, China
3China Commercial Aircraft Beijing Civil Aircraft Technology Research Center, Beijing, 102211, China
4Beijing University of Aeronautics and Astronautics, Beijing, 100191, China
AbstractAng laminate structure ay isa sa pinakakaraniwang ginagamit na composite configuration para sa composites, ngunit ang delamination ang nagiging pangunahing failure mode nito dahil sa mahinang interlaminar properties. Ang pananaliksik sa multi-layer laminate stratification at pag-uugali ng pagpapalawak na karaniwang ginagamit sa pagsasanay sa engineering ay palaging isang mainit na paksa para sa mga iskolar. Sa papel na ito, ang mga resulta ng pananaliksik ng carbon fiber reinforced composite delamination sa Chongqing University at Beijing University of Aeronautics and Astronautics Fatigue Fracture Laboratory ay ipinakilala mula sa dalawang aspeto ng eksperimentong pananaliksik at numerical simulation. Sa wakas, ang direksyon ng pag-unlad ng larangan ay inaasahan.
Mga keyword:carbon fiber reinforced composite, laminate, delamination, fatigue stratification
pagpapakilala
Ang mga composite na materyales ay may mahusay na mga katangian tulad ng mataas na tiyak na lakas at mataas na tiyak na katigasan, at malawakang ginagamit sa aerospace, teknolohiya ng enerhiya, at sibil na transportasyon at konstruksiyon. Sa panahon ng pagproseso at paggamit ng mga composite na materyales, ang mga hibla at matrix ay sasailalim sa iba't ibang antas ng pinsala sa ilalim ng pagkarga. Kasama sa mga karaniwang failure mode para sa composite laminates ang interlayer damage at damage sa loob ng mga layer. Dahil sa kakulangan ng reinforcement sa direksyon ng kapal, ang mga lateral na mekanikal na katangian ng laminate ay mahirap, at ang pinsala sa delamination ay mataas ang posibilidad na mangyari sa ilalim ng mga panlabas na pag-load ng epekto. Ang paglitaw at pagpapalawak ng stratified na pinsala ay hahantong sa pagbaba sa higpit at lakas ng istruktura, at maging sanhi ng mga sakuna na aksidente[1-3]. Samakatuwid, ang problema sa delamination ay higit na nababahala sa disenyo ng istruktura at pagtatasa ng lakas ng mga pinagsama-samang materyales, at kinakailangang pag-aralan ang pag-uugali ng layered expansion ng mga composite na materyales.[4].
Pananaliksik sa pag-uugali ng layered expansion ng laminate
1. Eksperimental na pag-aaral
Ang interlaminar fracture toughness ay isang katangian na parameter ng mga mekanikal na katangian sa pagitan ng mga composite layer. Ang mga kaukulang pamantayan sa pagsubok ay naitatag para sa pagtukoy ng interlaminar fracture toughness ng Type I, Type II at I/II hybrid unidirectional laminates. Ang kaukulang test apparatus ay ipinapakita sa Figure 1. Gayunpaman, ang multi-directional laminates ng composite materials ay kadalasang ginagamit sa aktwal na istraktura ng engineering. Samakatuwid, ang eksperimentong pag-aaral sa stratification at expansion na pag-uugali ng multi-directional laminates ay may mas mahalagang teoretikal na kahalagahan at halaga ng engineering. Ang multi-layer laminate layer initiation at expansion ay nagaganap sa pagitan ng mga interface na may arbitrary na mga anggulo ng layering, at ang layered expansion na pag-uugali ay makabuluhang naiiba mula sa unidirectional laminates, at ang expansion mechanism ay mas kumplikado. Ang mga mananaliksik ay medyo kakaunti ang mga eksperimentong pag-aaral sa multi-directional laminates, at ang pagpapasiya ng interlaminar fracture toughness ay hindi pa nagtatag ng isang internasyonal na pamantayan. Gumamit ang research team ng T700 at T800 carbon fiber upang magdisenyo ng iba't ibang composite laminates na may iba't ibang anggulo ng layup ng interface, at pinag-aralan ang impluwensya ng anggulo ng layup ng interface at fiber bridging sa static at fatigue delamination behavior. Napag-alaman na ang fiber bridging na nabuo ng trailing edge ng layer ay may malaking impluwensya sa interlaminar fracture toughness. Habang lumalawak ang stratification, unti-unting tataas ang interlaminar fracture toughness mula sa isang mas mababang paunang halaga, at kapag ang stratification ay umabot sa isang tiyak na haba, umabot ito sa isang stable na halaga, iyon ay, ang R resistance curve phenomenon. Ang panimulang fracture toughness ng interlayer ay halos katumbas at humigit-kumulang katumbas ng fracture toughness ng resin, na depende sa fracture toughness ng matrix mismo[5, 6]. Gayunpaman, ang interlaminar fracture toughness extension values ng iba't ibang mga interface ay lubhang nag-iiba. Ang makabuluhang pag-asa sa anggulo ng layer ng interface ay ipinakita. Bilang tugon sa pag-asa na ito, si Zhao et al.[5]batay sa pisikal na mekanismo ng stratified resistance source, ito ay isinasaalang-alang na ang interlaminar fracture toughness stability value ay binubuo ng dalawang bahagi, isang bahagi ay ang fracture work ng hindi nauugnay na layer interface, at ang iba pang bahagi ay ang intralayer damage at fiber. Ang gawain ng bali na dulot ng tulay. Sa pamamagitan ng finite element analysis ng stress front field ng layered front, nalaman na ang ikalawang bahagi ng fracture work ay nakasalalay sa lalim ng delamination front damage zone (tulad ng ipinapakita sa Figure 3), at ang lalim ng damage zone ay proporsyonal sa anggulo ng layup ng interface. Ang isang teoretikal na modelo ng I-type na fracture toughness stability value na ipinahayag ng sinusoidal function ng anggulo ng interface layer ay ipinakita.
Gong et al.[7]isinagawa ang I/II hybrid stratification test sa ilalim ng iba't ibang mixing ratios, at nalaman na ang I/II hybrid stratification sa laminate ay mayroon ding makabuluhang R resistance curve na katangian. Sa pamamagitan ng pagsusuri ng katigasan ng bali sa pagitan ng iba't ibang piraso ng pagsubok, natuklasan na ang paunang halaga at ang matatag na halaga ng katigasan ng interlaminar na bali ng piraso ng pagsubok ay tumaas nang malaki sa pagtaas ng ratio ng paghahalo. Bilang karagdagan, ang paunang at matatag na katigasan ng bali ng interlayer sa ilalim ng iba't ibang mga ratio ng paghahalo ay maaaring ilarawan ng pamantayan ng BK.
Sa mga tuntunin ng stratification ng pagkapagod, ang makabuluhang fiber bridging ay naobserbahan din sa panahon ng pagsubok. Sa pamamagitan ng pagsusuri ng data ng pagsubok, napag-alaman na ang pagpapalawak ng fatigue delamination ng composite material ay apektado ng "resistance curve", kaya ang tradisyonal na fatigue stratification expansion rate model at ang threshold value ay hindi na naaangkop. Sa batayan ng teoretikal na pagsusuri, sina Zhang at Peng[4,8,9]ipinakilala ang fatigue delamination expansion resistance upang ipahayag ang enerhiya na kinakailangan para sa fatigue delamination expansion ng composite materials, at higit pang iminungkahi ang normalized strain energy. Ang release rate ay ang fatigue stratified expansion rate model at threshold value ng mga control parameter. Ang pagiging angkop ng modelo at ang normalized na parameter ng threshold ay na-verify ng mga eksperimento. Dagdag pa, Zhao et al.[3]komprehensibong isinasaalang-alang ang mga epekto ng fiber bridging, stress ratio at load-mixing ratio sa fatigue stratification at expansion behavior, at nagtatag ng normalized fatigue stratified expansion rate model na isinasaalang-alang ang impluwensya ng stress ratio. Ang katumpakan ng modelo ay napatunayan ng mga pagsubok sa pagsasapin ng pagkapagod na may iba't ibang mga ratio ng stress at mga ratio ng paghahalo. Para sa pisikal na dami ng fatigue stratified expansion resistance sa normalized fatigue stratified expansion rate model, Gong et al.[1]pagtagumpayan ang kahinaan ng paraan ng pagkalkula na maaari lamang makakuha ng limitadong discrete data point sa pamamagitan ng mga eksperimento, at magtatag ng pagkapagod mula sa energy point of view. Isang analytical na modelo para sa pagkalkula ng stratified extended resistance. Ang modelo ay maaaring mapagtanto ang dami ng pagpapasiya ng nakakapagod na pagsasapin-sapin at pagpapalawak ng paglaban, at magbigay ng teoretikal na suporta para sa aplikasyon ng iminungkahing normalized fatigue stratified expansion rate model.
Figure 1 stratified test device diagram
Figure 2 Inter-layer fracture toughness R resistance curve[5]
Figure 3 Layered leading edge damage zone at stratified extended morphology[5]
2. Numerical simulation study
Ang numerical simulation ng layered expansion ay isang mahalagang nilalaman ng pananaliksik sa larangan ng composite structure design. Kapag hinuhulaan ang delamination failure ng composite unidirectional laminates, ang umiiral na stratification expansion criteria ay karaniwang gumagamit ng pare-pareho ang interlaminar fracture toughness bilang pangunahing parameter ng performance.[10], sa pamamagitan ng paghahambing ng rate ng paglabas ng enerhiya sa tip ng crack at tibay ng interlaminar fracture. Sukat upang matukoy kung ang layering ay lumalawak. Ang mekanismo ng pagkabigo ng multi-directional laminates ay kumplikado[11,12], na kung saan ay nailalarawan sa pamamagitan ng makabuluhang R resistance curves[5,13]. Ang umiiral na pamantayan sa pagpapalawak ng layered ay hindi isinasaalang-alang ang tampok na ito at hindi nalalapat sa simulation ng pag-uugali ng delamination ng fiber-containing bridged multidirectional laminates. Gong et al.[10, 13]pinahusay ang umiiral na stratified expansion criteria at iminungkahi na ipakilala ang R resistance curve sa pamantayan, at batay dito, nagtayo ng stratified expansion criterion na isinasaalang-alang ang mga epekto ng fiber bridging. Ang mga parameter ng kahulugan at paggamit ng bilinear constitutive cohesive unit ay sistematikong pinag-aralan ng mga numerical na pamamaraan, kabilang ang panimulang higpit ng interface, lakas ng interface, koepisyent ng lagkit at ang pinakamababang bilang ng mga elemento sa cohesive force zone. Ang kaukulang modelo ng parameter ng cohesive unit ay itinatag. Panghuli, ang pagiging epektibo at pagiging angkop ng pinahusay na layered expansion criterion at cohesive unit parameter model ay na-verify sa pamamagitan ng static stratification test. Gayunpaman, ang pinahusay na pamantayan ay magagamit lamang para sa one-dimensional na layered simulation dahil sa positional dependencies at hindi para sa dalawa o tatlong-dimensional na hierarchical extension. Upang malutas ang problemang ito, iminungkahi pa ng may-akda ang isang bagong trilinear cohesive force constitutive na isinasaalang-alang ang fiber bridging[14]. Ang constitutive na relasyon ay umaangkop sa kumplikadong proseso ng layered expansion mula sa isang mikroskopiko na pananaw, at may mga pakinabang ng mga simpleng parameter at malinaw na pisikal na kahulugan.
Bilang karagdagan, upang tumpak na gayahin ang stratified migration phenomenon na karaniwan sa proseso ng stratification ng multi-directional laminates[11,12], Zhao et al.[11,12]nagmungkahi ng modelo ng paggabay sa crack path batay sa pinalawig na finite element, na tinutulad ang isang espesyal na disenyo. Hierarchical migration sa isang composite stratification test. Kasabay nito, iminungkahi ang isang layered expansion model para sa zigzag layered expansion na gawi sa 90°/90° layered interface, na tumpak na ginagaya ang layered expansion na gawi ng 90°/90° interface.
Figure 4 Numerical simulation ng layered migration at mga eksperimentong resulta[15]
Konklusyon
Nakatuon ang papel na ito sa mga resulta ng pananaliksik ng grupong ito sa larangan ng composite laminate delamination. Ang mga pang-eksperimentong aspeto ay higit sa lahat ay kinabibilangan ng impluwensya ng anggulo ng layup ng interface at fiber bridging sa static at fatigue delamination expansion na pag-uugali. Sa pamamagitan ng isang malaking bilang ng mga eksperimentong pag-aaral, napag-alaman na ang multi-directional laminate failure na mekanismo ng mga composite na materyales ay kumplikado. Ang fiber bridging ay isang pangkaraniwang mekanismo ng pagpapalakas ng multi-directional laminates, na siyang pangunahing dahilan para sa R-resistance curve ng interlaminar fracture toughness. Sa kasalukuyan, ang R resistance curve study sa ilalim ng II stratification ay medyo kulang at nangangailangan ng karagdagang pananaliksik. Simula sa mekanismo ng pagkabigo, ang modelo ng pagsasapin ng pagkapagod kasama ang iba't ibang mga kadahilanan na nakakaimpluwensya ay iminungkahi, na isang direksyon ng pananaliksik sa pagsasapin ng pagkapagod. Sa mga tuntunin ng numerical simulation, iminungkahi ng pangkat ng pananaliksik ang isang pinahusay na hierarchical expansion criterion at isang cohesive constitutive model upang isaalang-alang ang impluwensya ng fiber bridging sa stratified expansion behavior. Bilang karagdagan, ang pinalawak na finite element ay ginagamit upang mas mahusay na gayahin ang hierarchical migration phenomenon. Ang pamamaraang ito ay nag-aalis ng pangangailangan para sa fine cell division, inaalis ang mga problema na nauugnay sa mesh re-division. Mayroon itong natatanging mga pakinabang sa pagtulad sa pagsasapin-sapin ng mga di-makatwirang hugis, at higit pang pananaliksik sa aplikasyon ng engineering ng pamamaraang ito ang kailangan sa hinaharap[16].
Mga sanggunian
[1] Y Gong, L Zhao, J Zhang, N Hu. Isang nobelang modelo para sa pagtukoy ng paglaban sa delamination ng pagkapagod sa mga composite laminates mula sa pananaw ng enerhiya. Compos Sci Technol 2018; 167: 489-96.
[2] L Zhao, Y Wang, J Zhang, Y Gong, N Hu, N Li. XFEM-based na modelo para sa pagtulad sa zigzag delamination growth sa laminated composites sa ilalim ng mode I loading. Compos Struct 2017; 160: 1155-62.
[3] L Zhao, Y Gong, J Zhang, Y Wang, Z Lu, L Peng, N Hu. Isang nobelang interpretasyon ng pag-uugali ng paglago ng fatigue delamination sa CFRP multidirectional laminates. Compos Sci Technol 2016; 133: 79-88.
[4] L Peng, J Zhang, L Zhao, R Bao, H Yang, B Fei. Mode I delamination growth ng multidirectional composite laminates sa ilalim ng fatigue loading. J Compos Mater 2011; 45: 1077-90.
[5] L Zhao, Y Wang, J Zhang, Y Gong, Z Lu, N Hu, J Xu. Isang modelong umaasa sa interface ng talampas na bali ng talampas sa multidirectional CFRP laminates sa ilalim ng mode I loading. Composites Part B: Engineering 2017; 131: 196-208.
[6] L Zhao, Y Gong, J Zhang, Y Chen, B Fei. Simulation ng delamination growth sa multidirectional laminates sa ilalim ng mode I at mixed mode I/II loading gamit ang mga cohesive na elemento. Compos Struct 2014; 116: 509-22.
[7] Y Gong, B Zhang, L Zhao, J Zhang, N Hu, C Zhang. R-curve behavior ng mixed-mode I/II delamination sa carbon/epoxy laminates na may unidirectional at multidirectional interface. Compos Struct 2019. (Sinusuri).
[8] L Peng, J Xu, J Zhang, L Zhao. Mixed mode delamination growth ng multidirectional composite laminates sa ilalim ng fatigue loading. Eng Fract Mech 2012; 96: 676-86.
[9] J Zhang, L Peng, L Zhao, B Fei. Fatigue delamination growth rate at threshold ng composite laminates sa ilalim ng mixed mode loading. Int J Fatigue 2012; 40: 7-15.
[10] Y Gong, L Zhao, J Zhang, Y Wang, N Hu. Pamantayan sa pagpapalaganap ng delamination kabilang ang epekto ng fiber bridging para sa mixed-mode I/II delamination sa CFRP multidirectional laminates. Compos Sci Technol 2017; 151: 302-9.
[11] Y Gong, B Zhang, SR Hallett. Delamination migration sa multidirectional composite laminates sa ilalim ng mode I quasi-static at fatigue loading. Compos Struct 2018; 189: 160-76.
[12] Y Gong, B Zhang, S Mukhopadhyay, SR Hallett. Eksperimental na pag-aaral sa delamination migration sa multidirectional laminates sa ilalim ng mode II static at fatigue loading, na may paghahambing sa mode I. Compos Struct 2018; 201: 683-98.
[13] Y Gong, L Zhao, J Zhang, N Hu. Isang pinahusay na pamantayan ng batas ng kapangyarihan para sa pagpapalaganap ng delamination na may epekto ng malakihang fiber bridging sa composite multidirectional laminates. Compos Struct 2018; 184: 961-8.
[14] Y Gong, Y Hou, L Zhao, W Li, G Yang, J Zhang, N Hu. Isang nobelang three-linear cohesive zone model para sa delamination growth sa DCB laminates na may epekto ng fiber bridging. Compos Struct 2019. (Isusumite)
[15] L Zhao, J Zhi, J Zhang, Z Liu, N Hu. XFEM simulation ng delamination sa composite laminates. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing 2016; 80: 61-71.
[16] Zhao Libin, Gong Yu, Zhang Jianyu. Pag-unlad ng pananaliksik sa stratified expansion na pag-uugali ng fiber reinforced composite laminates. Journal of Aeronautical Sciences 2019: 1-28.
Pinagmulan:Gong Yu, Wang Yana, Peng Lei, Zhao Libin, Zhang Jianyu.Pag-aaral sa stratified expansion behavior ng advanced carbon fiber reinforced composite laminates[C]. Mechanics and Engineering - Numerical Computation at Data Analysis 2019 Academic Conference. Chinese Society of Mechanics, Beijing Mechanics Society, 2019. sa pamamagitan ng ixueshu
Oras ng post: Nob-15-2019