MEKANİK VE MÜHENDİSLİK - Sayısal Hesaplama ve Veri Analizi
Mekanik ve Mühendislik - Sayısal Hesaplamalar ve Veri Analizi 2019 Akademik Konferansı, 19-21 Nisan 2019, Pekin
19-21 Nisan 2019, Pekin, Çin
Gelişmiş Karbon Fiber Takviyeli Kompozit Laminat Levhaların Katmanlı Genleşme Davranışı Üzerine Bir Çalışma
Gong Yu1*, Vang Yana2, Peng Lei3, Zhao Libin4, Zhang Jianyu1
1Chongqing Üniversitesi, Chongqing, 400044, Çin
2Çin Havacılık Araştırma Enstitüsü Pekin Havacılık Malzemeleri Araştırma Enstitüsü, Pekin, 100095, Çin
3Çin Ticari Uçak Pekin Sivil Uçak Teknolojisi Araştırma Merkezi, Pekin, 102211, Çin
4Pekin Havacılık ve Uzay Bilimleri Üniversitesi, Pekin, 100191, Çin
SoyutLaminat yapı, kompozitler için en yaygın kullanılan kompozit yapılandırmalarından biridir, ancak delaminasyon zayıf katmanlar arası özellikler nedeniyle ana arıza modu haline gelir. Mühendislik uygulamalarında yaygın olarak kullanılan çok katmanlı laminat tabakalaşması ve genleşme davranışı üzerine araştırma, akademisyenler için her zaman sıcak bir konu olmuştur. Bu makalede, Chongqing Üniversitesi ve Pekin Havacılık ve Uzay Bilimleri Üniversitesi Yorgunluk Kırığı Laboratuvarı'ndaki karbon fiber takviyeli kompozit delaminasyonunun araştırma sonuçları deneysel araştırma ve sayısal simülasyonun iki yönünden tanıtılmaktadır. Son olarak, alanın gelişim yönü araştırılmaktadır.
Anahtar kelimeler:karbon fiber takviyeli kompozit, laminat, delaminasyon, yorulma tabakalaşması
giriiş
Kompozit malzemeler yüksek özgül mukavemet ve yüksek özgül sertlik gibi mükemmel özelliklere sahiptir ve havacılık, enerji teknolojisi ve sivil taşımacılık ve inşaatta yaygın olarak kullanılmıştır. Kompozit malzemelerin işlenmesi ve kullanımı sırasında, lifler ve matris yük altında farklı derecelerde hasara uğrayacaktır. Kompozit laminatlar için yaygın arıza modları arasında katmanlar arası hasar ve katmanlar içindeki hasar bulunur. Kalınlık yönünde takviye eksikliği nedeniyle, laminatın yanal mekanik özellikleri zayıftır ve delaminasyon hasarının harici darbe yükleri altında meydana gelme olasılığı oldukça yüksektir. Katmanlı hasarın meydana gelmesi ve genişlemesi, yapısal sertlik ve mukavemette bir azalmaya yol açacak ve hatta felaket niteliğinde kazalara neden olacaktır.[1-3]Bu nedenle, delaminasyon sorunu kompozit malzemelerin yapısal tasarımı ve mukavemet analizi ile giderek daha fazla ilgilenmektedir ve kompozit malzemelerin katmanlı genleşme davranışını incelemek gerekmektedir.[4].
Laminatın katmanlı genleşme davranışı üzerine araştırma
1. Deneysel çalışma
Katmanlar arası kırılma tokluğu, kompozit katmanlar arasındaki mekanik özelliklerin karakteristik bir parametresidir. Tip I, Tip II ve I/II hibrit tek yönlü laminatların katmanlar arası kırılma tokluğunun belirlenmesi için ilgili test standartları oluşturulmuştur. İlgili test aparatı Şekil 1'de gösterilmiştir. Ancak, kompozit malzemelerin çok yönlü laminatları genellikle gerçek mühendislik yapılarında kullanılır. Bu nedenle, çok yönlü laminatların tabakalaşma ve genleşme davranışı üzerine yapılan deneysel çalışma daha önemli teorik öneme ve mühendislik değerine sahiptir. Çok katmanlı laminat katman başlatma ve genleşmesi, keyfi katmanlama açılarına sahip arayüzler arasında meydana gelir ve katmanlı genleşme davranışı, tek yönlü laminatların davranışından önemli ölçüde farklıdır ve genleşme mekanizması daha karmaşıktır. Araştırmacıların çok yönlü laminatlar üzerine nispeten az sayıda deneysel çalışması vardır ve katmanlar arası kırılma tokluğunun belirlenmesi henüz uluslararası bir standart oluşturmamıştır. Araştırma ekibi, farklı arayüz katmanlama açılarına sahip çeşitli kompozit laminatlar tasarlamak için T700 ve T800 karbon fiber kullandı ve arayüz katmanlama açısının ve fiber köprülemenin statik ve yorulma delaminasyon davranışı üzerindeki etkisini inceledi. Katmanın arka kenarı tarafından oluşturulan fiber köprülemenin, katmanlar arası kırılma tokluğu üzerinde büyük bir etkiye sahip olduğu bulundu. Katmanlaşma genişledikçe, katmanlar arası kırılma tokluğu daha düşük bir başlangıç değerinden kademeli olarak artacak ve katmanlaşma belirli bir uzunluğa ulaştığında, sabit bir değere, yani R direnç eğrisi fenomenine ulaşacaktır. Katmanlar arasının başlangıç kırılma tokluğu, matrisin kırılma tokluğuna bağlı olarak reçinenin kırılma tokluğuna neredeyse eşit ve yaklaşık olarak eşittir.[5, 6]Ancak, farklı arayüzlerin katmanlar arası kırılma tokluğu uzatma değerleri büyük ölçüde değişir. Önemli arayüz katman açısı bağımlılığı sunulmuştur. Bu bağımlılığa yanıt olarak, Zhao ve ark.[5]Katmanlı direnç kaynağının fiziksel mekanizmasına dayanarak, katmanlar arası kırılma tokluğu kararlılık değerinin iki bölümden oluştuğu, bir bölümünün ilgisiz katman arayüzünün kırılma işi, diğer bölümünün ise katman içi hasar ve elyaf olduğu düşünülmektedir. Köprüleme yoluyla oluşan kırılma işi. Katmanlı cephenin gerilim cephesi alanının sonlu elemanlar analizi yoluyla, kırılma işinin ikinci bölümünün delaminasyon cephesi hasar bölgesinin derinliğine (Şekil 3'te gösterildiği gibi) bağlı olduğu ve hasar bölgesinin derinliğinin arayüz katmanlama açısıyla orantılı olduğu bulunmuştur. Arayüz katman açısının sinüzoidal fonksiyonu ile ifade edilen I tipi kırılma tokluğu kararlılık değerinin teorik bir modeli sunulmuştur.
Gong ve ark.[7]Farklı karıştırma oranları altında I/II hibrit tabakalaşma testini gerçekleştirdi ve laminattaki I/II hibrit tabakalaşmasının da önemli R direnç eğrisi özelliklerine sahip olduğunu buldu. Farklı test parçaları arasındaki kırılma tokluğunun analizi yoluyla, test parçasının interlaminar kırılma tokluğunun başlangıç değeri ve kararlı değerinin karıştırma oranının artmasıyla önemli ölçüde arttığı bulundu. Ek olarak, farklı karıştırma oranları altında ara katmanın başlangıç ve kararlı kırılma tokluğu BK kriteri ile tanımlanabilir.
Yorgunluk tabakalaşması açısından, test sırasında önemli lif köprülenmesi de gözlemlendi. Test verilerinin analizi yoluyla, kompozit malzemenin yorgunluk delaminasyon genişlemesinin "direnç eğrisi" tarafından etkilendiği, dolayısıyla geleneksel yorgunluk tabakalaşması genişleme oranı modelinin ve eşik değerinin artık geçerli olmadığı bulundu. Teorik analize dayanarak, Zhang ve Peng[4,8,9]kompozit malzemelerin yorulma delaminasyon genişlemesi için gereken enerjiyi ifade etmek için yorulma delaminasyon genişleme direncini tanıttı ve ayrıca normalize edilmiş gerinim enerjisini önerdi. Serbest bırakma oranı, yorulma tabakalı genişleme oranı modeli ve kontrol parametrelerinin eşik değeridir. Modelin ve normalize edilmiş eşik parametresinin uygulanabilirliği deneylerle doğrulanmıştır. Ayrıca, Zhao ve diğerleri.[3]lif köprüleme, gerilim oranı ve yük-karıştırma oranının yorgunluk tabakalaşması ve genleşme davranışı üzerindeki etkilerini kapsamlı bir şekilde ele aldı ve gerilim oranının etkisini göz önünde bulundurarak normalleştirilmiş bir yorgunluk tabakalaşmış genleşme oranı modeli oluşturdu. Modelin doğruluğu farklı gerilim oranları ve karışım oranlarıyla yorgunluk tabakalaşması testleri ile doğrulandı. Normalleştirilmiş yorgunluk tabakalaşmış genleşme oranı modelindeki yorgunluk tabakalaşmış genleşme direncinin fiziksel niceliği için Gong ve ark.[1]Deneyler yoluyla yalnızca sınırlı ayrı veri noktaları elde edebilen hesaplama yönteminin zayıflığını aşmak ve yorgunluğu enerji açısından belirlemek. Katmanlı genişletilmiş direncin hesaplanması için analitik bir model. Model, yorgunluk katmanlaşmasının ve genleşme direncinin nicel belirlenmesini gerçekleştirebilir ve önerilen normalleştirilmiş yorgunluk katmanlı genleşme oranı modelinin uygulanması için teorik destek sağlayabilir.
Şekil 1 tabakalı test cihazı diyagramı
Şekil 2 Katmanlar arası kırılma tokluğu R direnç eğrisi[5]
Şekil 3 Katmanlı ön kenar hasar bölgesi ve tabakalı genişletilmiş morfoloji[5]
2. Sayısal simülasyon çalışması
Katmanlı genleşmenin sayısal simülasyonu, kompozit yapı tasarımı alanında önemli bir araştırma içeriğidir. Kompozit tek yönlü laminatların delaminasyon arızasını tahmin ederken, mevcut tabakalaşma genleşme kriterleri genellikle temel performans parametresi olarak sabit interlaminar kırılma tokluğunu kullanır[10], çatlak ucu enerji salınım hızını ve katmanlar arası kırılma tokluğunu karşılaştırarak. Katmanlamanın genişleyip genişlemediğini belirlemek için boyut. Çok yönlü laminatların arıza mekanizması karmaşıktır[11,12]önemli R direnç eğrileri ile karakterize edilen[5,13]Mevcut katmanlı genişleme kriterleri bu özelliği hesaba katmaz ve elyaf içeren köprülü çok yönlü laminatların delaminasyon davranışının simülasyonuna uygulanmaz. Gong ve diğerleri.[10, 13]mevcut tabakalı genişleme kriterlerini iyileştirdi ve kriterlere R direnç eğrisini dahil etmeyi önerdi ve buna dayanarak, fiber köprülemenin etkilerini göz önünde bulundurarak tabakalı bir genişleme kriteri oluşturdu. Bilineer yapısal kohezif birimin tanımı ve kullanım parametreleri, başlangıç arayüz sertliği, arayüz mukavemeti, viskozite katsayısı ve kohezif kuvvet bölgesindeki minimum eleman sayısı dahil olmak üzere sayısal yöntemlerle sistematik olarak incelendi. Karşılık gelen kohezif birim parametre modeli oluşturuldu. Son olarak, iyileştirilmiş tabakalı genişleme kriterinin ve kohezif birim parametre modelinin etkinliği ve uygulanabilirliği statik tabakalama testi ile doğrulandı. Ancak, iyileştirilmiş kriterler konumsal bağımlılıklar nedeniyle yalnızca tek boyutlu katmanlı simülasyonlar için kullanılabilir ve iki veya üç boyutlu hiyerarşik uzantılar için kullanılamaz. Bu sorunu çözmek için yazar, fiber köprülemeyi göz önünde bulundurarak yeni bir üç doğrusal yapısal kohezif kuvvet kriteri önerdi[14]Oluşturucu ilişki, mikroskobik bir perspektiften katmanlı genişlemenin karmaşık sürecine uygundur ve basit parametreler ve açık fiziksel anlam avantajlarına sahiptir.
Ek olarak, çok yönlü laminatların tabakalaşma sürecinde yaygın olan tabakalı göç olgusunu doğru bir şekilde simüle etmek için[11,12], Zhao ve diğerleri.[11,12]genişletilmiş sonlu elemanlara dayalı bir çatlak yolu kılavuz modeli önerildi, özel bir tasarımı simüle etti. Bileşik tabakalaşma testinde hiyerarşik göç. Aynı zamanda, 90°/90° katmanlı arayüz boyunca zikzak katmanlı genişleme davranışı için katmanlı bir genişleme modeli önerildi, bu da 90°/90° arayüzünün katmanlı genişleme davranışını doğru bir şekilde simüle eder.
Şekil 4 Katmanlı göçün sayısal simülasyonu ve deneysel sonuçlar[15]
Çözüm
Bu makale, kompozit laminat delaminasyonu alanındaki bu grubun araştırma sonuçlarına odaklanmaktadır. Deneysel yönler esas olarak arayüz katmanlama açısının ve fiber köprülemenin statik ve yorulma delaminasyon genleşme davranışı üzerindeki etkisini içerir. Çok sayıda deneysel çalışma yoluyla, kompozit malzemelerin çok yönlü laminat arıza mekanizmasının karmaşık olduğu bulunmuştur. Fiber köprüleme, çok yönlü laminatların yaygın bir toklaştırma mekanizmasıdır ve bu, interlaminar kırılma tokluğunun R-direnç eğrisinin ana nedenidir. Şu anda, II tabakalaşması altındaki R direnç eğrisi çalışması nispeten eksiktir ve daha fazla araştırmaya ihtiyaç duymaktadır. Arıza mekanizmasından başlayarak, yorulma tabakalaşması araştırmasının bir yönü olan çeşitli etki faktörlerini içeren yorulma tabakalaşması modeli önerilmiştir. Sayısal simülasyon açısından, araştırma grubu, fiber köprülemenin tabakalı genleşme davranışı üzerindeki etkisini dikkate almak için geliştirilmiş bir hiyerarşik genleşme kriteri ve tutarlı bir kurucu model önermiştir. Ek olarak, hiyerarşik göç olgusunu daha iyi simüle etmek için genişletilmiş sonlu eleman kullanılmıştır. Bu yöntem, ince hücre bölünmesine olan ihtiyacı ortadan kaldırarak, ağ yeniden bölünmesiyle ilişkili sorunları ortadan kaldırır. Rastgele şekillerin katmanlaşmasını simüle etmede benzersiz avantajlara sahiptir ve gelecekte bu yöntemin daha fazla mühendislik uygulama araştırmasına ihtiyaç vardır[16].
Referanslar
[1] Y Gong, L Zhao, J Zhang, N Hu. Enerji açısından kompozit laminatlarda yorulma delaminasyon direncini belirlemek için yeni bir model. Compos Sci Technol 2018; 167: 489-96.
[2] L Zhao, Y Wang, J Zhang, Y Gong, N Hu, N Li. Mod I yüklemesi altında katmanlı kompozitlerde zikzak delaminasyon büyümesini simüle etmek için XFEM tabanlı model. Compos Struct 2017; 160: 1155-62.
[3] L Zhao, Y Gong, J Zhang, Y Wang, Z Lu, L Peng, N Hu. CFRP çok yönlü laminatlarda yorulma delaminasyon büyüme davranışının yeni bir yorumu. Compos Sci Technol 2016; 133: 79-88.
[4] L Peng, J Zhang, L Zhao, R Bao, H Yang, B Fei. Yorulma yükü altında çok yönlü kompozit laminatların Mod I delaminasyon büyümesi. J Compos Mater 2011; 45: 1077-90.
[5] L Zhao, Y Wang, J Zhang, Y Gong, Z Lu, N Hu, J Xu. Mod I yüklemesi altında çok yönlü CFRP laminatlarda plato kırılma tokluğunun arayüz bağımlı bir modeli. Kompozitler Bölüm B: Mühendislik 2017; 131: 196-208.
[6] L Zhao, Y Gong, J Zhang, Y Chen, B Fei. Kohezyonlu elemanlar kullanılarak mod I ve karışık mod I/II yüklemeleri altında çok yönlü laminatlarda delaminasyon büyümesinin simülasyonu. Compos Struct 2014; 116: 509-22.
[7] Y Gong, B Zhang, L Zhao, J Zhang, N Hu, C Zhang. Tek yönlü ve çok yönlü arayüzlere sahip karbon/epoksi laminatlarda karışık mod I/II delaminasyonunun R-eğrisi davranışı. Compos Struct 2019. (İnceleme Aşamasında).
[8] L Peng, J Xu, J Zhang, L Zhao. Yorulma yükü altında çok yönlü kompozit laminatların karışık mod delaminasyon büyümesi. Eng Fract Mech 2012; 96: 676-86.
[9] J Zhang, L Peng, L Zhao, B Fei. Karışık mod yüklemesi altında kompozit laminatların yorulma delaminasyon büyüme oranları ve eşikleri. Int J Fatigue 2012; 40: 7-15.
[10] Y Gong, L Zhao, J Zhang, Y Wang, N Hu. CFRP çok yönlü laminatlarda karışık mod I/II delaminasyonu için fiber köprülemenin etkisini içeren delaminasyon yayılma kriteri. Compos Sci Technol 2017; 151: 302-9.
[11] Y Gong, B Zhang, SR Hallett. Mod I yarı-statik ve yorulma yüklemesi altında çok yönlü kompozit laminatlarda delaminasyon göçü. Compos Struct 2018; 189: 160-76.
[12] Y Gong, B Zhang, S Mukhopadhyay, SR Hallett. Mod II statik ve yorulma yüklemesi altında çok yönlü laminatlarda delaminasyon göçü üzerine deneysel çalışma, mod I ile karşılaştırmalı olarak. Compos Struct 2018; 201: 683-98.
[13] Y Gong, L Zhao, J Zhang, N Hu. Kompozit çok yönlü laminatlarda büyük ölçekli fiber köprülemenin etkisiyle delaminasyon yayılımı için geliştirilmiş bir kuvvet yasası kriteri. Compos Struct 2018; 184: 961-8.
[14] Y Gong, Y Hou, L Zhao, W Li, G Yang, J Zhang, N Hu. Lif köprülemesinin etkisiyle DCB laminatlarındaki delaminasyon büyümesi için yeni bir üç-doğrusal kohezif bölge modeli. Compos Struct 2019. (Sunulması gerekiyor)
[15] L Zhao, J Zhi, J Zhang, Z Liu, N Hu. Kompozit laminatlarda delaminasyonun XFEM simülasyonu. Kompozitler Bölüm A: Uygulamalı Bilim ve Üretim 2016; 80: 61-71.
[16] Zhao Libin, Gong Yu, Zhang Jianyu. Lif takviyeli kompozit laminatların tabakalı genleşme davranışına ilişkin araştırma ilerlemesi. Havacılık Bilimleri Dergisi 2019: 1-28.
Kaynak:Gong Yu, Wang Yana, Peng Lei, Zhao Libin, Zhang Jianyu.Gelişmiş karbon fiber takviyeli kompozit laminatların tabakalı genleşme davranışı üzerine çalışma[C]. Mekanik ve Mühendislik - Sayısal Hesaplama ve Veri Analizi 2019 Akademik Konferansı. Çin Mekanik Derneği, Pekin Mekanik Derneği, 2019. aracılığıyla ixueshu
Gönderi zamanı: 15-Kas-2019