MEXANIKA VA MUHENDISLIK - sonli hisoblash va ma'lumotlarni tahlil qilish
Mexanika va muhandislik - raqamli hisoblar va ma'lumotlarni tahlil qilish 2019 akademik konferentsiyasi, 2019 yil 19-21 aprel, Pekin
2019 yil 19-21 aprel, Pekin, Xitoy
Murakkab uglerod tolasi bilan mustahkamlangan kompozit laminatsiya qatlamining qatlamli kengayish xatti-harakatlarini o'rganish
Gong Yu1*, Vang Yana2, Peng Lei3, Chjao Libin4, Chjan Jianyu1
1Chongqing universiteti, Chongqing, 400044, Xitoy
2Xitoy aviatsiya tadqiqot instituti Pekin Aeronavtika materiallari tadqiqot instituti, Pekin, 100095, Xitoy
3Xitoy tijorat samolyotlari Pekin fuqarolik samolyotlari texnologiyasi tadqiqot markazi, Pekin, 102211, Xitoy
4Pekin Aeronavtika va Astronavtika Universiteti, Pekin, 100191, Xitoy
AbstraktLaminat strukturasi kompozitlar uchun eng ko'p ishlatiladigan kompozit konfiguratsiyalardan biridir, ammo zaif interlaminar xususiyatlar tufayli delaminatsiya uning asosiy qobiliyatsiz rejimiga aylanadi. Muhandislik amaliyotida keng tarqalgan bo'lib qo'llaniladigan ko'p qatlamli laminatning tabaqalanishi va kengayish harakati bo'yicha tadqiqotlar doimo olimlar uchun dolzarb mavzu bo'lib kelgan. Ushbu maqolada Chongqing universiteti va Pekin Aeronavtika universiteti va kosmonavtika charchoq sinishi laboratoriyasida uglerod tolasi bilan mustahkamlangan kompozit delaminatsiyaning tadqiqot natijalari eksperimental tadqiqot va raqamli simulyatsiyaning ikki jihati bilan tanishtiriladi. Nihoyat, konning rivojlanish yo'nalishi kutilmoqda.
Kalit so‘zlar:uglerod tolasi bilan mustahkamlangan kompozitsion, laminat, delaminatsiya, charchoq tabaqalanishi
kirish
Kompozit materiallar yuqori o'ziga xos kuch va yuqori o'ziga xos qattiqlik kabi ajoyib xususiyatlarga ega va aerokosmik, energiya texnologiyasi, fuqarolik transporti va qurilishida keng qo'llaniladi. Kompozit materiallarni qayta ishlash va ishlatish jarayonida tolalar va matritsalar yuk ostida turli darajadagi shikastlanishga uchraydi. Kompozit laminatlar uchun umumiy nosozlik usullari qatlamlararo shikastlanish va qatlamlar ichidagi shikastlanishni o'z ichiga oladi. Qalinligi yo'nalishi bo'yicha mustahkamlash yo'qligi sababli, laminatning lateral mexanik xususiyatlari yomon va tashqi ta'sir yuklari ostida delaminatsiyaning shikastlanishi ehtimoli katta. Qatlamli shikastlanishning paydo bo'lishi va kengayishi strukturaning qattiqligi va mustahkamligining pasayishiga olib keladi va hatto halokatli baxtsiz hodisalarga olib keladi.[1-3]. Shu sababli, delaminatsiya muammosi kompozit materiallarning strukturaviy dizayni va mustahkamligini tahlil qilish bilan ko'proq bog'liq va kompozit materiallarning qatlamli kengayish xatti-harakatlarini o'rganish kerak.[4].
Laminatning qatlamli kengayish harakati bo'yicha tadqiqotlar
1. Eksperimental tadqiqot
Interlaminar sinishning mustahkamligi kompozit qatlamlar orasidagi mexanik xususiyatlarning xarakterli parametridir. I, II va I/II turdagi gibrid bir yo'nalishli laminatlarning interlaminar sinish chidamliligini aniqlash uchun tegishli sinov standartlari o'rnatildi. Tegishli sinov apparati 1-rasmda ko'rsatilgan. Biroq, kompozit materiallarning ko'p yo'nalishli laminatlari ko'pincha haqiqiy muhandislik tuzilmasida qo'llaniladi. Shu sababli, ko'p yo'nalishli laminatlarning tabaqalanishi va kengayish harakati bo'yicha eksperimental tadqiqot muhimroq nazariy ahamiyatga ega va muhandislik qiymatiga ega. Ko'p qatlamli laminat qatlamining boshlanishi va kengayishi o'zboshimchalik bilan qatlam burchaklari bilan interfeyslar o'rtasida sodir bo'ladi va qatlamli kengayish harakati bir tomonlama laminatlardan sezilarli darajada farq qiladi va kengaytirish mexanizmi yanada murakkab. Tadqiqotchilar ko'p yo'nalishli laminatlar bo'yicha nisbatan kam eksperimental tadqiqotlarga ega va interlaminar sinishning mustahkamligini aniqlash hali xalqaro standartni o'rnatmagan. Tadqiqot guruhi T700 va T800 uglerod tolasidan turli xil interfeyslarni joylashtirish burchaklariga ega bo'lgan turli xil kompozit laminatlarni loyihalash uchun foydalangan va interfeyslarni joylashtirish burchagi va tolalar ko'prigining statik va charchoq delaminatsiyasi xatti-harakatlariga ta'sirini o'rgangan. Qatlamning orqa chetidan hosil bo'lgan tolalar ko'prigi qatlamlararo sinishning mustahkamligiga katta ta'sir ko'rsatishi aniqlandi. Tabakalanish kengaygan sari, qatlamlararo sinish qattiqligi pastroq boshlang'ich qiymatdan asta-sekin o'sib boradi va qatlam ma'lum uzunlikka yetganda, u barqaror qiymatga etadi, ya'ni R qarshilik egri fenomeniga etadi. Oraliq qatlamning sinishning dastlabki chidamliligi deyarli teng va taxminan qatronning sinish chidamliligiga teng bo'lib, bu matritsaning o'zining sinish chidamliligiga bog'liq.[5, 6]. Shu bilan birga, turli interfeyslarning interlaminar sinish chidamliligini kengaytirish qiymatlari juda farq qiladi. Interfeysli qatlam burchagiga sezilarli bog'liqlik ko'rsatilgan. Ushbu qaramlikka javoban, Zhao va boshqalar.[5]qatlamli qarshilik manbasining jismoniy mexanizmiga asoslanib, interlaminar sinishning mustahkamligi barqarorligi qiymati ikki qismdan iborat bo'lib, bir qismi bog'liq bo'lmagan qatlam interfeysining sinish ishi, ikkinchisi esa intralayer shikastlanishi va tolasi hisoblanadi. Ko'prikdan kelib chiqqan sinish ishi. Qatlamli jabhaning kuchlanish oldingi maydonining chekli elementli tahlili orqali, sinish ishining ikkinchi qismi delaminatsiyaning oldingi shikastlanish zonasining chuqurligiga bog'liqligi (3-rasmda ko'rsatilganidek) va zarar zonasining chuqurligi interfeys yotqizish burchagiga proportsional ekanligi aniqlandi. Interfeys qatlami burchagining sinusoidal funktsiyasi bilan ifodalangan I-tipli sinish chidamliligi barqarorligi qiymatining nazariy modeli keltirilgan.
Gong va boshqalar.[7]turli aralashtirish nisbatlari ostida I / II gibrid tabaqalanish testini o'tkazdi va laminatdagi I / II gibrid tabaqalanishi ham muhim R qarshilik egri xususiyatlariga ega ekanligini aniqladi. Turli sinov qismlari orasidagi sinish chidamliligini tahlil qilish natijasida, sinov qismining qatlamlararo sinish chidamliligining boshlang'ich qiymati va barqaror qiymati, aralashtirish nisbati ortishi bilan sezilarli darajada oshishi aniqlandi. Bundan tashqari, turli xil aralashtirish nisbatlarida oraliq qatlamning dastlabki va barqaror sinishi chidamliligi BK mezoni bilan tavsiflanishi mumkin.
Charchoqning tabaqalanishi nuqtai nazaridan, sinov davomida sezilarli tolali ko'prik ham kuzatildi. Sinov ma'lumotlarini tahlil qilish natijasida, kompozit materialning charchoq delaminatsiyasining kengayishi "qarshilik egri chizig'i" ga ta'sir qilishi aniqlandi, shuning uchun an'anaviy charchoq tabaqalanishining kengayish tezligi modeli va chegara qiymati endi qo'llanilmaydi. Nazariy tahlil asosida Chjan va Peng[4,8,9]kompozit materiallarning charchoq delaminatsiyasini kengaytirish uchun zarur bo'lgan energiyani ifodalash uchun charchoq delaminatsiyasining kengayish qarshiligini kiritdi va bundan keyin normallashtirilgan kuchlanish energiyasini taklif qildi. Chiqarish tezligi charchoqning qatlamli kengayish tezligi modeli va nazorat parametrlarining chegara qiymatidir. Modelning qo'llanilishi va normallashtirilgan chegara parametri tajribalar bilan tasdiqlangan. Bundan tashqari, Zhao va boshqalar.[3]tolalar ko'prigi, stress nisbati va yukni aralashtirish nisbati charchoqning tabaqalanishi va kengayish xatti-harakatlariga ta'sirini har tomonlama ko'rib chiqdi va stress nisbati ta'sirini hisobga olgan holda normallashtirilgan charchoqning qatlamli kengayish tezligi modelini o'rnatdi. Modelning to'g'riligi turli xil stress nisbatlari va aralashtirish nisbatlari bilan charchoqning tabaqalanishi testlari bilan tasdiqlangan. Normallashtirilgan charchoq qatlamli kengayish tezligi modelida charchoqning stratifikatsiyalangan kengayish qarshiligining jismoniy miqdori uchun Gong va boshqalar.[1]tajribalar orqali faqat cheklangan diskret ma'lumotlar nuqtalarini olish mumkin bo'lgan hisoblash usulining zaifligini bartaraf etish va energiya nuqtai nazaridan charchoqni o'rnatish. Stratifikatsiyalangan kengaytirilgan qarshilikni hisoblash uchun analitik model. Model charchoqning tabaqalanishi va kengayish qarshiligini miqdoriy aniqlashni amalga oshirishi va tavsiya etilgan normallashtirilgan charchoqning qatlamli kengayish tezligi modelini qo'llash uchun nazariy yordam berishi mumkin.
1-rasm qatlamli sinov qurilmasi diagrammasi
2-rasm Qatlamlararo sinish chidamliligi R qarshilik egri chizig'i[5]
3-rasm Qatlamli yetakchi qirrali shikastlanish zonasi va qatlamli kengaytirilgan morfologiya[5]
2. Raqamli simulyatsiyani o'rganish
Qatlamli kengayishning raqamli simulyatsiyasi kompozit tuzilmalarni loyihalash sohasidagi muhim tadqiqot mazmunidir. Kompozit bir yo'nalishli laminatlarning delaminatsiyasini bashorat qilishda, mavjud tabaqalanish kengayish mezonlari odatda asosiy ishlash parametri sifatida doimiy qatlamlararo sinish qattiqligidan foydalanadi.[10], yoriq uchi energiya chiqarish tezligi va interlaminar sinish mustahkamligini solishtirish orqali. Qatlamning kengayayotganligini aniqlash uchun o'lcham. Ko'p yo'nalishli laminatlarning ishdan chiqish mexanizmi murakkab[11,12], bu muhim R qarshilik egri chiziqlari bilan tavsiflanadi[5,13]. Mavjud qatlamli kengayish mezonlari bu xususiyatni hisobga olmaydi va tolalar o'z ichiga olgan ko'prikli ko'p yo'nalishli laminatlarning delaminatsiya harakati simulyatsiyasiga taalluqli emas. Gong va boshqalar.[10, 13]mavjud qatlamli kengayish mezonlarini takomillashtirdi va mezonlarga R qarshilik egri chizig'ini kiritishni taklif qildi va shu asosda tolalar ko'prigining ta'sirini hisobga olgan holda qatlamli kengayish mezonini o'rnatdi. Ikki chiziqli konstitutsiyaviy biriktiruvchi birlikning ta'rifi va foydalanish parametrlari tizimli ravishda raqamli usullar bilan o'rganildi, shu jumladan boshlang'ich interfeys qattiqligi, interfeys kuchi, yopishqoqlik koeffitsienti va biriktiruvchi kuch zonasidagi elementlarning minimal soni. Tegishli birlik parametrlari modeli yaratildi. Nihoyat, takomillashtirilgan qatlamli kengayish mezoni va birlik parametrlari modelining samaradorligi va qo'llanilishi statik tabaqalanish testi bilan tekshiriladi. Biroq, takomillashtirilgan mezonlar ikki yoki uch o'lchovli ierarxik kengaytmalar uchun emas, balki pozitsion bog'liqliklar tufayli faqat bir o'lchovli qatlamli simulyatsiyalar uchun ishlatilishi mumkin. Ushbu muammoni hal qilish uchun muallif tolalar ko'prigini hisobga olgan holda yangi uch chiziqli biriktiruvchi kuchni taklif qildi.[14]. Konstitutsiyaviy munosabatlar mikroskopik nuqtai nazardan qatlamli kengayishning murakkab jarayoniga mos keladi va oddiy parametrlar va aniq jismoniy ma'noning afzalliklariga ega.
Bundan tashqari, ko'p yo'nalishli laminatlarning tabaqalanish jarayonida keng tarqalgan qatlamli migratsiya hodisasini aniq simulyatsiya qilish uchun[11,12], Zhao va boshqalar.[11,12]kengaytirilgan chekli elementga asoslangan, maxsus dizaynni taqlid qiluvchi yoriq yo'lini boshqarish modelini taklif qildi. Kompozit tabaqalanish testida ierarxik migratsiya. Shu bilan birga, 90 ° / 90 ° qatlamli interfeys bo'ylab zigzag qatlamli kengayish harakati uchun qatlamli kengaytirish modeli taklif etiladi, bu 90 ° / 90 ° interfeysining qatlamli kengayish harakatini aniq simulyatsiya qiladi.
4-rasm Qatlamli migratsiyaning raqamli simulyatsiyasi va eksperimental natijalar[15]
Xulosa
Ushbu maqola kompozit laminatning delaminatsiyasi sohasidagi ushbu guruhning tadqiqot natijalariga qaratilgan. Eksperimental jihatlar asosan interfeysni joylashtirish burchagi va tolali ko'prikning statik va charchoq delaminatsiyasining kengayish xatti-harakatlariga ta'sirini o'z ichiga oladi. Ko'p sonli eksperimental tadqiqotlar natijasida kompozit materiallarning ko'p yo'nalishli laminat buzilish mexanizmi murakkab ekanligi aniqlandi. Elyaf ko'prigi - bu ko'p yo'nalishli laminatlarning keng tarqalgan qattiqlashuv mexanizmi bo'lib, bu interlaminar sinish qattiqligining R-qarshilik egri chizig'ining asosiy sababidir. Hozirgi vaqtda II tabaqalanish ostida R qarshilik egri chizig'ini o'rganish nisbatan kam va qo'shimcha tadqiqotlarga muhtoj. Nosozlik mexanizmidan boshlab, charchoqning tabaqalanishi bo'yicha tadqiqot yo'nalishi bo'lgan turli xil ta'sir etuvchi omillarni o'z ichiga olgan charchoqning tabaqalanishi modeli taklif etiladi. Raqamli simulyatsiya nuqtai nazaridan, tadqiqot guruhi takomillashtirilgan ierarxik kengayish mezonini va tolali ko'prikning qatlamli kengayish xatti-harakatlariga ta'sirini ko'rib chiqish uchun birlashtirilgan konstitutsiyaviy modelni taklif qildi. Bundan tashqari, kengaytirilgan chekli element ierarxik migratsiya hodisasini yaxshiroq taqlid qilish uchun ishlatiladi. Ushbu usul hujayraning nozik bo'linishiga bo'lgan ehtiyojni yo'q qiladi, to'rning qayta bo'linishi bilan bog'liq muammolarni bartaraf qiladi. U ixtiyoriy shakllarning tabaqalanishini taqlid qilishda o'ziga xos afzalliklarga ega va kelajakda ushbu usulni qo'llash bo'yicha ko'proq muhandislik tadqiqotlari talab etiladi.[16].
Ma'lumotnomalar
[1] Y Gong, L Chjao, J Chjan, N Xu. Energiya nuqtai nazaridan kompozit laminatlarda charchoqni delaminatsiyaga chidamliligini aniqlashning yangi modeli. Compos Sci Technol 2018; 167: 489-96.
[2] L Chjao, Y Vang, J Chjan, Y Gong, N Xu, N Li. I yuklash rejimida laminatlangan kompozitlarda zigzag delaminatsiyasining o'sishini simulyatsiya qilish uchun XFEM asosidagi model. Compos Struct 2017; 160: 1155-62.
[3] L Chjao, Y Gong, J Chjan, Y Vang, Z Lu, L Peng, N Xu. CFRP ko'p yo'nalishli laminatlarda charchoq delaminatsiyasining o'sishi harakatining yangi talqini. Compos Sci Technol 2016; 133: 79-88.
[4] L Peng, J Chjan, L Chjao, R Bao, H Yang, B Fey. Charchoq yuki ostida ko'p yo'nalishli kompozit laminatlarning I delaminatsiyasining o'sishi. J Compos Mater 2011; 45: 1077-90.
[5] L Chjao, Y Vang, J Chjan, Y Gong, Z Lu, N Xu, J Syu. I yuklash rejimida ko'p yo'nalishli CFRP laminatlarida plato sinishi chidamliligining interfeysga bog'liq modeli. Kompozitlar B qismi: Muhandislik 2017; 131: 196-208.
[6] L Chjao, Y Gong, J Chjan, Y Chen, B Fey. Kohezion elementlardan foydalangan holda I rejimda va aralash rejimda I/II yuklashda ko'p yo'nalishli laminatlarda delaminatsiya o'sishini simulyatsiya qilish. Compos Struct 2014; 116: 509-22.
[7] Y Gong, B Chjan, L Chjao, J Chjan, N Xu, C Chjan. Bir tomonlama va ko'p yo'nalishli interfeysli uglerod / epoksi laminatlarda aralash rejimli I / II delaminatsiyasining R-egri harakati. Compos Struct 2019. (Ko‘rib chiqilmoqda).
[8] L Peng, J Syu, J Chjan, L Chjao. Charchoq yuki ostida ko'p yo'nalishli kompozit laminatlarning aralash rejimli delaminatsiya o'sishi. Eng Fract Mech 2012; 96: 676-86.
[9] J Chjan, L Peng, L Chjao, B Fey. Aralash rejimda yuklanganda kompozit laminatlarning charchoq delaminatsiyasining o'sish sur'atlari va chegaralari. Int J Charchoq 2012; 40: 7-15.
[10] Y Gong, L Chjao, J Chjan, Y Vang, N Xu. Delaminatsiyaning tarqalish mezoni, shu jumladan CFRP ko'p yo'nalishli laminatlarda aralash rejimli I / II delaminatsiya uchun tolalar ko'prigining ta'siri. Compos Sci Technol 2017; 151: 302-9.
[11] Y Gong, B Chjan, SR Hallett. Ko'p yo'nalishli kompozit laminatlarda delaminatsiya migratsiyasi I rejimda kvazistatik va charchoq yuki. Compos Struct 2018; 189: 160-76.
[12] Y Gong, B Chjan, S Mukhopadhyay, SR Hallett. II rejimdagi statik va charchoq yuki ostida ko'p yo'nalishli laminatlarda delaminatsiya migratsiyasi bo'yicha eksperimental tadqiqot, I rejimi bilan taqqoslaganda. Compos Struct 2018; 201: 683-98.
[13] Y Gong, L Chjao, J Chjan, N Xu. Kompozit ko'p yo'nalishli laminatlarda keng ko'lamli tolali ko'prik ta'siri bilan delaminatsiyaning tarqalishi uchun takomillashtirilgan quvvat qonuni mezoni. Compos Struct 2018; 184: 961-8.
[14] Y Gong, Y Xou, L Chjao, V Li, G Yang, J Chjan, N Xu. Tolalar ko'prigi ta'siri bilan DCB laminatlarida delaminatsiyaning o'sishi uchun yangi uch chiziqli biriktiruvchi zona modeli. Compos Struct 2019. (topshirish kerak)
[15] L Chjao, J Zhi, J Chjan, Z Liu, N Xu. Kompozit laminatlarda delaminatsiyani XFEM simulyatsiyasi. Kompozitlar A qismi: Amaliy fan va ishlab chiqarish 2016; 80: 61-71.
[16] Chjao Libin, Gong Yu, Chjan Jianyu. Elyaf bilan mustahkamlangan kompozit laminatlarning qatlamli kengayish harakati bo'yicha tadqiqotlar. Aeronavtika fanlari jurnali 2019: 1-28.
Manba:Gong Yu, Vang Yana, Peng Lei, Zhao Libin, Chjan Jianyu. Ilg'or uglerod tolasi bilan mustahkamlangan kompozit laminatlarning qatlamli kengayish harakati bo'yicha tadqiqot [C]. Mexanika va muhandislik - raqamli hisoblash va ma'lumotlarni tahlil qilish 2019 akademik konferentsiyasi. Xitoy mexanika jamiyati, Pekin mexanika jamiyati, 2019 yil. orqali Ixueshu
Yuborilgan vaqt: 2019 yil 15-noyabr