CƠ KHÍ VÀ KỸ THUẬT - Tính toán số và Phân tích dữ liệu
Cơ học và Kỹ thuật — Tính toán số và Phân tích dữ liệu Hội nghị học thuật năm 2019, ngày 19-21 tháng 4 năm 2019, Bắc Kinh
Ngày 19-21 tháng 4 năm 2019, Bắc Kinh, Trung Quốc
Nghiên cứu về hành vi giãn nở theo lớp của tấm composite cốt sợi carbon tiên tiến
Cung Vũ1*, Vương Yến Na2, Bành Lôi3, Triệu Lập Bân4, Trương Kiến Ngọc1
1Đại học Trùng Khánh, Trùng Khánh, 400044, Trung Quốc
2Viện nghiên cứu hàng không Trung Quốc Viện nghiên cứu vật liệu hàng không Bắc Kinh, Bắc Kinh, 100095, Trung Quốc
3Máy bay thương mại Trung Quốc Trung tâm nghiên cứu công nghệ máy bay dân dụng Bắc Kinh, Bắc Kinh, 102211, Trung Quốc
4Đại học Hàng không và Du hành vũ trụ Bắc Kinh, Bắc Kinh, 100191, Trung Quốc
Tóm tắtCấu trúc nhiều lớp là một trong những cấu hình composite được sử dụng phổ biến nhất cho composite, nhưng sự tách lớp trở thành chế độ hỏng hóc chính của nó do các đặc tính liên lớp yếu. Nghiên cứu về sự phân tầng và hành vi giãn nở của nhiều lớp nhiều lớp thường được sử dụng trong thực hành kỹ thuật luôn là chủ đề nóng đối với các học giả. Trong bài báo này, các kết quả nghiên cứu về sự tách lớp composite gia cường sợi carbon tại Đại học Trùng Khánh và Phòng thí nghiệm gãy mỏi của Đại học Hàng không và Du hành vũ trụ Bắc Kinh được giới thiệu từ hai khía cạnh nghiên cứu thực nghiệm và mô phỏng số. Cuối cùng, hướng phát triển của lĩnh vực này được triển vọng.
Từ khóa:vật liệu composite gia cường sợi carbon, vật liệu nhiều lớp, tách lớp, phân tầng mỏi
giới thiệu
Vật liệu composite có những đặc tính tuyệt vời như cường độ riêng cao và độ cứng riêng cao, và đã được sử dụng rộng rãi trong hàng không vũ trụ, công nghệ năng lượng, giao thông dân dụng và xây dựng. Trong quá trình xử lý và sử dụng vật liệu composite, sợi và ma trận sẽ chịu các mức độ hư hỏng khác nhau dưới tải trọng. Các chế độ hỏng hóc phổ biến đối với các tấm composite nhiều lớp bao gồm hư hỏng giữa các lớp và hư hỏng trong các lớp. Do thiếu cốt thép theo hướng độ dày, các đặc tính cơ học ngang của tấm composite kém và rất có thể xảy ra hư hỏng tách lớp dưới tải trọng tác động bên ngoài. Sự xuất hiện và mở rộng của hư hỏng phân tầng sẽ dẫn đến giảm độ cứng và độ bền của kết cấu, thậm chí gây ra tai nạn thảm khốc[1-3]. Do đó, vấn đề tách lớp ngày càng được quan tâm nhiều hơn trong thiết kế cấu trúc và phân tích độ bền của vật liệu composite, và cần phải nghiên cứu hành vi giãn nở theo lớp của vật liệu composite.[4].
Nghiên cứu về hành vi giãn nở theo lớp của tấm laminate
1. Nghiên cứu thực nghiệm
Độ dai gãy liên lớp là một thông số đặc trưng của các tính chất cơ học giữa các lớp composite. Các tiêu chuẩn thử nghiệm tương ứng đã được thiết lập để xác định độ dai gãy liên lớp của các lớp đơn hướng lai loại I, loại II và I/II. Thiết bị thử nghiệm tương ứng được thể hiện trong Hình 1. Tuy nhiên, các lớp đa hướng của vật liệu composite thường được sử dụng trong kết cấu kỹ thuật thực tế. Do đó, nghiên cứu thực nghiệm về hành vi phân tầng và giãn nở của các lớp đa hướng có ý nghĩa lý thuyết và giá trị kỹ thuật quan trọng hơn. Sự khởi đầu và giãn nở của lớp nhiều lớp xảy ra giữa các giao diện với các góc phân lớp tùy ý và hành vi giãn nở theo lớp khác đáng kể so với hành vi giãn nở của các lớp đơn hướng và cơ chế giãn nở phức tạp hơn. Các nhà nghiên cứu có tương đối ít nghiên cứu thực nghiệm về các lớp nhiều hướng và việc xác định độ dai gãy liên lớp vẫn chưa thiết lập được tiêu chuẩn quốc tế. Nhóm nghiên cứu đã sử dụng sợi carbon T700 và T800 để thiết kế nhiều lớp composite với các góc xếp lớp giao diện khác nhau và nghiên cứu ảnh hưởng của góc xếp lớp giao diện và cầu nối sợi đến hành vi tách lớp tĩnh và mỏi. Người ta đã phát hiện ra rằng cầu nối sợi được hình thành bởi cạnh sau của lớp có ảnh hưởng lớn đến độ dai gãy giữa các lớp. Khi sự phân tầng mở rộng, độ dai gãy giữa các lớp sẽ tăng dần từ một giá trị ban đầu thấp hơn và khi sự phân tầng đạt đến một độ dài nhất định, nó đạt đến một giá trị ổn định, tức là hiện tượng đường cong sức cản R. Độ dai gãy ban đầu của lớp xen kẽ gần như bằng nhau và gần bằng độ dai gãy của nhựa, phụ thuộc vào độ dai gãy của chính ma trận[5, 6]. Tuy nhiên, giá trị độ bền kéo dài của các lớp nứt liên tầng của các giao diện khác nhau thay đổi rất nhiều. Sự phụ thuộc đáng kể vào góc lớp giao diện được trình bày. Để ứng phó với sự phụ thuộc này, Zhao et al.[5]dựa trên cơ chế vật lý của nguồn điện trở phân tầng, người ta cho rằng giá trị độ bền gãy liên tầng bao gồm hai phần, một phần là công gãy của giao diện lớp không liên quan và phần còn lại là hư hỏng và sợi trong lớp. Công gãy do bắc cầu. Thông qua phân tích phần tử hữu hạn của trường ứng suất phía trước của mặt trước phân lớp, người ta thấy rằng phần thứ hai của công gãy phụ thuộc vào độ sâu của vùng hư hỏng mặt trước tách lớp (như thể hiện trong Hình 3) và độ sâu của vùng hư hỏng tỷ lệ thuận với góc xếp lớp giao diện. Một mô hình lý thuyết về giá trị độ bền gãy loại I được thể hiện bằng hàm sin của góc lớp giao diện được trình bày.
Công và cộng sự[7]tiến hành thử nghiệm phân tầng lai I/II theo các tỷ lệ trộn khác nhau và thấy rằng phân tầng lai I/II trong tấm ép cũng có đặc điểm đường cong kháng R đáng kể. Thông qua phân tích độ dai gãy giữa các mẫu thử khác nhau, thấy rằng giá trị ban đầu và giá trị ổn định của độ dai gãy liên lớp của mẫu thử tăng đáng kể khi tỷ lệ trộn tăng. Ngoài ra, độ dai gãy ban đầu và ổn định của lớp xen kẽ theo các tỷ lệ trộn khác nhau có thể được mô tả bằng tiêu chí BK.
Về mặt phân tầng mỏi, sự kết nối sợi đáng kể cũng được quan sát thấy trong quá trình thử nghiệm. Thông qua phân tích dữ liệu thử nghiệm, người ta thấy rằng sự giãn nở tách lớp mỏi của vật liệu composite bị ảnh hưởng bởi “đường cong sức cản”, do đó mô hình tỷ lệ giãn nở phân tầng mỏi truyền thống và giá trị ngưỡng không còn áp dụng được nữa. Trên cơ sở phân tích lý thuyết, Zhang và Peng[4,8,9]đã giới thiệu sức cản giãn nở do tách lớp mỏi để thể hiện năng lượng cần thiết cho quá trình giãn nở do tách lớp mỏi của vật liệu composite và đề xuất thêm năng lượng biến dạng chuẩn hóa. Tốc độ giải phóng là mô hình tốc độ giãn nở phân tầng mỏi và giá trị ngưỡng của các tham số kiểm soát. Khả năng áp dụng của mô hình và tham số ngưỡng chuẩn hóa được xác minh bằng các thí nghiệm. Ngoài ra, Zhao et al.[3]xem xét toàn diện các tác động của cầu nối sợi, tỷ lệ ứng suất và tỷ lệ trộn tải lên sự phân tầng mỏi và hành vi giãn nở, và thiết lập một mô hình tỷ lệ giãn nở phân tầng mỏi chuẩn hóa có tính đến ảnh hưởng của tỷ lệ ứng suất. Độ chính xác của mô hình đã được xác minh bằng các thử nghiệm phân tầng mỏi với các tỷ lệ ứng suất và tỷ lệ trộn khác nhau. Đối với số lượng vật lý của sức cản giãn nở phân tầng mỏi trong mô hình tỷ lệ giãn nở phân tầng mỏi chuẩn hóa, Gong et al.[1]khắc phục điểm yếu của phương pháp tính toán chỉ có thể thu được các điểm dữ liệu rời rạc hạn chế thông qua các thí nghiệm và thiết lập mỏi từ góc độ năng lượng. Một mô hình phân tích để tính toán sức cản kéo dài phân tầng. Mô hình có thể thực hiện việc xác định định lượng sức cản giãn nở và phân tầng mỏi, đồng thời cung cấp hỗ trợ lý thuyết cho việc áp dụng mô hình tốc độ giãn nở phân tầng mỏi chuẩn hóa được đề xuất.
Hình 1 sơ đồ thiết bị thử nghiệm phân tầng
Hình 2 Đường cong độ bền gãy liên lớp R[5]
Hình 3 Vùng hư hỏng cạnh trước phân lớp và hình thái mở rộng phân tầng[5]
2. Nghiên cứu mô phỏng số
Mô phỏng số về sự giãn nở theo lớp là một nội dung nghiên cứu quan trọng trong lĩnh vực thiết kế kết cấu composite. Khi dự đoán sự phá hủy phân lớp của các lớp composite đơn hướng, các tiêu chí giãn nở phân lớp hiện có thường sử dụng độ bền gãy liên lớp không đổi làm thông số hiệu suất cơ bản[10], bằng cách so sánh tốc độ giải phóng năng lượng đầu nứt và độ bền gãy giữa các lớp. Kích thước để xác định xem lớp có đang giãn nở hay không. Cơ chế hỏng hóc của các lớp nhiều hướng rất phức tạp[11,12], được đặc trưng bởi các đường cong điện trở R đáng kể[5,13]Tiêu chí mở rộng lớp hiện tại không tính đến tính năng này và không áp dụng cho việc mô phỏng hành vi tách lớp của các lớp đa hướng cầu nối chứa sợi. Gong et al.[10, 13]cải thiện tiêu chí giãn nở phân tầng hiện có và đề xuất đưa đường cong điện trở R vào tiêu chí, và dựa trên đó, thiết lập tiêu chí giãn nở phân tầng có xét đến tác động của cầu nối sợi. Định nghĩa và các tham số sử dụng của đơn vị kết dính cấu thành song tuyến tính đã được nghiên cứu một cách có hệ thống bằng các phương pháp số, bao gồm độ cứng giao diện ban đầu, cường độ giao diện, hệ số độ nhớt và số lượng tối thiểu các phần tử trong vùng lực kết dính. Mô hình tham số đơn vị kết dính tương ứng đã được thiết lập. Cuối cùng, hiệu quả và khả năng áp dụng của tiêu chí giãn nở phân tầng cải tiến và mô hình tham số đơn vị kết dính được xác minh bằng thử nghiệm phân tầng tĩnh. Tuy nhiên, tiêu chí cải tiến chỉ có thể được sử dụng cho mô phỏng phân lớp một chiều do phụ thuộc vị trí chứ không phải cho phần mở rộng phân cấp hai hoặc ba chiều. Để giải quyết vấn đề này, tác giả đã đề xuất thêm một lực kết dính cấu thành tam tuyến tính mới có xét đến cầu nối sợi[14]. Mối quan hệ cấu thành phù hợp với quá trình phức tạp của sự mở rộng theo từng lớp từ góc nhìn vi mô và có ưu điểm là các thông số đơn giản và ý nghĩa vật lý rõ ràng.
Ngoài ra, để mô phỏng chính xác hiện tượng di cư phân tầng phổ biến trong quá trình phân tầng của các tấm nhiều hướng[11,12], Zhao và cộng sự.[11,12]đề xuất một mô hình dẫn hướng đường nứt dựa trên phần tử hữu hạn mở rộng, mô phỏng một thiết kế đặc biệt. Di cư phân cấp trong một thử nghiệm phân tầng tổng hợp. Đồng thời, một mô hình giãn nở theo lớp được đề xuất cho hành vi giãn nở theo lớp ngoằn ngoèo dọc theo giao diện phân lớp 90°/90°, mô phỏng chính xác hành vi giãn nở theo lớp của giao diện 90°/90°.
Hình 4 Mô phỏng số về di cư theo lớp và kết quả thực nghiệm[15]
Phần kết luận
Bài báo này tập trung vào các kết quả nghiên cứu của nhóm này trong lĩnh vực tách lớp composite. Các khía cạnh thực nghiệm chủ yếu bao gồm ảnh hưởng của góc xếp lớp giao diện và cầu nối sợi lên hành vi giãn nở tĩnh và tách lớp mỏi. Thông qua một số lượng lớn các nghiên cứu thực nghiệm, người ta thấy rằng cơ chế phá hủy nhiều lớp đa hướng của vật liệu composite rất phức tạp. Cầu nối sợi là một cơ chế làm cứng phổ biến của các lớp nhiều hướng, đây là lý do chính cho đường cong sức cản R của độ bền gãy giữa các lớp. Hiện tại, nghiên cứu đường cong sức cản R theo phân tầng II tương đối thiếu và cần được nghiên cứu thêm. Bắt đầu từ cơ chế phá hủy, mô hình phân tầng mỏi bao gồm nhiều yếu tố ảnh hưởng khác nhau được đề xuất, đây là một hướng nghiên cứu phân tầng mỏi. Về mặt mô phỏng số, nhóm nghiên cứu đã đề xuất một tiêu chí mở rộng phân cấp được cải tiến và một mô hình cấu thành gắn kết để xem xét ảnh hưởng của cầu nối sợi lên hành vi giãn nở phân tầng. Ngoài ra, phần tử hữu hạn mở rộng được sử dụng để mô phỏng tốt hơn hiện tượng di cư phân cấp. Phương pháp này loại bỏ nhu cầu phân chia tế bào mịn, loại bỏ các vấn đề liên quan đến việc phân chia lại lưới. Nó có những ưu điểm độc đáo trong việc mô phỏng sự phân tầng của các hình dạng tùy ý và cần có nhiều nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật hơn về phương pháp này trong tương lai[16].
Tài liệu tham khảo
[1] Y Gong, L Zhao, J Zhang, N Hu. Một mô hình mới để xác định khả năng chống tách lớp do mỏi trong các tấm composite theo quan điểm năng lượng. Compos Sci Technol 2018; 167: 489-96.
[2] L Zhao, Y Wang, J Zhang, Y Gong, N Hu, N Li. Mô hình dựa trên XFEM để mô phỏng sự phát triển tách lớp ngoằn ngoèo trong vật liệu composite nhiều lớp dưới tải trọng chế độ I. Compos Struct 2017; 160: 1155-62.
[3] L Zhao, Y Gong, J Zhang, Y Wang, Z Lu, L Peng, N Hu. Một cách giải thích mới về hành vi phát triển tách lớp mỏi trong các tấm nhiều lớp đa hướng CFRP. Compos Sci Technol 2016; 133: 79-88.
[4] L Peng, J Zhang, L Zhao, R Bao, H Yang, B Fei. Sự phát triển tách lớp theo chế độ I của các tấm composite nhiều hướng dưới tải trọng mỏi. J Compos Mater 2011; 45: 1077-90.
[5] L Zhao, Y Wang, J Zhang, Y Gong, Z Lu, N Hu, J Xu. Một mô hình phụ thuộc vào giao diện của độ dẻo dai gãy cao nguyên trong các tấm CFRP nhiều hướng dưới tải trọng chế độ I. Vật liệu tổng hợp Phần B: Kỹ thuật 2017; 131: 196-208.
[6] L Zhao, Y Gong, J Zhang, Y Chen, B Fei. Mô phỏng sự phát triển của sự tách lớp trong các lớp nhiều hướng dưới tải trọng chế độ I và chế độ hỗn hợp I/II bằng cách sử dụng các thành phần kết dính. Compos Struct 2014; 116: 509-22.
[7] Y Gong, B Zhang, L Zhao, J Zhang, N Hu, C Zhang. Hành vi đường cong R của quá trình tách lớp I/II chế độ hỗn hợp trong các tấm ép carbon/epoxy có giao diện đơn hướng và đa hướng. Compos Struct 2019. (Đang xem xét).
[8] L Peng, J Xu, J Zhang, L Zhao. Sự phát triển tách lớp chế độ hỗn hợp của các tấm composite nhiều hướng dưới tải trọng mỏi. Eng Fract Mech 2012; 96: 676-86.
[9] J Zhang, L Peng, L Zhao, B Fei. Tốc độ tăng trưởng tách lớp do mỏi và ngưỡng của các tấm composite nhiều lớp dưới tải trọng chế độ hỗn hợp. Int J Fatigue 2012; 40: 7-15.
[10] Y Gong, L Zhao, J Zhang, Y Wang, N Hu. Tiêu chí lan truyền tách lớp bao gồm tác động của cầu nối sợi đối với tách lớp chế độ hỗn hợp I/II trong các tấm nhiều lớp đa hướng CFRP. Compos Sci Technol 2017; 151: 302-9.
[11] Y Gong, B Zhang, SR Hallett. Sự di chuyển tách lớp trong các tấm composite nhiều hướng dưới chế độ I tải trọng tĩnh và mỏi. Compos Struct 2018; 189: 160-76.
[12] Y Gong, B Zhang, S Mukhopadhyay, SR Hallett. Nghiên cứu thực nghiệm về sự di chuyển tách lớp trong các tấm nhiều lớp đa hướng dưới tải trọng tĩnh và tải trọng mỏi chế độ II, so sánh với chế độ I. Compos Struct 2018; 201: 683-98.
[13] Y Gong, L Zhao, J Zhang, N Hu. Một tiêu chuẩn luật lũy thừa cải tiến cho sự lan truyền tách lớp với tác động của cầu nối sợi quy mô lớn trong các tấm nhiều lớp đa hướng composite. Compos Struct 2018; 184: 961-8.
[14] Y Gong, Y Hou, L Zhao, W Li, G Yang, J Zhang, N Hu. Một mô hình vùng kết dính ba tuyến tính mới cho sự phát triển tách lớp trong các tấm DCB có tác dụng bắc cầu sợi. Compos Struct 2019. (Sắp nộp)
[15] L Zhao, J Zhi, J Zhang, Z Liu, N Hu. Mô phỏng XFEM về sự tách lớp trong vật liệu composite nhiều lớp. Vật liệu composite Phần A: Khoa học ứng dụng và sản xuất 2016; 80: 61-71.
[16] Triệu Lệ Bân, Công Vũ, Trương Kiến Vũ. Tiến độ nghiên cứu về hành vi giãn nở phân tầng của vật liệu composite cốt sợi. Tạp chí Khoa học Hàng không 2019: 1-28.
Nguồn:Gong Yu, Wang Yana, Peng Lei, Zhao Libin, Zhang Jianyu. Nghiên cứu về hành vi giãn nở phân tầng của vật liệu composite cốt sợi carbon tiên tiến [C]. Cơ học và Kỹ thuật - Tính toán số và Phân tích dữ liệu Hội nghị học thuật năm 2019. Hội Cơ học Trung Quốc, Hội Cơ học Bắc Kinh, 2019. thông qua ixueshu
Thời gian đăng: 15-11-2019