الميكانيكا والهندسة - الحساب العددي وتحليل البيانات
الميكانيكا والهندسة - الحسابات العددية وتحليل البيانات المؤتمر الأكاديمي 2019، 19-21 أبريل 2019، بكين
19-21 أبريل 2019، بكين، الصين
دراسة سلوك التمدد الطبقي لصفائح الصفائح المركبة المتقدمة المقواة بألياف الكربون
غونغ يو1*وانغ يانا2، بنغ لي3، تشاو ليبين4، تشانغ جيانيو1
1جامعة تشونغتشينغ، تشونغتشينغ، 400044، الصين
2معهد أبحاث الطيران الصيني، معهد بكين لأبحاث المواد الجوية، بكين، 100095، الصين
3مركز أبحاث تكنولوجيا الطائرات المدنية في بكين، بكين، 102211، الصين
4جامعة بكين للملاحة الجوية والفضائية، بكين، 100191، الصين
خلاصةيُعد هيكل الصفائح أحد أكثر تكوينات المواد المركبة شيوعًا، إلا أن انفصال الطبقات يُصبح السبب الرئيسي لفشله نظرًا لضعف خصائص الترابط بين الطبقات. لطالما كان البحث في سلوك التقسيم الطبقي والتمدد للصفائح متعددة الطبقات، المستخدم في الممارسات الهندسية، موضوعًا شائكًا للباحثين. تُقدم هذه الورقة البحثية نتائج البحث في انفصال الطبقات المركبة المقواة بألياف الكربون في مختبر كسور التعب بجامعة تشونغتشينغ وجامعة بكين للملاحة الجوية والفضائية، من منظورين: البحث التجريبي والمحاكاة العددية. وأخيرًا، تُستكشف اتجاهات تطوير هذا المجال.
الكلمات المفتاحية:مركب مقوى بألياف الكربون، صفائح، تقشير، طبقات التعب
مقدمة
تتميز المواد المركبة بخصائص ممتازة، مثل القوة النوعية العالية والصلابة النوعية العالية، وقد استُخدمت على نطاق واسع في صناعات الطيران، وتكنولوجيا الطاقة، والنقل المدني، والبناء. أثناء معالجة واستخدام المواد المركبة، تتعرض الألياف والمصفوفة لدرجات متفاوتة من التلف تحت تأثير الأحمال. تشمل حالات الفشل الشائعة للصفائح المركبة تلف الطبقات الداخلية والداخلية. نظرًا لنقص التعزيز في اتجاه السُمك، تكون الخصائص الميكانيكية الجانبية للصفائح ضعيفة، ومن المرجح جدًا حدوث تلف في الطبقات تحت تأثير الأحمال الخارجية. سيؤدي حدوث وتمدد التلف الطبقي إلى انخفاض في صلابة ومتانة الهيكل، بل قد يتسبب في حوادث كارثية.[1-3]لذلك، أصبحت مشكلة التقشير أكثر وأكثر اهتمامًا بالتصميم الهيكلي وتحليل القوة للمواد المركبة، ومن الضروري دراسة سلوك التمدد الطبقي للمواد المركبة.[4].
البحث في سلوك التوسع الطبقي للصفائح
1. دراسة تجريبية
تُعد متانة الكسر بين الطبقات معلمة مميزة للخواص الميكانيكية بين طبقات المواد المركبة. وقد وُضعت معايير اختبار مقابلة لتحديد متانة الكسر بين الطبقات للصفائح الهجينة أحادية الاتجاه من النوع الأول والثاني والأول/الثاني. ويظهر جهاز الاختبار المقابل في الشكل 1. ومع ذلك، غالبًا ما تُستخدم الصفائح متعددة الاتجاهات للمواد المركبة في البنية الهندسية الفعلية. ولذلك، فإن الدراسة التجريبية لسلوك التدرج والتمدد للصفائح متعددة الاتجاهات لها أهمية نظرية وقيمة هندسية أكبر. تحدث بداية وتمدد طبقة الصفائح متعددة الطبقات بين واجهات ذات زوايا طبقات عشوائية، ويختلف سلوك التمدد الطبقي بشكل كبير عن سلوك الصفائح أحادية الاتجاه، كما أن آلية التمدد أكثر تعقيدًا. أجرى الباحثون دراسات تجريبية قليلة نسبيًا على الصفائح متعددة الاتجاهات، ولم يُحدد بعد معيار دولي لتحديد متانة الكسر بين الطبقات. استخدم فريق البحث ألياف الكربون T700 وT800 لتصميم مجموعة متنوعة من الصفائح المركبة بزوايا تراكب مختلفة، ودرس تأثير زاوية تراكب الواجهة وجسر الألياف على سلوك التصفيح الساكن والتعبوي. وقد وُجد أن لجسر الألياف المُشكّل بواسطة الحافة الخلفية للطبقة تأثير كبير على متانة الكسر بين الصفائح. مع توسع الطبقات، تزداد متانة الكسر بين الصفائح تدريجيًا من قيمة ابتدائية منخفضة، وعندما يصل التصفيح إلى طول معين، يصل إلى قيمة مستقرة، أي ظاهرة منحنى المقاومة R. تكون متانة الكسر الابتدائية للطبقة البينية مساوية تقريبًا لمتانة كسر الراتنج، والتي تعتمد على متانة كسر المصفوفة نفسها.[5، 6]ومع ذلك، تتفاوت قيم امتداد متانة الكسر بين الصفائح بشكل كبير بين مختلف الأسطح. وقد وُجد اعتماد كبير على زاوية طبقة السطح البيني. واستجابةً لهذا الاعتماد، أجرى تشاو وآخرون دراسةً بعنوان:[5]بناءً على الآلية الفيزيائية لمصدر المقاومة الطبقية، يُفترض أن قيمة استقرار متانة الكسر بين الصفائح تتكون من جزأين: الأول هو عمل الكسر لواجهة الطبقة غير المرتبطة، والثاني هو الضرر والألياف داخل الطبقة. عمل الكسر الناتج عن التجسير. من خلال تحليل العناصر المحدودة لحقل الإجهاد الأمامي للواجهة الطبقية، وُجد أن الجزء الثاني من عمل الكسر يعتمد على عمق منطقة تلف واجهة الانفصال (كما هو موضح في الشكل 3)، وأن عمق منطقة الضرر يتناسب طرديًا مع زاوية وضع الواجهة. يُقدم نموذج نظري لقيمة استقرار متانة الكسر من النوع I، مُعبرًا عنه بالدالة الجيبية لزاوية طبقة الواجهة.
جونج وآخرون[7]أُجري اختبار التطبق الهجين I/II بنسب خلط مختلفة، ووجد أن التطبق الهجين I/II في الصفائح يتميز أيضًا بخصائص منحنى مقاومة R. ومن خلال تحليل متانة الكسر بين قطع الاختبار المختلفة، وُجد أن القيمة الابتدائية والقيمة الثابتة لمتانة الكسر بين الصفائح تزدادان بشكل ملحوظ مع زيادة نسبة الخلط. بالإضافة إلى ذلك، يمكن وصف متانة الكسر الابتدائية والمستقرة للطبقة البينية بنسب خلط مختلفة باستخدام معيار BK.
فيما يتعلق بطبقية التعب، لوحظ أيضًا تجسير ألياف ملحوظ أثناء الاختبار. ومن خلال تحليل بيانات الاختبار، وُجد أن تمدد الترقق الناتج عن التعب في المادة المركبة يتأثر بـ"منحنى المقاومة"، مما يجعل نموذج معدل تمدد طبقات التعب التقليدي وقيمة العتبة غير قابلين للتطبيق. بناءً على التحليل النظري، قام تشانغ وبنغ[4،8،9]قدّم مقاومة تمدد التقشر الناتج عن التعب للتعبير عن الطاقة اللازمة لتمدد التقشر الناتج عن التعب في المواد المركبة، واقترح أيضًا طاقة الانفعال المعيارية. معدل التحرر هو نموذج معدل التمدد الطبقي الناتج عن التعب وقيمة عتبة معلمات التحكم. تم التحقق من قابلية تطبيق النموذج ومعامل العتبة المعياري من خلال التجارب. علاوة على ذلك، قام تشاو وآخرون.[3]دراسة شاملة لتأثيرات جسور الألياف، ونسبة الإجهاد، ونسبة خلط الأحمال على توزع التعب وسلوك التمدد، ووضع نموذجًا لمعدل التمدد الطبقي للتعب الموحد مع مراعاة تأثير نسبة الإجهاد. تم التحقق من دقة النموذج من خلال اختبارات توزع التعب بنسب إجهاد ونسب خلط مختلفة. بالنسبة للكمية الفيزيائية لمقاومة التمدد الطبقي للتعب في نموذج معدل التمدد الطبقي للتعب الموحد، استخدم غونغ وآخرون.[1]التغلب على ضعف طريقة الحساب التي لا تُمكّن إلا من الحصول على نقاط بيانات منفصلة محدودة من خلال التجارب، وتحديد التعب من منظور الطاقة. نموذج تحليلي لحساب مقاومة التمدد الطبقية. يُمكّن هذا النموذج من التحديد الكمي لطبقية التعب ومقاومة التمدد، ويُقدم دعمًا نظريًا لتطبيق نموذج معدل التمدد الطبقي المُوحّد للتعب المُقترح.
الشكل 1 مخطط جهاز الاختبار الطبقي
الشكل 2 منحنى مقاومة الكسر بين الطبقات R[5]
الشكل 3 منطقة الضرر في الحافة الأمامية الطبقية والشكل الممتد الطبقي[5]
2. دراسة المحاكاة العددية
تُعدّ المحاكاة العددية للتمدد الطبقي مادة بحثية مهمة في مجال تصميم الهياكل المركبة. عند التنبؤ بفشل انفصال الصفائح المركبة أحادية الاتجاه، عادةً ما تستخدم معايير التمدد الطبقي الحالية متانة الكسر بين الصفائح الثابتة كمعامل أداء أساسي.[10]بمقارنة معدل إطلاق طاقة طرف الشق ومتانة الكسر بين الصفائح. الحجم لتحديد ما إذا كانت الطبقات تتمدد. آلية فشل الصفائح متعددة الاتجاهات معقدة.[11،12]، والتي تتميز بمنحنيات مقاومة R كبيرة[5،13]لا تأخذ معايير التمدد الطبقي الحالية هذه الخاصية في الاعتبار، ولا تنطبق على محاكاة سلوك انفصال الصفائح الجسورية متعددة الاتجاهات المحتوية على الألياف. غونغ وآخرون.[10، 13]حسّن معايير التمدد الطبقي الحالية، واقترح إدخال منحنى مقاومة R ضمن المعايير، وبناءً على ذلك، وُضع معيار تمدد طبقي يأخذ في الاعتبار تأثيرات جسور الألياف. دُرست معاملات تعريف واستخدام وحدة التماسك التكوينية ثنائية الخط بشكل منهجي باستخدام طرق عددية، بما في ذلك صلابة الواجهة الأولية، وقوة الواجهة، ومعامل اللزوجة، والحد الأدنى لعدد العناصر في منطقة قوة التماسك. ووُضع نموذج معاملات وحدة التماسك المقابل. وأخيرًا، تم التحقق من فعالية وقابلية تطبيق معيار التمدد الطبقي المحسّن ونموذج معاملات وحدة التماسك من خلال اختبار التقسيم الطبقي الثابت. ومع ذلك، لا يمكن استخدام المعايير المحسّنة إلا في عمليات المحاكاة الطبقية أحادية البعد نظرًا لاعتمادها على الموضع، وليس في الامتدادات الهرمية ثنائية أو ثلاثية الأبعاد. ولحل هذه المشكلة، اقترح المؤلف أيضًا معيارًا تكوينيًا جديدًا لقوة التماسك ثلاثية الخطوط يأخذ في الاعتبار جسور الألياف.[14]تتناسب العلاقة التأسيسية مع العملية المعقدة للتوسع الطبقي من منظور مجهري، ولها مزايا المعلمات البسيطة والمعنى الفيزيائي الواضح.
بالإضافة إلى ذلك، من أجل محاكاة ظاهرة الهجرة الطبقية الشائعة في عملية التقسيم الطبقي للصفائح متعددة الاتجاهات بدقة[11،12]، تشاو وآخرون.[11،12]تم اقتراح نموذج توجيه لمسار التشقق قائم على عنصر محدود ممتد، يحاكي تصميمًا خاصًا. هجرة هرمية في اختبار طبقي مركب. في الوقت نفسه، تم اقتراح نموذج تمدد طبقي لسلوك التمدد الطبقي المتعرج على طول الواجهة الطبقية بزاوية 90 درجة/90 درجة، والذي يحاكي بدقة سلوك التمدد الطبقي لهذه الواجهة.
الشكل 4 المحاكاة العددية للهجرة الطبقية والنتائج التجريبية[15]
خاتمة
تركز هذه الورقة البحثية على نتائج أبحاث هذه المجموعة في مجال انفصال صفائح المواد المركبة. تشمل الجوانب التجريبية بشكل رئيسي تأثير زاوية وضع الواجهة وجسر الألياف على سلوك تمدد انفصال الصفائح الساكنة والتعبوية. من خلال عدد كبير من الدراسات التجريبية، وُجد أن آلية فشل الصفائح متعددة الاتجاهات للمواد المركبة معقدة. يُعد جسر الألياف آلية تقوية شائعة للصفائح متعددة الاتجاهات، وهو السبب الرئيسي لمنحنى مقاومة R لمتانة الكسر بين الصفائح. في الوقت الحالي، تفتقر دراسة منحنى مقاومة R في ظل التقسيم الطبقي II نسبيًا وتحتاج إلى مزيد من البحث. انطلاقًا من آلية الفشل، تم اقتراح نموذج تقسيم طبقي التعب بما في ذلك عوامل مؤثرة مختلفة، وهو اتجاه لأبحاث تقسيم طبقي التعبوية. من حيث المحاكاة العددية، اقترحت مجموعة البحث معيارًا محسنًا للتوسع الهرمي ونموذجًا تأسيسيًا متماسكًا للنظر في تأثير جسر الألياف على سلوك التمدد الطبقي. بالإضافة إلى ذلك، تُستخدم طريقة العناصر المحدودة الممتدة لتحسين محاكاة ظاهرة الهجرة الهرمية. تُلغي هذه الطريقة الحاجة إلى انقسام الخلايا الدقيق، مما يُجنّب المشاكل المرتبطة بإعادة انقسام الشبكة. وتتميز هذه الطريقة بمزايا فريدة في محاكاة الطبقات ذات الأشكال العشوائية، وهناك حاجة إلى مزيد من البحوث التطبيقية الهندسية لهذه الطريقة مستقبلًا.[16].
مراجع
[1] واي جونج، إل تشاو، جيه تشانغ، إن هو. نموذج جديد لتحديد مقاومة تقشير التعب في الصفائح المركبة من منظور الطاقة. مجلة علوم وتكنولوجيا المواد، ٢٠١٨؛ ١٦٧: ٤٨٩-٩٦.
[2] ل. تشاو، واي وانغ، جيه تشانغ، واي غونغ، إن هو، إن لي. نموذج قائم على نظرية العناصر الناقصة (XFEM) لمحاكاة نمو التقشر المتعرج في المواد المركبة الرقائقية تحت التحميل من الوضع الأول. كومبوس ستراكت، 2017؛ 160: 1155-1162.
[3] إل تشاو، واي جونج، جيه تشانغ، واي وانج، زد لو، إل بينج، إن هو. تفسير جديد لسلوك نمو التقشر الناتج عن التعب في صفائح البوليمر المقوى بألياف الكربون متعددة الاتجاهات. مجلة علوم وتكنولوجيا المواد، ٢٠١٦؛ ١٣٣: ٧٩-٨٨.
[4] إل بينج، جيه تشانغ، إل تشاو، آر باو، إتش يانغ، بي في. نمو التقشر من النمط الأول للصفائح المركبة متعددة الاتجاهات تحت تأثير الإجهاد. مجلة المواد المركبة 2011؛ 45: 1077-1090.
[5] ل. تشاو، واي وانغ، جيه تشانغ، واي غونغ، زد لو، إن هو، جيه شو. نموذج يعتمد على الواجهة لمتانة كسر الهضبة في صفائح البوليمر المقوى بألياف الكربون متعددة الاتجاهات تحت التحميل من النمط الأول. مجلة المواد المركبة، الجزء ب: الهندسة، 2017؛ 131: 196-208.
[6] ل. تشاو، واي غونغ، جيه تشانغ، واي تشين، بي في. محاكاة نمو التقشر في الصفائح متعددة الاتجاهات تحت أحمال الوضع الأول والوضع المختلط الأول/الثاني باستخدام عناصر متماسكة. كومبوس ستراكت، ٢٠١٤؛ ١١٦: ٥٠٩-٢٢.
[7] واي جونج، بي زانج، إل زهاو، جيه زانج، إن هو، سي زانج. سلوك منحنى R للتقشير متعدد الوضع I/II في صفائح الكربون/الإيبوكسي ذات الواجهات أحادية الاتجاه ومتعددة الاتجاهات. كومبوس ستركت، ٢٠١٩. (قيد المراجعة).
[8] إل بينج، جيه شو، جيه تشانغ، إل تشاو. نمو التقشير المختلط للصفائح المركبة متعددة الاتجاهات تحت تأثير الإجهاد. مجلة الهندسة الميكانيكية، 2012؛ 96: 676-86.
[9] جيه تشانغ، إل بينج، إل تشاو، بي في. معدلات نمو تقشير التعب وعتبات الصفائح المركبة تحت التحميل المختلط. مجلة التعب الدولية 2012؛ 40: 7-15.
[10] واي جونج، إل تشاو، جيه تشانغ، واي وانج، إن هو. معيار انتشار التقشر، بما في ذلك تأثير جسور الألياف للتقشر مختلط الوضع I/II في صفائح البوليمر المقوى بألياف الكربون متعددة الاتجاهات. مجلة علوم وتكنولوجيا المواد، 2017؛ 151: 302-9.
[11] واي جونج، بي تشانغ، إس آر هاليت. هجرة التقشر في صفائح مركبة متعددة الاتجاهات تحت الحمل شبه الساكن والإجهاد الناتج عن التعب من الوضع الأول. كومبوس ستراكت، 2018؛ 189: 160-76.
[12] واي جونج، بي تشانغ، إس موخوبادياي، إس آر هاليت. دراسة تجريبية حول هجرة الصفائح متعددة الاتجاهات تحت التحميل الساكن والتعب من الوضع الثاني، مع مقارنة بالوضع الأول. كومبوس ستروكت 2018؛ 201: 683-98.
[13] واي جونج، إل تشاو، جيه تشانغ، إن هو. معيار قانون القدرة المُحسَّن لانتشار التقشر بتأثير جسور الألياف واسعة النطاق في الصفائح المركبة متعددة الاتجاهات. كومبوس ستراكت، 2018؛ 184: 961-8.
[14] واي غونغ، واي هو، إل تشاو، دبليو لي، جي يانغ، جيه تشانغ، إن هو. نموذج جديد لمنطقة التماسك ثلاثية الخطوط لنمو التقشر في صفائح DCB مع تأثير جسور الألياف. كومبوس ستركت 2019. (للتقديم)
[15] ل. تشاو، ج. تشي، ج. تشانغ، ز. ليو، ن. هو. محاكاة XFEM للانفصال في صفائح المواد المركبة. المواد المركبة، الجزء أ: العلوم التطبيقية والتصنيع، 2016؛ 80: 61-71.
[16] تشاو ليبين، غونغ يو، تشانغ جيانيو. تقدم البحث في سلوك التمدد الطبقي للصفائح المركبة المقواة بالألياف. مجلة علوم الطيران 2019: 1-28.
مصدر:غونغ يو، وانغ يانا، بينغ لي، تشاو ليبين، تشانغ جيانيو. دراسة حول سلوك التمدد الطبقي للصفائح المركبة المتقدمة المقواة بألياف الكربون [ج]. المؤتمر الأكاديمي لمجلة الميكانيكا والهندسة - الحساب العددي وتحليل البيانات 2019. الجمعية الصينية للميكانيكا، جمعية بكين للميكانيكا، 2019. عبر إيكسويش
وقت النشر: ١٥ نوفمبر ٢٠١٩