उन्नत कार्बन फाइबर प्रबलित कम्पोजिट लैमिनेट शीट के स्तरित विस्तार व्यवहार पर अध्ययन

यांत्रिकी और इंजीनियरिंग - संख्यात्मक गणना और डेटा विश्लेषण
यांत्रिकी और इंजीनियरिंग - संख्यात्मक गणना और डेटा विश्लेषण 2019 शैक्षणिक सम्मेलन, 19-21 अप्रैल, 2019, बीजिंग
19-21 अप्रैल, 2019, बीजिंग, चीन

उन्नत कार्बन फाइबर प्रबलित कम्पोजिट लैमिनेट शीट के स्तरित विस्तार व्यवहार पर अध्ययन

गोंग यू^1*, वांग याना², पेंग लेई³, झाओ लिबिन⁴, झांग जियान्यु¹

¹चोंगकिंग विश्वविद्यालय, चोंगकिंग, 400044, चीन
²चीन विमानन अनुसंधान संस्थान बीजिंग वैमानिकी सामग्री अनुसंधान संस्थान, बीजिंग, 100095, चीन
³चीन वाणिज्यिक विमान बीजिंग नागरिक विमान प्रौद्योगिकी अनुसंधान केंद्र, बीजिंग, 102211, चीन
⁴बीजिंग यूनिवर्सिटी ऑफ एरोनॉटिक्स एंड एस्ट्रोनॉटिक्स, बीजिंग, 100191, चीन

अमूर्तलैमिनेट संरचना, कंपोजिट के लिए सबसे अधिक उपयोग किए जाने वाले कंपोजिट विन्यासों में से एक है, लेकिन कमज़ोर इंटरलेमिनर गुणों के कारण, विघटन इसकी मुख्य विफलता का कारण बन जाता है। इंजीनियरिंग अभ्यास में आमतौर पर उपयोग किए जाने वाले बहु-परत लैमिनेट स्तरीकरण और विस्तार व्यवहार पर शोध हमेशा से विद्वानों के लिए एक चर्चित विषय रहा है। इस शोध पत्र में, चोंगकिंग विश्वविद्यालय और बीजिंग विश्वविद्यालय के वैमानिकी एवं अंतरिक्ष विज्ञान थकान फ्रैक्चर प्रयोगशाला में कार्बन फाइबर प्रबलित कंपोजिट विघटन के शोध परिणामों को प्रायोगिक अनुसंधान और संख्यात्मक अनुकरण के दो पहलुओं से प्रस्तुत किया गया है। अंत में, इस क्षेत्र के विकास की दिशा का पूर्वानुमान लगाया गया है।

कीवर्ड:कार्बन फाइबर प्रबलित समग्र, टुकड़े टुकड़े, विघटन, थकान स्तरीकरण

परिचय

मिश्रित सामग्रियों में उच्च विशिष्ट सामर्थ्य और उच्च विशिष्ट कठोरता जैसे उत्कृष्ट गुण होते हैं, और इनका व्यापक रूप से एयरोस्पेस, ऊर्जा प्रौद्योगिकी, नागरिक परिवहन और निर्माण में उपयोग किया जाता रहा है। मिश्रित सामग्रियों के प्रसंस्करण और उपयोग के दौरान, भार के तहत रेशों और मैट्रिक्स को विभिन्न स्तरों पर क्षति पहुँचती है। मिश्रित लेमिनेट की सामान्य विफलताओं में परतों के बीच की क्षति और परतों के भीतर की क्षति शामिल है। मोटाई की दिशा में सुदृढ़ीकरण के अभाव के कारण, लेमिनेट के पार्श्व यांत्रिक गुण खराब होते हैं, और बाहरी प्रभाव भार के तहत विघटन क्षति होने की अत्यधिक संभावना होती है। स्तरीकृत क्षति की घटना और विस्तार से संरचनात्मक कठोरता और शक्ति में कमी आएगी, और यहाँ तक कि भयावह दुर्घटनाएँ भी हो सकती हैं।^[1-3]इसलिए, संमिश्र सामग्रियों के संरचनात्मक डिजाइन और शक्ति विश्लेषण से विघटन की समस्या अधिक से अधिक चिंतित है, और संमिश्र सामग्रियों के स्तरित विस्तार व्यवहार का अध्ययन करना आवश्यक है^[4].

लैमिनेट के स्तरित विस्तार व्यवहार पर अनुसंधान
1. प्रायोगिक अध्ययन

इंटरलेमिनर फ्रैक्चर टफनेस मिश्रित परतों के बीच यांत्रिक गुणों का एक विशिष्ट पैरामीटर है। टाइप I, टाइप II और I/II हाइब्रिड यूनिडायरेक्शनल लैमिनेट की इंटरलेमिनर फ्रैक्चर टफनेस के निर्धारण के लिए संबंधित परीक्षण मानक स्थापित किए गए हैं। संबंधित परीक्षण उपकरण चित्र 1 में दिखाया गया है। हालाँकि, मिश्रित सामग्रियों के बहु-दिशात्मक लैमिनेट का उपयोग अक्सर वास्तविक इंजीनियरिंग संरचना में किया जाता है। इसलिए, बहु-दिशात्मक लैमिनेट के स्तरीकरण और विस्तार व्यवहार पर प्रायोगिक अध्ययन का सैद्धांतिक महत्व और इंजीनियरिंग मूल्य अधिक महत्वपूर्ण है। बहु-परत लैमिनेट परत की शुरुआत और विस्तार मनमाने लेयरिंग कोणों वाले इंटरफेस के बीच होता है, और स्तरित विस्तार व्यवहार यूनिडायरेक्शनल लैमिनेट से काफी अलग होता है, और विस्तार तंत्र अधिक जटिल होता है। शोधकर्ताओं ने बहु-दिशात्मक लैमिनेट पर अपेक्षाकृत कम प्रायोगिक अध्ययन किए हैं, शोध दल ने विभिन्न इंटरफेस लेअप कोणों के साथ विभिन्न प्रकार के मिश्रित लेमिनेट डिजाइन करने के लिए T700 और T800 कार्बन फाइबर का उपयोग किया, और स्थैतिक और थकान विघटन व्यवहार पर इंटरफेस लेअप कोण और फाइबर ब्रिजिंग के प्रभाव का अध्ययन किया। यह पाया गया है कि परत के अनुगामी किनारे द्वारा गठित फाइबर ब्रिजिंग का इंटरलेमिनर फ्रैक्चर टफनेस पर बहुत प्रभाव पड़ता है। जैसे-जैसे स्तरीकरण फैलता है, इंटरलेमिनर फ्रैक्चर टफनेस धीरे-धीरे कम प्रारंभिक मूल्य से बढ़ेगी, और जब स्तरीकरण एक निश्चित लंबाई तक पहुंच जाता है, तो यह एक स्थिर मूल्य तक पहुंच जाता है, अर्थात आर प्रतिरोध वक्र घटना। इंटरलेयर की प्रारंभिक फ्रैक्चर टफनेस लगभग बराबर और लगभग रेजिन की फ्रैक्चर टफनेस के बराबर होती है, जो मैट्रिक्स की फ्रैक्चर टफनेस पर निर्भर करती है^{[5, 6]}। हालाँकि, विभिन्न इंटरफेस के इंटरलेमिनर फ्रैक्चर टफनेस एक्सटेंशन मान बहुत भिन्न होते हैं। इंटरफेस परत कोण पर महत्वपूर्ण निर्भरता प्रस्तुत की गई है। इस निर्भरता के जवाब में, झाओ एट अल।^[5]स्तरीकृत प्रतिरोध स्रोत के भौतिक तंत्र के आधार पर, यह माना जाता है कि इंटरलेमिनर फ्रैक्चर टफनेस स्थिरता मूल्य में दो भाग होते हैं, एक भाग असंबंधित परत इंटरफेस का फ्रैक्चर कार्य है, और दूसरा भाग इंट्रालेयर क्षति और फाइबर है। ब्रिजिंग के कारण फ्रैक्चर का काम। स्तरित मोर्चे के तनाव सामने क्षेत्र के परिमित तत्व विश्लेषण के माध्यम से, यह पाया जाता है कि फ्रैक्चर कार्य का दूसरा भाग विघटन फ्रंट क्षति क्षेत्र की गहराई पर निर्भर करता है (जैसा कि चित्रा 3 में दिखाया गया है), और क्षति क्षेत्र की गहराई इंटरफ़ेस लेअप कोण के आनुपातिक है। इंटरफ़ेस परत कोण के साइनसोइडल फ़ंक्शन द्वारा व्यक्त I-प्रकार फ्रैक्चर टफनेस स्थिरता मूल्य का एक सैद्धांतिक मॉडल प्रस्तुत किया गया है।
गोंग एट अल.^[7]विभिन्न मिश्रण अनुपातों के अंतर्गत I/II संकर स्तरीकरण परीक्षण किया गया और पाया गया कि लेमिनेट में I/II संकर स्तरीकरण में भी महत्वपूर्ण R प्रतिरोध वक्र विशेषताएँ हैं। विभिन्न परीक्षण टुकड़ों के बीच फ्रैक्चर कठोरता के विश्लेषण से, यह पाया गया कि परीक्षण टुकड़े की इंटरलेमिनर फ्रैक्चर कठोरता का प्रारंभिक मान और स्थिर मान, मिश्रण अनुपात में वृद्धि के साथ उल्लेखनीय रूप से बढ़ जाता है। इसके अलावा, विभिन्न मिश्रण अनुपातों के अंतर्गत इंटरलेयर की प्रारंभिक और स्थिर फ्रैक्चर कठोरता को BK मानदंड द्वारा वर्णित किया जा सकता है।
थकान स्तरीकरण के संदर्भ में, परीक्षण के दौरान महत्वपूर्ण फाइबर ब्रिजिंग भी देखी गई। परीक्षण आँकड़ों के विश्लेषण से पता चला है कि मिश्रित सामग्री का थकान विघटन विस्तार "प्रतिरोध वक्र" से प्रभावित होता है, जिससे पारंपरिक थकान स्तरीकरण विस्तार दर मॉडल और सीमा मान अब लागू नहीं होते। सैद्धांतिक विश्लेषण के आधार पर, झांग और पेंग^[4,8,9]मिश्रित सामग्रियों के थकान-विघटन विस्तार के लिए आवश्यक ऊर्जा को व्यक्त करने हेतु थकान-विघटन विस्तार प्रतिरोध प्रस्तुत किया, और आगे मानकीकृत विकृति ऊर्जा का प्रस्ताव रखा। विमोचन दर थकान-स्तरीकृत विस्तार दर मॉडल और नियंत्रण मापदंडों का सीमा मान है। मॉडल और मानकीकृत सीमा पैरामीटर की प्रयोज्यता प्रयोगों द्वारा सत्यापित की गई है। इसके अलावा, झाओ एट अल.^[3]फाइबर ब्रिजिंग, प्रतिबल अनुपात और भार-मिश्रण अनुपात के थकान स्तरीकरण और विस्तार व्यवहार पर प्रभावों पर व्यापक रूप से विचार किया गया, और प्रतिबल अनुपात के प्रभाव को ध्यान में रखते हुए एक सामान्यीकृत थकान स्तरीकृत विस्तार दर मॉडल स्थापित किया गया। विभिन्न प्रतिबल अनुपातों और मिश्रण अनुपातों के साथ थकान स्तरीकरण परीक्षणों द्वारा मॉडल की सटीकता की पुष्टि की गई। सामान्यीकृत थकान स्तरीकृत विस्तार दर मॉडल में थकान स्तरीकृत विस्तार प्रतिरोध की भौतिक मात्रा के लिए, गोंग एट अल।^[1]गणना पद्धति की कमज़ोरियों को दूर करें जो प्रयोगों के माध्यम से केवल सीमित असतत डेटा बिंदु प्राप्त कर सकती है, और ऊर्जा के दृष्टिकोण से थकान को स्थापित करें। स्तरीकृत विस्तारित प्रतिरोध की गणना के लिए एक विश्लेषणात्मक मॉडल। यह मॉडल थकान स्तरीकरण और विस्तार प्रतिरोध के मात्रात्मक निर्धारण को साकार कर सकता है, और प्रस्तावित सामान्यीकृत थकान स्तरीकृत विस्तार दर मॉडल के अनुप्रयोग के लिए सैद्धांतिक समर्थन प्रदान करता है।

चित्र 1 स्तरीकृत परीक्षण उपकरण आरेख

चित्र 2 अंतर-परत फ्रैक्चर कठोरता R प्रतिरोध वक्र^[5]


चित्र 3 स्तरित अग्रणी किनारा क्षति क्षेत्र और स्तरीकृत विस्तारित आकारिकी^[5]

2. संख्यात्मक सिमुलेशन अध्ययन

स्तरित विस्तार का संख्यात्मक अनुकरण, मिश्रित संरचना डिज़ाइन के क्षेत्र में एक महत्वपूर्ण शोध सामग्री है। मिश्रित एकदिशीय लेमिनेट की विघटन विफलता की भविष्यवाणी करते समय, मौजूदा स्तरीकरण विस्तार मानदंड आमतौर पर मूल प्रदर्शन पैरामीटर के रूप में स्थिर इंटरलेमिनर फ्रैक्चर टफनेस का उपयोग करते हैं।^[10]दरार की नोक की ऊर्जा विमोचन दर और इंटरलेमिनर फ्रैक्चर टफनेस की तुलना करके। यह निर्धारित करने के लिए कि क्या परत का विस्तार हो रहा है, आकार का निर्धारण करें। बहु-दिशात्मक लेमिनेट की विफलता प्रक्रिया जटिल है।^[11,12], जो महत्वपूर्ण R प्रतिरोध वक्रों द्वारा विशेषता है^[5,13]मौजूदा स्तरित विस्तार मानदंड इस विशेषता को ध्यान में नहीं रखते हैं और फाइबर युक्त ब्रिज्ड मल्टीडायरेक्शनल लैमिनेट के विघटन व्यवहार के सिमुलेशन पर लागू नहीं होते हैं। गोंग एट अल।^{[10, 13]}मौजूदा स्तरीकृत विस्तार मानदंडों में सुधार किया और मानदंडों में R प्रतिरोध वक्र को शामिल करने का प्रस्ताव रखा, और इसके आधार पर, फाइबर ब्रिजिंग के प्रभावों को ध्यान में रखते हुए एक स्तरीकृत विस्तार मानदंड स्थापित किया। द्विरेखीय संघटक संसंजक इकाई की परिभाषा और उपयोग मापदंडों का संख्यात्मक विधियों द्वारा व्यवस्थित रूप से अध्ययन किया गया, जिसमें प्रारंभिक इंटरफ़ेस कठोरता, इंटरफ़ेस शक्ति, श्यानता गुणांक और संसंजक बल क्षेत्र में तत्वों की न्यूनतम संख्या शामिल थी। संबंधित संसंजक इकाई पैरामीटर मॉडल स्थापित किया गया। अंत में, बेहतर स्तरीकृत विस्तार मानदंड और संसंजक इकाई पैरामीटर मॉडल की प्रभावशीलता और प्रयोज्यता को स्थैतिक स्तरीकरण परीक्षण द्वारा सत्यापित किया गया। हालाँकि, बेहतर मानदंडों का उपयोग केवल स्थितिगत निर्भरताओं के कारण एक-आयामी स्तरित सिमुलेशन के लिए किया जा सकता है, न कि द्वि- या त्रि-आयामी पदानुक्रमित विस्तारों के लिए।^[14]संरचनात्मक संबंध सूक्ष्म दृष्टिकोण से स्तरित विस्तार की जटिल प्रक्रिया के अनुकूल है, और इसमें सरल मापदंडों और स्पष्ट भौतिक अर्थ के फायदे हैं।
इसके अलावा, बहु-दिशात्मक लेमिनेट की स्तरीकरण प्रक्रिया में सामान्य स्तरीकृत प्रवासन घटना का सटीक रूप से अनुकरण करने के लिए^[11,12], झाओ एट अल.^[11,12]विस्तारित परिमित तत्व पर आधारित एक दरार पथ मार्गदर्शन मॉडल प्रस्तावित किया गया है, जो एक विशेष डिज़ाइन का अनुकरण करता है। एक समग्र स्तरीकरण परीक्षण में पदानुक्रमित प्रवास। साथ ही, 90°/90° स्तरित इंटरफ़ेस के साथ ज़िगज़ैग स्तरित विस्तार व्यवहार के लिए एक स्तरित विस्तार मॉडल प्रस्तावित किया गया है, जो 90°/90° इंटरफ़ेस के स्तरित विस्तार व्यवहार का सटीक रूप से अनुकरण करता है।

चित्र 4 स्तरित प्रवास का संख्यात्मक अनुकरण और प्रयोगात्मक परिणाम^[15]

निष्कर्ष

यह पत्र कम्पोजिट लैमिनेट डिलेमिनेशन के क्षेत्र में इस समूह के शोध परिणामों पर केंद्रित है। प्रायोगिक पहलुओं में मुख्य रूप से इंटरफ़ेस लेअप कोण और फाइबर ब्रिजिंग का स्थैतिक और थकान डिलेमिनेशन विस्तार व्यवहार पर प्रभाव शामिल है। बड़ी संख्या में प्रायोगिक अध्ययनों के माध्यम से, यह पाया गया है कि मिश्रित सामग्रियों का बहु-दिशात्मक लैमिनेट विफलता तंत्र जटिल है। फाइबर ब्रिजिंग बहु-दिशात्मक लैमिनेट्स का एक सामान्य सख्त तंत्र है, जो इंटरलेमिनर फ्रैक्चर कठोरता के आर-प्रतिरोध वक्र का मुख्य कारण है। वर्तमान में, II स्तरीकरण के तहत आर प्रतिरोध वक्र अध्ययन अपेक्षाकृत कमज़ोर है और इस पर और शोध की आवश्यकता है। विफलता तंत्र से शुरू करते हुए, विभिन्न प्रभावित करने वाले कारकों सहित थकान स्तरीकरण मॉडल प्रस्तावित किया गया है, जो थकान स्तरीकरण अनुसंधान की एक दिशा है। संख्यात्मक सिमुलेशन के संदर्भ में, अनुसंधान समूह ने स्तरीकृत विस्तार व्यवहार पर फाइबर ब्रिजिंग के प्रभाव पर विचार करने के लिए एक बेहतर पदानुक्रमित विस्तार मानदंड और एक सुसंगत संवैधानिक मॉडल प्रस्तावित किया। इसके अलावा, पदानुक्रमित प्रवासन घटना को बेहतर ढंग से अनुकरण करने के लिए विस्तारित परिमित तत्व का उपयोग किया जाता है। यह विधि सूक्ष्म कोशिका विभाजन की आवश्यकता को समाप्त कर देती है, जिससे जाल पुनर्विभाजन से जुड़ी समस्याएँ दूर हो जाती हैं। मनमाने आकृतियों के स्तरीकरण का अनुकरण करने में इसके अनूठे लाभ हैं, और भविष्य में इस विधि के इंजीनियरिंग अनुप्रयोग पर और अधिक शोध की आवश्यकता है।^[16].

संदर्भ

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[13] वाई गोंग, एल झाओ, जे झांग, एन हू। मिश्रित बहुदिशात्मक लेमिनेट में बड़े पैमाने पर फाइबर ब्रिजिंग के प्रभाव से विघटन प्रसार के लिए एक बेहतर शक्ति कानून मानदंड। कंपोज़ स्ट्रक्चर 2018; 184: 961-8।
[14] वाई गोंग, वाई होउ, एल झाओ, डब्ल्यू ली, जी यांग, जे झांग, एन हू। फाइबर ब्रिजिंग के प्रभाव से डीसीबी लेमिनेट्स में विघटन वृद्धि के लिए एक नया त्रि-रेखीय संसक्त क्षेत्र मॉडल। कंपोज़ स्ट्रक्चर 2019। (प्रस्तुत किया जाना है)
[15] एल झाओ, जे ज़ी, जे झांग, जेड लियू, एन हू. कम्पोजिट लेमिनेट में डिलेमिनेशन का एक्सएफईएम सिमुलेशन. कम्पोजिट्स पार्ट ए: एप्लाइड साइंस एंड मैन्युफैक्चरिंग 2016; 80: 61-71.
[16] झाओ लिबिन, गोंग यू, झांग जियान्यु। फाइबर प्रबलित मिश्रित लेमिनेट के स्तरीकृत विस्तार व्यवहार पर अनुसंधान प्रगति। जर्नल ऑफ एरोनॉटिकल साइंसेज 2019: 1-28।

स्रोत:गोंग यू, वांग याना, पेंग लेई, झाओ लिबिन, झांग जियान्यु। उन्नत कार्बन फाइबर प्रबलित मिश्रित लेमिनेट के स्तरीकृत विस्तार व्यवहार पर अध्ययन [सी]। यांत्रिकी और इंजीनियरिंग - संख्यात्मक संगणना और डेटा विश्लेषण 2019 शैक्षणिक सम्मेलन। चीनी यांत्रिकी सोसायटी, बीजिंग यांत्रिकी सोसायटी, 2019। के जरिए इक्सुएशु