Studi Perilaku Ekspansi Berlapis pada Lembaran Laminasi Komposit Bertulang Serat Karbon Canggih

MEKANIKA DAN TEKNIK - Komputasi Numerik dan Analisis Data
Mekanika dan Teknik — Perhitungan Numerik dan Analisis Data Konferensi Akademik 2019, 19-21 April 2019, Beijing
19-21 April 2019, Beijing, Tiongkok

Studi Perilaku Ekspansi Berlapis pada Lembaran Laminasi Komposit Bertulang Serat Karbon Canggih

Gong Yu^1*, Wang Yana², Peng Lei³, Zhao Libin⁴, Zhang Jianyu¹

¹Universitas Chongqing, Chongqing, 400044, Tiongkok
²Institut Penelitian Penerbangan Tiongkok, Institut Penelitian Material Aeronautika Beijing, Beijing, 100095, Tiongkok
³Pusat Penelitian Teknologi Pesawat Sipil Beijing, Beijing, 102211, Tiongkok
⁴Universitas Aeronautika dan Astronautika Beijing, Beijing, 100191, Tiongkok

AbstrakStruktur laminasi merupakan salah satu konfigurasi komposit yang paling umum digunakan, tetapi delaminasi menjadi modus kegagalan utamanya karena sifat interlaminarnya yang lemah. Penelitian tentang stratifikasi dan perilaku ekspansi laminasi multi-lapis yang umum digunakan dalam praktik rekayasa selalu menjadi topik hangat bagi para akademisi. Dalam makalah ini, hasil penelitian delaminasi komposit yang diperkuat serat karbon di Laboratorium Fraktur Lelah Universitas Chongqing dan Universitas Aeronautika dan Astronautika Beijing diperkenalkan dari dua aspek, yaitu penelitian eksperimental dan simulasi numerik. Selanjutnya, arah pengembangan bidang ini dikaji.

Kata kunci:komposit yang diperkuat serat karbon, laminasi, delaminasi, stratifikasi kelelahan

perkenalan

Material komposit memiliki sifat-sifat unggul seperti kekuatan spesifik dan kekakuan spesifik yang tinggi, dan telah banyak digunakan dalam bidang kedirgantaraan, teknologi energi, serta transportasi dan konstruksi sipil. Selama pemrosesan dan penggunaan material komposit, serat dan matriks akan mengalami tingkat kerusakan yang berbeda-beda di bawah beban. Mode kegagalan yang umum terjadi pada laminasi komposit meliputi kerusakan interlayer dan kerusakan di dalam lapisan. Karena kurangnya penguatan pada arah ketebalan, sifat mekanis lateral laminasi menjadi buruk, dan kerusakan delaminasi sangat mungkin terjadi di bawah beban impak eksternal. Terjadinya dan meluasnya kerusakan berlapis akan menyebabkan penurunan kekakuan dan kekuatan struktural, bahkan dapat menyebabkan kecelakaan fatal.^[1-3]Oleh karena itu, masalah delaminasi semakin banyak diperhatikan oleh desain struktural dan analisis kekuatan material komposit, dan perlu untuk mempelajari perilaku ekspansi berlapis material komposit.^[4].

Penelitian tentang perilaku ekspansi berlapis laminasi
1. Studi eksperimental

Ketangguhan fraktur interlaminar merupakan parameter karakteristik sifat mekanis antar lapisan komposit. Standar uji yang sesuai telah ditetapkan untuk penentuan ketangguhan fraktur interlaminar laminasi unidirectional hibrida Tipe I, Tipe II, dan I/II. Peralatan uji yang sesuai ditunjukkan pada Gambar 1. Namun, laminasi multiarah pada material komposit seringkali digunakan dalam struktur rekayasa aktual. Oleh karena itu, studi eksperimental tentang perilaku stratifikasi dan ekspansi laminasi multiarah memiliki signifikansi teoretis dan nilai rekayasa yang lebih penting. Inisiasi dan ekspansi lapisan laminasi multi-lapis terjadi di antara antarmuka dengan sudut pelapisan yang berubah-ubah, dan perilaku ekspansi berlapis secara signifikan berbeda dari laminasi unidirectional, serta mekanisme ekspansinya lebih rumit. Para peneliti memiliki relatif sedikit studi eksperimental tentang laminasi multiarah, dan penentuan ketangguhan fraktur interlaminar belum menetapkan standar internasional. Tim peneliti menggunakan serat karbon T700 dan T800 untuk merancang berbagai laminasi komposit dengan sudut layup antarmuka yang berbeda, dan mempelajari pengaruh sudut layup antarmuka dan penjembatanan serat terhadap perilaku delaminasi statis dan fatik. Telah ditemukan bahwa jembatan serat yang dibentuk oleh tepi belakang lapisan memiliki pengaruh yang besar terhadap ketangguhan patah antarlapisan. Seiring dengan perluasan stratifikasi, ketangguhan patah antarlapisan akan meningkat secara bertahap dari nilai awal yang lebih rendah, dan ketika stratifikasi mencapai panjang tertentu, akan mencapai nilai yang stabil, yaitu fenomena kurva resistansi R. Ketangguhan patah awal antarlapisan hampir sama dan kurang lebih sama dengan ketangguhan patah resin, yang bergantung pada ketangguhan patah matriks itu sendiri.^{[5, 6]}Namun, nilai perpanjangan ketangguhan fraktur interlaminar dari berbagai antarmuka sangat bervariasi. Ketergantungan sudut lapisan antarmuka yang signifikan ditunjukkan. Menanggapi ketergantungan ini, Zhao dkk.^[5]Berdasarkan mekanisme fisik sumber resistensi berlapis, dianggap bahwa nilai stabilitas ketangguhan fraktur interlaminar terdiri dari dua bagian, satu bagian adalah kerja fraktur antarmuka lapisan yang tidak terkait, dan bagian lainnya adalah kerusakan intralayer dan serat. Kerja fraktur disebabkan oleh penjembatanan. Melalui analisis elemen hingga medan depan tegangan dari depan berlapis, ditemukan bahwa bagian kedua dari kerja fraktur tergantung pada kedalaman zona kerusakan depan delaminasi (seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3), dan kedalaman zona kerusakan sebanding dengan sudut layup antarmuka. Model teoritis dari nilai stabilitas ketangguhan fraktur tipe-I yang dinyatakan oleh fungsi sinusoidal dari sudut lapisan antarmuka disajikan.
Gong dkk.^[7]Uji stratifikasi hibrida I/II dilakukan dengan rasio pencampuran yang berbeda, dan ditemukan bahwa stratifikasi hibrida I/II pada laminasi juga memiliki karakteristik kurva resistansi R yang signifikan. Melalui analisis ketangguhan patah antar benda uji yang berbeda, ditemukan bahwa nilai awal dan nilai stabil ketangguhan patah interlaminar benda uji meningkat secara signifikan seiring dengan peningkatan rasio pencampuran. Selain itu, ketangguhan patah awal dan stabil interlayer pada rasio pencampuran yang berbeda dapat dijelaskan dengan kriteria BK.
Dalam hal stratifikasi fatik, penjembatanan serat yang signifikan juga diamati selama pengujian. Melalui analisis data uji, ditemukan bahwa ekspansi delaminasi fatik material komposit dipengaruhi oleh "kurva resistansi", sehingga model laju ekspansi stratifikasi fatik tradisional dan nilai ambang batas tidak lagi berlaku. Berdasarkan analisis teoritis, Zhang dan Peng^[4,8,9]memperkenalkan resistansi ekspansi delaminasi fatik untuk menyatakan energi yang dibutuhkan untuk ekspansi delaminasi fatik material komposit, dan selanjutnya mengusulkan energi regangan ternormalisasi. Laju pelepasan adalah model laju ekspansi stratifikasi fatik dan nilai ambang batas parameter kontrol. Penerapan model dan parameter ambang batas ternormalisasi diverifikasi melalui eksperimen. Lebih lanjut, Zhao dkk.^[3]mempertimbangkan secara komprehensif pengaruh penjembatanan serat, rasio tegangan, dan rasio beban-pencampuran terhadap perilaku stratifikasi fatik dan ekspansi, serta membentuk model laju ekspansi stratifikasi fatik yang dinormalisasi dengan mempertimbangkan pengaruh rasio tegangan. Akurasi model diverifikasi melalui uji stratifikasi fatik dengan rasio tegangan dan rasio pencampuran yang berbeda. Untuk kuantitas fisik ketahanan ekspansi stratifikasi fatik dalam model laju ekspansi stratifikasi fatik yang dinormalisasi, Gong dkk.^[1]Mengatasi kelemahan metode perhitungan yang hanya dapat memperoleh titik data diskrit terbatas melalui eksperimen, dan menetapkan kelelahan dari sudut pandang energi. Sebuah model analitis untuk perhitungan resistansi ekstensi berlapis. Model ini dapat mewujudkan penentuan kuantitatif stratifikasi kelelahan dan resistansi ekspansi, dan memberikan dukungan teoretis untuk penerapan model laju ekspansi stratifikasi kelelahan ternormalisasi yang diusulkan.

Gambar 1 diagram perangkat uji berlapis

Gambar 2 Kurva ketahanan fraktur antar lapisan R^[5]


Gambar 3 Zona kerusakan tepi depan berlapis dan morfologi meluas berlapis^[5]

2. Studi simulasi numerik

Simulasi numerik ekspansi berlapis merupakan konten penelitian penting dalam bidang desain struktur komposit. Saat memprediksi kegagalan delaminasi laminasi komposit searah, kriteria ekspansi stratifikasi yang ada biasanya menggunakan ketangguhan fraktur interlaminar konstan sebagai parameter kinerja dasar.^[10], dengan membandingkan laju pelepasan energi ujung retak dan ketangguhan fraktur interlaminar. Ukuran untuk menentukan apakah lapisan tersebut mengembang. Mekanisme kegagalan laminasi multiarah bersifat kompleks.^[11,12], yang ditandai dengan kurva resistansi R yang signifikan^[5,13]Kriteria ekspansi berlapis yang ada tidak memperhitungkan fitur ini dan tidak berlaku untuk simulasi perilaku delaminasi laminasi multiarah berjembatan yang mengandung serat. Gong dkk.^{[10, 13]}menyempurnakan kriteria ekspansi berlapis yang ada dan mengusulkan untuk memasukkan kurva resistansi R ke dalam kriteria tersebut, dan berdasarkan hal ini, menetapkan kriteria ekspansi berlapis dengan mempertimbangkan efek penjembatanan serat. Definisi dan parameter penggunaan unit kohesif konstitutif bilinear dipelajari secara sistematis dengan metode numerik, termasuk kekakuan antarmuka awal, kekuatan antarmuka, koefisien viskositas, dan jumlah minimum elemen dalam zona gaya kohesif. Model parameter unit kohesif yang sesuai pun ditetapkan. Akhirnya, efektivitas dan penerapan kriteria ekspansi berlapis dan model parameter unit kohesif yang telah disempurnakan diverifikasi melalui uji stratifikasi statis. Namun, kriteria yang disempurnakan ini hanya dapat digunakan untuk simulasi berlapis satu dimensi karena ketergantungan posisi, dan bukan untuk ekstensi hierarkis dua atau tiga dimensi. Untuk menyelesaikan masalah ini, penulis selanjutnya mengusulkan konstitutif gaya kohesif trilinear baru dengan mempertimbangkan penjembatanan serat.^[14]Hubungan konstitutif ini sesuai dengan proses kompleks ekspansi berlapis dari perspektif mikroskopis, dan memiliki keunggulan parameter sederhana serta makna fisik yang jelas.
Selain itu, untuk mensimulasikan secara akurat fenomena migrasi berlapis yang umum dalam proses stratifikasi laminasi multi arah^[11,12], Zhao dkk.^[11,12]mengusulkan model panduan jalur retakan berdasarkan elemen hingga yang diperluas, yang mensimulasikan desain khusus. Migrasi hierarkis dalam uji stratifikasi komposit. Pada saat yang sama, model ekspansi berlapis diusulkan untuk perilaku ekspansi berlapis zigzag di sepanjang antarmuka berlapis 90°/90°, yang secara akurat mensimulasikan perilaku ekspansi berlapis pada antarmuka 90°/90°.

Gambar 4 Simulasi numerik migrasi berlapis dan hasil eksperimen^[15]

Kesimpulan

Makalah ini berfokus pada hasil penelitian kelompok ini di bidang delaminasi laminasi komposit. Aspek eksperimental terutama mencakup pengaruh sudut layup antarmuka dan penjembatan serat terhadap perilaku ekspansi delaminasi statis dan fatik. Melalui sejumlah besar studi eksperimental, ditemukan bahwa mekanisme kegagalan laminasi multiarah pada material komposit cukup rumit. Penjembatan serat merupakan mekanisme penguatan umum pada laminasi multiarah, yang merupakan penyebab utama kurva resistansi-R pada ketangguhan fraktur interlaminar. Saat ini, studi kurva resistansi-R pada stratifikasi II relatif kurang dan membutuhkan penelitian lebih lanjut. Berangkat dari mekanisme kegagalan, model stratifikasi fatik yang mencakup berbagai faktor yang memengaruhi diusulkan, yang merupakan arah penelitian stratifikasi fatik. Dalam hal simulasi numerik, kelompok penelitian ini mengusulkan kriteria ekspansi hierarkis yang lebih baik dan model konstitutif kohesif untuk mempertimbangkan pengaruh penjembatan serat terhadap perilaku ekspansi terstratifikasi. Selain itu, elemen hingga yang diperluas digunakan untuk mensimulasikan fenomena migrasi hierarkis dengan lebih baik. Metode ini menghilangkan kebutuhan akan pembelahan sel yang halus, sehingga menghilangkan masalah yang terkait dengan pembagian ulang mesh. Metode ini memiliki keunggulan unik dalam mensimulasikan stratifikasi bentuk acak, dan penelitian aplikasi rekayasa lebih lanjut untuk metode ini diperlukan di masa mendatang.^[16].

Referensi

[1] Y Gong, L Zhao, J Zhang, N Hu. Model baru untuk menentukan ketahanan delaminasi kelelahan pada laminasi komposit dari sudut pandang energi. Compos Sci Technol 2018; 167: 489-96.
[2] L Zhao, Y Wang, J Zhang, Y Gong, N Hu, N Li. Model berbasis XFEM untuk simulasi pertumbuhan delaminasi zigzag pada komposit laminasi di bawah pembebanan mode I. Compos Struct 2017; 160: 1155-62.
[3] L Zhao, Y Gong, J Zhang, Y Wang, Z Lu, L Peng, N Hu. Interpretasi baru perilaku pertumbuhan delaminasi kelelahan pada laminasi multiarah CFRP. Compos Sci Technol 2016; 133: 79-88.
[4] L Peng, J Zhang, L Zhao, R Bao, H Yang, B Fei. Pertumbuhan delaminasi mode I pada laminasi komposit multi arah di bawah beban kelelahan. J Compos Mater 2011; 45: 1077-90.
[5] L Zhao, Y Wang, J Zhang, Y Gong, Z Lu, N Hu, J Xu. Model ketangguhan fraktur plateau yang bergantung pada antarmuka pada laminasi CFRP multiarah di bawah pembebanan mode I. Komposit Bagian B: Teknik 2017; 131: 196-208.
[6] L Zhao, Y Gong, J Zhang, Y Chen, B Fei. Simulasi pertumbuhan delaminasi pada laminasi multiarah di bawah mode I dan mode campuran I/II menggunakan elemen kohesif. Compos Struct 2014; 116: 509-22.
[7] Y Gong, B Zhang, L Zhao, J Zhang, N Hu, C Zhang. Perilaku kurva-R dari delaminasi I/II mode campuran pada laminasi karbon/epoksi dengan antarmuka searah dan multiarah. Compos Struct 2019. (Dalam Tinjauan).
[8] L Peng, J Xu, J Zhang, L Zhao. Pertumbuhan delaminasi mode campuran dari laminasi komposit multiarah di bawah beban kelelahan. Eng Fract Mech 2012; 96: 676-86.
[9] J Zhang, L Peng, L Zhao, B Fei. Tingkat pertumbuhan delaminasi kelelahan dan ambang batas laminasi komposit di bawah pembebanan mode campuran. Int J Fatigue 2012; 40: 7-15.
[10] Y Gong, L Zhao, J Zhang, Y Wang, N Hu. Kriteria perambatan delaminasi termasuk efek penjembatanan serat untuk delaminasi mode campuran I/II pada laminasi multiarah CFRP. Compos Sci Technol 2017; 151: 302-9.
[11] Y Gong, B Zhang, SR Hallett. Migrasi delaminasi pada laminasi komposit multiarah di bawah mode I kuasi-statis dan pembebanan kelelahan. Compos Struct 2018; 189: 160-76.
[12] Y Gong, B Zhang, S Mukhopadhyay, SR Hallett. Studi eksperimental tentang migrasi delaminasi pada laminasi multiarah di bawah mode II beban statis dan lelah, dengan perbandingan dengan mode I. Compos Struct 2018; 201: 683-98.
[13] Y Gong, L Zhao, J Zhang, N Hu. Kriteria hukum daya yang ditingkatkan untuk perambatan delaminasi dengan efek penjembatanan serat skala besar dalam laminasi multiarah komposit. Compos Struct 2018; 184: 961-8.
[14] Y Gong, Y Hou, L Zhao, W Li, G Yang, J Zhang, N Hu. Model zona kohesif tiga-linier baru untuk pertumbuhan delaminasi pada laminasi DCB dengan efek penjembatanan serat. Compos Struct 2019. (Akan diserahkan)
[15] L Zhao, J Zhi, J Zhang, Z Liu, N Hu. Simulasi XFEM delaminasi pada laminasi komposit. Komposit Bagian A: Sains Terapan dan Manufaktur 2016; 80: 61-71.
[16] Zhao Libin, Gong Yu, Zhang Jianyu. Kemajuan penelitian tentang perilaku ekspansi berlapis pada laminasi komposit yang diperkuat serat. Jurnal Ilmu Aeronautika 2019: 1-28.

Sumber:Gong Yu, Wang Yana, Peng Lei, Zhao Libin, Zhang Jianyu. Studi tentang perilaku ekspansi berlapis pada laminasi komposit yang diperkuat serat karbon canggih [C]. Mekanika dan Teknik - Komputasi Numerik dan Analisis Data, Konferensi Akademik 2019. Perhimpunan Mekanika Tiongkok, Perhimpunan Mekanika Beijing, 2019. melalui ixueshu