Badanie zachowania się warstw rozszerzalności zaawansowanych laminatów kompozytowych wzmacnianych włóknem węglowym

MECHANIKA I INŻYNIERIA - Obliczenia numeryczne i analiza danych
Mechanika i Inżynieria — Obliczenia Numeryczne i Analiza Danych 2019 Konferencja Akademicka, 19-21 kwietnia 2019 r., Pekin
19-21 kwietnia 2019 r., Pekin, Chiny

Badanie zachowania się warstw rozszerzalności zaawansowanych laminatów kompozytowych wzmacnianych włóknem węglowym

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

¹Uniwersytet Chongqing, Chongqing, 400044, Chiny
²Chiński Instytut Badań Lotniczych Pekiński Instytut Badań Materiałów Lotniczych, Pekin, 100095, Chiny
³Chińskie samoloty komercyjne Centrum Badań Technologii Lotnictwa Cywilnego w Pekinie, Pekin, 102211, Chiny
⁴Uniwersytet Lotnictwa i Astronautyki w Pekinie, Pekin, 100191, Chiny

AbstrakcyjnyStruktura laminatu jest jedną z najczęściej stosowanych konfiguracji kompozytów, ale delaminacja staje się jej główną przyczyną uszkodzeń ze względu na słabe właściwości międzywarstwowe. Badania nad rozwarstwieniem i rozszerzalnością laminatów wielowarstwowych, powszechnie stosowane w praktyce inżynierskiej, zawsze były gorącym tematem dla naukowców. W niniejszym artykule przedstawiono wyniki badań nad delaminacją kompozytów wzmacnianych włóknem węglowym, przeprowadzonych w Laboratorium Pękania Zmęczeniowego Uniwersytetu Lotnictwa i Astronautyki w Pekinie, z dwóch punktów widzenia – badań eksperymentalnych i symulacji numerycznych. Na koniec przedstawiono prognozowany kierunek rozwoju tej dziedziny.

Słowa kluczowe:kompozyt wzmocniony włóknem węglowym, laminat, rozwarstwienie, rozwarstwienie zmęczeniowe

wstęp

Materiały kompozytowe charakteryzują się doskonałymi właściwościami, takimi jak wysoka wytrzymałość właściwa i sztywność właściwa, i są szeroko stosowane w przemyśle lotniczym, energetycznym, transporcie cywilnym i budownictwie. Podczas przetwarzania i użytkowania materiałów kompozytowych włókna i matryca ulegają różnym stopniom uszkodzeń pod wpływem obciążenia. Typowe przyczyny uszkodzeń laminatów kompozytowych obejmują uszkodzenia międzywarstwowe i uszkodzenia wewnątrzwarstwowe. Ze względu na brak wzmocnienia w kierunku grubości, boczne właściwości mechaniczne laminatu są słabe, a uszkodzenia delaminacyjne są wysoce prawdopodobne pod wpływem zewnętrznych obciążeń udarowych. Występowanie i rozszerzanie się uszkodzeń warstwowych prowadzi do zmniejszenia sztywności i wytrzymałości konstrukcji, a nawet do katastrofalnych wypadków.^[1-3]W związku z tym problem rozwarstwienia jest coraz częściej poruszany w analizie konstrukcji i wytrzymałości materiałów kompozytowych, a także konieczne jest badanie zachowania się materiałów kompozytowych podczas rozszerzania warstw.^[4].

Badania nad zachowaniem się laminatu podczas rozszerzania warstw
1. Badanie eksperymentalne

Wytrzymałość na pękanie międzywarstwowe jest charakterystycznym parametrem właściwości mechanicznych między warstwami kompozytu. Ustanowiono odpowiednie normy testowe do określania odporności na pękanie międzywarstwowe laminatów jednokierunkowych typu I, typu II i hybrydowych I/II. Odpowiedni aparat testowy przedstawiono na rysunku 1. Jednakże, laminaty wielokierunkowe z materiałów kompozytowych są często wykorzystywane w rzeczywistych konstrukcjach inżynierskich. Dlatego badania eksperymentalne nad rozwarstwianiem i rozszerzaniem się laminatów wielokierunkowych mają większe znaczenie teoretyczne i wartość inżynierską. Inicjacja i rozszerzanie się warstw laminatów wielowarstwowych zachodzą między powierzchniami styku o dowolnych kątach nachylenia warstw, a rozszerzanie się warstw znacząco różni się od rozszerzania się laminatów jednokierunkowych, a mechanizm rozszerzania jest bardziej skomplikowany. Naukowcy przeprowadzili stosunkowo niewiele badań eksperymentalnych nad laminatami wielokierunkowymi, a określanie odporności na pękanie międzywarstwowe nie doczekało się jeszcze międzynarodowej normy. Zespół badawczy wykorzystał włókno węglowe T700 i T800 do zaprojektowania różnorodnych laminatów kompozytowych o różnych kątach ułożenia warstw, a także zbadał wpływ kąta ułożenia warstw i mostkowania włókien na zachowanie się delaminacji statycznej i zmęczeniowej. Stwierdzono, że mostkowanie włókien utworzone przez tylną krawędź warstwy ma duży wpływ na międzywarstwową odporność na pękanie. Wraz z rozszerzaniem się rozwarstwienia, międzywarstwowa odporność na pękanie będzie stopniowo wzrastać od niższej wartości początkowej, a po osiągnięciu określonej długości osiągnie wartość stabilną, czyli zjawisko krzywej oporu R. Początkowa odporność na pękanie międzywarstwy jest niemal równa, a w przybliżeniu równa, odporności na pękanie żywicy, która zależy od odporności na pękanie samej osnowy.^{[5, 6]}. Jednakże wartości wydłużenia międzywarstwowej odporności na pękanie różnią się znacznie między różnymi interfejsami. Przedstawiono istotną zależność kąta międzywarstwowego. W odpowiedzi na tę zależność Zhao i in.^[5]Na podstawie fizycznego mechanizmu warstwowego źródła oporu, przyjmuje się, że wartość stabilności odporności na pękanie międzywarstwowe składa się z dwóch części, jedna część to praca pękania interfejsu warstwy niezależnej, a druga część to uszkodzenie wewnątrzwarstwowe i włókno. Praca pękania spowodowana mostkowaniem. Poprzez analizę elementów skończonych pola frontu naprężeń frontu warstwowego, stwierdzono, że druga część pracy pękania zależy od głębokości strefy uszkodzenia frontu rozwarstwienia (jak pokazano na rysunku 3), a głębokość strefy uszkodzenia jest proporcjonalna do kąta ułożenia warstw interfejsu. Przedstawiono teoretyczny model wartości stabilności odporności na pękanie typu I wyrażony funkcją sinusoidalną kąta warstwy interfejsu.
Gong i wsp.^[7]Przeprowadzono test hybrydowego rozwarstwienia I/II przy różnych proporcjach mieszania i stwierdzono, że hybrydowe rozwarstwienie I/II w laminacie również wykazuje istotne charakterystyki krzywej oporu R. Analiza odporności na pękanie pomiędzy różnymi próbkami wykazała, że wartość początkowa i stabilna międzywarstwowej odporności na pękanie próbki znacząco wzrasta wraz ze wzrostem proporcji mieszania. Ponadto, początkową i stabilną odporność na pękanie międzywarstwy przy różnych proporcjach mieszania można opisać kryterium BK.
W odniesieniu do rozwarstwienia zmęczeniowego, podczas testu zaobserwowano również znaczące mostkowanie włókien. Analiza danych testowych wykazała, że na rozwarstwienie zmęczeniowe materiału kompozytowego wpływa „krzywa oporu”, co oznacza, że tradycyjny model szybkości rozwarstwienia zmęczeniowego i wartość progowa nie mają już zastosowania. Na podstawie analizy teoretycznej Zhang i Peng^[4,8,9]Wprowadzono odporność na rozwarstwienie zmęczeniowe, aby wyrazić energię potrzebną do rozwarstwienia zmęczeniowego materiałów kompozytowych, a następnie zaproponowano znormalizowaną energię odkształcenia. Szybkość uwalniania jest modelem rozwarstwienia zmęczeniowego i wartością progową parametrów kontrolnych. Stosowalność modelu i znormalizowanego parametru progowego została potwierdzona eksperymentalnie. Ponadto, Zhao i in.^[3]Kompleksowo uwzględniono wpływ mostkowania włókien, współczynnika naprężenia i stosunku obciążenia do mieszania na rozwarstwienie zmęczeniowe i zachowanie rozszerzalności, a także opracowano znormalizowany model rozwarstwienia zmęczeniowego, uwzględniający wpływ współczynnika naprężenia. Dokładność modelu została zweryfikowana za pomocą testów rozwarstwienia zmęczeniowego przy różnych współczynnikach naprężenia i proporcjach mieszania. W odniesieniu do fizycznej wielkości zmęczeniowego oporu rozszerzalnościowego w znormalizowanym modelu rozwarstwienia zmęczeniowego, Gong i in.^[1]przezwyciężyć słabość metody obliczeniowej, która pozwala uzyskać jedynie ograniczone, dyskretne punkty danych za pomocą eksperymentów, oraz określić zmęczenie z punktu widzenia energii. Model analityczny do obliczania rozwarstwionej wytrzymałości na rozciąganie. Model ten umożliwia ilościowe określenie rozwarstwienia zmęczeniowego i wytrzymałości na rozszerzanie oraz zapewnia teoretyczne wsparcie dla zastosowania proponowanego znormalizowanego modelu rozwarstwionej wytrzymałości zmęczeniowej.

Rysunek 1 przedstawia schemat warstwowego urządzenia testowego

Rysunek 2 Krzywa odporności na pękanie międzywarstwowe R^[5]


Rysunek 3. Warstwowa strefa uszkodzeń krawędzi natarcia i rozwarstwiona rozszerzona morfologia^[5]

2. Badanie symulacji numerycznej

Numeryczna symulacja rozszerzalności warstwowej stanowi istotny element badań w dziedzinie projektowania struktur kompozytowych. Przy prognozowaniu rozwarstwienia jednokierunkowych laminatów kompozytowych, istniejące kryteria rozszerzalności warstwowej zazwyczaj wykorzystują stałą międzywarstwową wytrzymałość na pękanie jako podstawowy parametr wydajności.^[10], porównując szybkość uwalniania energii z wierzchołka pęknięcia i międzywarstwową wytrzymałość na pękanie. Rozmiar, aby określić, czy warstwowanie się rozszerza. Mechanizm uszkodzenia laminatów wielokierunkowych jest złożony.^[11,12], który charakteryzuje się znaczącymi krzywymi oporu R^[5,13]Istniejące kryteria rozszerzalności warstwowej nie uwzględniają tej cechy i nie mają zastosowania do symulacji zachowania się rozwarstwienia w mostkowanych laminatach wielokierunkowych zawierających włókna. Gong i in.^{[10, 13]}Ulepszono istniejące kryteria rozprężania warstwowego i zaproponowano wprowadzenie do nich krzywej oporu R, a na tej podstawie ustanowiono kryterium rozprężania warstwowego uwzględniające wpływ mostkowania włókien. Definicję i parametry użytkowe dwuliniowej konstytutywnej jednostki spójności systematycznie badano metodami numerycznymi, w tym początkową sztywność interfejsu, wytrzymałość interfejsu, współczynnik lepkości oraz minimalną liczbę elementów w strefie siły spójności. Opracowano odpowiadający model parametrów jednostki spójności. Na koniec, skuteczność i stosowalność ulepszonego kryterium rozprężania warstwowego i modelu parametrów jednostki spójności zostały zweryfikowane za pomocą statycznego testu stratyfikacji. Jednakże, ulepszone kryteria mogą być stosowane tylko w jednowymiarowych symulacjach warstwowych ze względu na zależności pozycyjne, a nie w dwu- lub trójwymiarowych rozszerzeniach hierarchicznych. Aby rozwiązać ten problem, autor zaproponował ponadto nową trójliniową konstytutywną siłę spójności uwzględniającą mostkowanie włókien.^[14]. Konstytutywna relacja wpisuje się w złożony proces ekspansji warstwowej z mikroskopowego punktu widzenia i ma zalety prostych parametrów i jasnego znaczenia fizycznego.
Ponadto, w celu dokładnego symulowania zjawiska migracji warstwowej, powszechnego w procesie warstwowania laminatów wielokierunkowych,^[11,12], Zhao i wsp.^[11,12]Zaproponowano model prowadzenia ścieżki pęknięcia oparty na rozszerzonej metodzie elementów skończonych, symulujący specjalną konstrukcję. Hierarchiczna migracja w teście stratyfikacji kompozytu. Jednocześnie zaproponowano model ekspansji warstwowej dla zygzakowatego zachowania rozszerzalności warstwowej wzdłuż interfejsu warstwowego 90°/90°, który dokładnie symuluje zachowanie rozszerzalności warstwowej interfejsu 90°/90°.

Rysunek 4. Symulacja numeryczna migracji warstwowej i wyniki eksperymentów^[15]

Wniosek

Niniejszy artykuł koncentruje się na wynikach badań tej grupy w dziedzinie delaminacji laminatów kompozytowych. Aspekty eksperymentalne obejmują głównie wpływ kąta ułożenia włókien i mostkowania włókien na zachowanie się rozwarstwienia statycznego i zmęczeniowego. W wyniku licznych badań eksperymentalnych stwierdzono, że mechanizm wielokierunkowego uszkodzenia laminatu jest skomplikowany. Mostkowanie włókien jest powszechnym mechanizmem hartowania laminatów wielokierunkowych, co jest główną przyczyną krzywej odporności na pękanie międzywarstwowe o współczynniku R. Obecnie badania krzywej odporności na pękanie o współczynniku R w warstwowaniu II są stosunkowo niewystarczające i wymagają dalszych badań. Wychodząc od mechanizmu uszkodzenia, zaproponowano model stratyfikacji zmęczeniowej, uwzględniający różne czynniki wpływające, co stanowi kierunek badań nad stratyfikacjami zmęczeniowymi. W zakresie symulacji numerycznej grupa badawcza zaproponowała ulepszone kryterium ekspansji hierarchicznej oraz spójny model konstytutywny, aby uwzględnić wpływ mostkowania włókien na zachowanie się rozwarstwienia. Ponadto, rozszerzony model elementów skończonych został wykorzystany do lepszej symulacji zjawiska migracji hierarchicznej. Ta metoda eliminuje konieczność precyzyjnego podziału komórek, eliminując problemy związane z ponownym podziałem siatki. Ma ona unikalne zalety w symulowaniu stratyfikacji dowolnych kształtów, a w przyszłości konieczne będą dalsze badania inżynieryjne nad jej zastosowaniem.^[16].

Odniesienia

[1] Y Gong, L Zhao, J Zhang, N Hu. Nowy model określania odporności na rozwarstwienie zmęczeniowe w laminatach kompozytowych z punktu widzenia energii. Compos Sci Technol 2018; 167: 489-96.
[2] L Zhao, Y Wang, J Zhang, Y Gong, N Hu, N Li. Model oparty na XFEM do symulacji wzrostu delaminacji zygzakowatej w kompozytach laminowanych przy obciążeniu trybu I. Compos Struct 2017; 160: 1155-62.
[3] L Zhao, Y Gong, J Zhang, Y Wang, Z Lu, L Peng, N Hu. Nowa interpretacja zachowania się rozwarstwienia zmęczeniowego w wielokierunkowych laminatach CFRP. Compos Sci Technol 2016; 133: 79-88.
[4] L Peng, J Zhang, L Zhao, R Bao, H Yang, B Fei. Wzrost delaminacji typu I w laminatach kompozytowych wielokierunkowych pod wpływem obciążenia zmęczeniowego. J Compos Mater 2011; 45: 1077-90.
[5] L Zhao, Y Wang, J Zhang, Y Gong, Z Lu, N Hu, J Xu. Model wytrzymałości na pękanie plateau zależny od interfejsu w wielokierunkowych laminatach CFRP pod obciążeniem trybu I. Kompozyty Część B: Inżynieria 2017; 131: 196-208.
[6] L Zhao, Y Gong, J Zhang, Y Chen, B Fei. Symulacja wzrostu delaminacji w laminatach wielokierunkowych pod obciążeniem trybu I i mieszanego trybu I/II przy użyciu elementów kohezyjnych. Compos Struct 2014; 116: 509-22.
[7] Y Gong, B Zhang, L Zhao, J Zhang, N Hu, C Zhang. Zachowanie krzywej R w przypadku rozwarstwienia I/II w trybie mieszanym w laminatach węglowo-epoksydowych z interfejsami jednokierunkowymi i wielokierunkowymi. Compos Struct 2019. (w trakcie przeglądu).
[8] L Peng, J Xu, J Zhang, L Zhao. Wzrost delaminacji w trybie mieszanym w wielokierunkowych laminatach kompozytowych pod wpływem obciążenia zmęczeniowego. Eng Fract Mech 2012; 96: 676-86.
[9] J Zhang, L Peng, L Zhao, B Fei. Szybkości wzrostu rozwarstwienia zmęczeniowego i progi rozwarstwienia laminatów kompozytowych poddanych obciążeniu w trybie mieszanym. Int J Fatigue 2012; 40: 7-15.
[10] Y Gong, L Zhao, J Zhang, Y Wang, N Hu. Kryterium propagacji delaminacji uwzględniające wpływ mostkowania włókien na delaminację trybu mieszanego I/II w wielokierunkowych laminatach CFRP. Compos Sci Technol 2017; 151: 302-9.
[11] Y Gong, B Zhang, SR Hallett. Migracja delaminacji w wielokierunkowych laminatach kompozytowych pod obciążeniem quasi-statycznym i zmęczeniowym trybu I. Compos Struct 2018; 189: 160-76.
[12] Y Gong, B Zhang, S Mukhopadhyay, SR Hallett. Badanie eksperymentalne migracji delaminacji w laminatach wielokierunkowych pod obciążeniem statycznym i zmęczeniowym trybu II w porównaniu z trybem I. Compos Struct 2018; 201: 683-98.
[13] Y Gong, L Zhao, J Zhang, N Hu. Ulepszone kryterium prawa potęgowego dla propagacji delaminacji z uwzględnieniem efektu mostkowania włókien na dużą skalę w kompozytowych laminatach wielokierunkowych. Compos Struct 2018; 184: 961-8.
[14] Y Gong, Y Hou, L Zhao, W Li, G Yang, J Zhang, N Hu. Nowy trójliniowy model strefy kohezyjnej dla wzrostu delaminacji w laminatach DCB z uwzględnieniem efektu mostkowania włókien. Compos Struct 2019. (Do złożenia)
[15] L Zhao, J Zhi, J Zhang, Z Liu, N Hu. Symulacja XFEM rozwarstwienia w laminatach kompozytowych. Kompozyty Część A: Nauka stosowana i produkcja 2016; 80: 61-71.
[16] Zhao Libin, Gong Yu, Zhang Jianyu. Postęp badań nad zachowaniem się rozwarstwienia laminatów kompozytowych wzmocnionych włóknami. Journal of Aeronautical Sciences 2019: 1-28.

Źródło:Gong Yu, Wang Yana, Peng Lei, Zhao Libin, Zhang Jianyu. Badanie rozwarstwienia laminatów kompozytowych wzmocnionych włóknem węglowym [C]. Konferencja Akademicka Mechaniki i Inżynierii – Obliczenia Numeryczne i Analiza Danych 2019. Chińskie Towarzystwo Mechaników, Pekińskie Towarzystwo Mechaników, 2019. przez ixueshu