MEKANİK VE MÜHENDİSLİK - Sayısal Hesaplama ve Veri Analizi
Mekanik ve Mühendislik - Sayısal Hesaplamalar ve Veri Analizi 2019 Akademik Konferansı, 19-21 Nisan 2019, Pekin
19-21 Nisan 2019, Pekin, Çin
Gelişmiş Karbon Fiber Takviyeli Kompozit Laminat Levhaların Katmanlı Genleşme Davranışı Üzerine Bir Çalışma
Gong Yu1*, Wang Yana2, Peng Lei3, Zhao Libin4, Zhang Jianyu1
1Chongqing Üniversitesi, Chongqing, 400044, Çin
2Çin Havacılık Araştırma Enstitüsü Pekin Havacılık Malzemeleri Araştırma Enstitüsü, Pekin, 100095, Çin
3Çin Ticari Uçak Pekin Sivil Uçak Teknolojisi Araştırma Merkezi, Pekin, 102211, Çin
4Pekin Havacılık ve Uzay Bilimleri Üniversitesi, Pekin, 100191, Çin
SoyutLamine yapı, kompozitler için en yaygın kullanılan kompozit konfigürasyonlarından biridir, ancak zayıf katmanlar arası özellikleri nedeniyle delaminasyon, ana hasar modu haline gelir. Mühendislik uygulamalarında yaygın olarak kullanılan çok katmanlı laminat tabakalaşma ve genleşme davranışı üzerine araştırmalar, akademisyenler için her zaman sıcak bir konu olmuştur. Bu makalede, Chongqing Üniversitesi ve Pekin Havacılık ve Uzay Bilimleri Üniversitesi Yorgunluk Kırılması Laboratuvarı'ndaki karbon fiber takviyeli kompozit delaminasyonunun araştırma sonuçları, deneysel araştırma ve sayısal simülasyonun iki yönüyle sunulmaktadır. Son olarak, alanın gelişim yönü değerlendirilmektedir.
Anahtar kelimeler:karbon fiber takviyeli kompozit, laminat, delaminasyon, yorulma tabakalaşması
giriiş
Kompozit malzemeler, yüksek özgül mukavemet ve yüksek özgül sertlik gibi mükemmel özelliklere sahiptir ve havacılık, enerji teknolojisi, sivil ulaşım ve inşaat alanlarında yaygın olarak kullanılmaktadır. Kompozit malzemelerin işlenmesi ve kullanımı sırasında, lifler ve matris, yük altında farklı derecelerde hasara uğrar. Kompozit laminatlar için yaygın hasar türleri arasında katmanlar arası hasar ve katmanlar içi hasar bulunur. Kalınlık yönünde takviye eksikliği nedeniyle, laminatın yanal mekanik özellikleri zayıftır ve dış darbe yükleri altında delaminasyon hasarı oluşma olasılığı yüksektir. Katmanlı hasarın oluşması ve genişlemesi, yapısal rijitlik ve mukavemette azalmaya ve hatta felaket niteliğinde kazalara yol açacaktır.[1-3]Bu nedenle, delaminasyon sorunu kompozit malzemelerin yapısal tasarımı ve mukavemet analizinde giderek daha fazla ilgi görmektedir ve kompozit malzemelerin katmanlı genleşme davranışını incelemek gerekmektedir.[4].
Laminatın katmanlı genleşme davranışı üzerine araştırma
1. Deneysel çalışma
Katmanlar arası kırılma tokluğu, kompozit katmanlar arasındaki mekanik özelliklerin karakteristik bir parametresidir. Tip I, Tip II ve I/II hibrit tek yönlü laminatların katmanlar arası kırılma tokluğunun belirlenmesi için ilgili test standartları oluşturulmuştur. İlgili test aparatı Şekil 1'de gösterilmiştir. Ancak, kompozit malzemelerin çok yönlü laminatları genellikle gerçek mühendislik yapılarında kullanılır. Bu nedenle, çok yönlü laminatların tabakalaşma ve genleşme davranışı üzerine yapılan deneysel çalışma daha önemli teorik öneme ve mühendislik değerine sahiptir. Çok katmanlı laminatlarda katman başlangıcı ve genleşmesi, keyfi katmanlaşma açılarına sahip arayüzler arasında meydana gelir ve katmanlı genleşme davranışı tek yönlü laminatların davranışından önemli ölçüde farklıdır ve genleşme mekanizması daha karmaşıktır. Araştırmacıların çok yönlü laminatlar üzerine nispeten az sayıda deneysel çalışması vardır ve katmanlar arası kırılma tokluğunun belirlenmesi henüz uluslararası bir standart oluşturmamıştır. Araştırma ekibi, farklı arayüz katmanlama açılarına sahip çeşitli kompozit laminatlar tasarlamak için T700 ve T800 karbon fiber kullandı ve arayüz katmanlama açısı ile fiber köprülemenin statik ve yorulma delaminasyon davranışı üzerindeki etkisini inceledi. Katmanın arka kenarı tarafından oluşturulan fiber köprülemenin, katmanlar arası kırılma tokluğu üzerinde büyük bir etkiye sahip olduğu bulundu. Katmanlaşma genişledikçe, katmanlar arası kırılma tokluğu daha düşük bir başlangıç değerinden kademeli olarak artacak ve katmanlaşma belirli bir uzunluğa ulaştığında, sabit bir değere, yani R direnç eğrisi fenomenine ulaşacaktır. Ara katmanın başlangıç kırılma tokluğu, matrisin kırılma tokluğuna bağlı olarak reçinenin kırılma tokluğuna neredeyse eşit ve yaklaşık olarak eşittir.[5, 6]Bununla birlikte, farklı arayüzlerin katmanlar arası kırılma tokluğu uzama değerleri büyük ölçüde farklılık göstermektedir. Arayüz katman açısına önemli bir bağımlılık sunulmuştur. Bu bağımlılığa yanıt olarak, Zhao ve ark.[5]Katmanlı direnç kaynağının fiziksel mekanizmasına dayanarak, katmanlar arası kırılma tokluğu kararlılık değerinin iki bölümden oluştuğu düşünülmektedir: bir bölüm ilgisiz katman arayüzünün kırılma işi, diğer bölüm ise katman içi hasar ve fiberdir. Köprüleme sonucu oluşan kırılma işi. Katmanlı cephenin gerilim cephesi alanının sonlu elemanlar analiziyle, kırılma işinin ikinci bölümünün delaminasyon cephesi hasar bölgesinin derinliğine (Şekil 3'te gösterildiği gibi) bağlı olduğu ve hasar bölgesinin derinliğinin arayüz katman açısıyla orantılı olduğu bulunmuştur. Arayüz katman açısının sinüzoidal fonksiyonu ile ifade edilen I tipi kırılma tokluğu kararlılık değerinin teorik bir modeli sunulmuştur.
Gong ve ark.[7]Farklı karışım oranları altında I/II hibrit tabakalaşma testi gerçekleştirilmiş ve laminattaki I/II hibrit tabakalaşmanın da önemli R direnç eğrisi özelliklerine sahip olduğu bulunmuştur. Farklı test parçaları arasındaki kırılma tokluğunun analizi sonucunda, test parçasının katmanlar arası kırılma tokluğunun başlangıç ve kararlı değerlerinin, karışım oranının artmasıyla önemli ölçüde arttığı görülmüştür. Ayrıca, farklı karışım oranları altında katmanlar arası kırılma tokluğunun başlangıç ve kararlı kırılma tokluğu BK kriteri ile tanımlanabilir.
Yorulma tabakalaşması açısından, test sırasında önemli bir lif köprüsü oluşumu da gözlemlendi. Test verilerinin analizi sonucunda, kompozit malzemenin yorulma delaminasyon genleşmesinin "direnç eğrisi" tarafından etkilendiği, dolayısıyla geleneksel yorulma tabakalaşması genleşme oranı modelinin ve eşik değerinin artık geçerli olmadığı tespit edilmiştir. Teorik analize dayanarak, Zhang ve Peng[4,8,9]Kompozit malzemelerin yorulma delaminasyon genleşmesi için gereken enerjiyi ifade etmek üzere yorulma delaminasyon genleşme direncini ortaya koymuş ve ayrıca normalize edilmiş gerinim enerjisini önermiştir. Salınım hızı, yorulma tabakalı genleşme hızı modeli ve kontrol parametrelerinin eşik değeridir. Modelin ve normalize edilmiş eşik parametresinin uygulanabilirliği deneylerle doğrulanmıştır. Ayrıca, Zhao ve ark.[3]Lif köprüleme, gerilim oranı ve yük-karışım oranının yorulma tabakalaşması ve genleşme davranışı üzerindeki etkileri kapsamlı bir şekilde incelenmiş ve gerilim oranının etkisini de hesaba katarak normalleştirilmiş bir yorulma tabakalaşması genleşme oranı modeli oluşturulmuştur. Modelin doğruluğu, farklı gerilim oranları ve karışım oranlarıyla yorulma tabakalaşması testleri ile doğrulanmıştır. Normalleştirilmiş yorulma tabakalaşması genleşme oranı modelinde yorulma tabakalaşması genleşme direncinin fiziksel niceliği için Gong ve ark.[1]Deneyler yoluyla yalnızca sınırlı sayıda ayrı veri noktası elde edebilen hesaplama yönteminin zayıflığını gidermek ve yorulmayı enerji açısından tespit etmek. Katmanlı genişletilmiş direncin hesaplanması için analitik bir model. Model, yorulma katmanlaşmasının ve genleşme direncinin nicel olarak belirlenmesini sağlayabilir ve önerilen normalleştirilmiş yorulma katmanlı genleşme oranı modelinin uygulanması için teorik destek sağlayabilir.
Şekil 1 tabakalı test cihazı diyagramı
Şekil 2 Katmanlar arası kırılma tokluğu R direnç eğrisi[5]
Şekil 3 Katmanlı ön kenar hasar bölgesi ve tabakalı genişletilmiş morfoloji[5]
2. Sayısal simülasyon çalışması
Katmanlı genleşmenin sayısal simülasyonu, kompozit yapı tasarımı alanında önemli bir araştırma konusudur. Kompozit tek yönlü laminatların delaminasyon hasarını tahmin ederken, mevcut katmanlaşma genleşme kriterleri genellikle temel performans parametresi olarak sabit katmanlar arası kırılma tokluğunu kullanır.[10]Çatlak ucu enerji salınım hızı ve katmanlar arası kırılma tokluğunu karşılaştırarak. Katmanların genişleyip genişlemediğini belirlemek için boyut. Çok yönlü laminatların hasar mekanizması karmaşıktır.[11,12]önemli R direnç eğrileri ile karakterize edilen[5,13]Mevcut katmanlı genleşme kriterleri bu özelliği hesaba katmaz ve elyaf içeren köprülü çok yönlü laminatların delaminasyon davranışının simülasyonuna uygulanmaz. Gong ve ark.[10, 13]Mevcut tabakalı genleşme kriterlerini iyileştirmiş ve R direnç eğrisini kriterlere dahil etmeyi önermiş ve buna dayanarak, fiber köprülemenin etkilerini de göz önünde bulundurarak tabakalı bir genleşme kriteri oluşturmuştur. Bilineer yapısal kohezif birimin tanım ve kullanım parametreleri, başlangıç arayüz sertliği, arayüz mukavemeti, viskozite katsayısı ve kohezif kuvvet bölgesindeki minimum eleman sayısı dahil olmak üzere sayısal yöntemlerle sistematik olarak incelenmiştir. İlgili kohezif birim parametre modeli oluşturulmuştur. Son olarak, iyileştirilmiş tabakalı genleşme kriterinin ve kohezif birim parametre modelinin etkinliği ve uygulanabilirliği statik tabakalaşma testi ile doğrulanmıştır. Ancak, iyileştirilmiş kriterler konumsal bağımlılıklar nedeniyle yalnızca tek boyutlu katmanlı simülasyonlar için kullanılabilir ve iki veya üç boyutlu hiyerarşik uzantılar için kullanılamaz. Bu sorunu çözmek için yazar, fiber köprülemeyi göz önünde bulundurarak yeni bir üç doğrusal kohezif kuvvet bileşeni önermiştir.[14]Oluşturucu ilişki, mikroskobik bir perspektiften bakıldığında katmanlı genişlemenin karmaşık sürecine uyum sağlar ve basit parametreler ve açık fiziksel anlam avantajlarına sahiptir.
Ayrıca, çok yönlü laminatların tabakalaşma sürecinde yaygın olan tabakalı göç olgusunu doğru bir şekilde simüle etmek için[11,12], Zhao ve ark.[11,12]Özel bir tasarımı simüle eden genişletilmiş sonlu elemanlara dayalı bir çatlak yolu kılavuz modeli önerilmiştir. Bileşik tabakalaşma testinde hiyerarşik göç. Aynı zamanda, 90°/90° katmanlı arayüz boyunca zikzak katmanlı genleşme davranışı için katmanlı bir genleşme modeli önerilmiştir. Bu model, 90°/90° arayüzünün katmanlı genleşme davranışını doğru bir şekilde simüle eder.
Şekil 4 Katmanlı göçün sayısal simülasyonu ve deneysel sonuçlar[15]
Çözüm
Bu makale, kompozit laminat delaminasyonu alanındaki bu grubun araştırma sonuçlarına odaklanmaktadır. Deneysel yönler esas olarak arayüz katmanlama açısının ve fiber köprülemenin statik ve yorulma delaminasyon genleşme davranışı üzerindeki etkisini içermektedir. Çok sayıda deneysel çalışma sonucunda, kompozit malzemelerin çok yönlü laminat hasar mekanizmasının karmaşık olduğu bulunmuştur. Fiber köprüleme, çok yönlü laminatların yaygın bir toklaştırma mekanizmasıdır ve bu, interlaminar kırılma tokluğunun R-direnç eğrisinin ana nedenidir. Şu anda, II tabakalaşması altındaki R direnç eğrisi çalışması nispeten eksiktir ve daha fazla araştırmaya ihtiyaç duymaktadır. Hasar mekanizmasından başlayarak, yorulma tabakalaşması araştırmasının bir yönü olan çeşitli etki faktörlerini içeren yorulma tabakalaşması modeli önerilmiştir. Sayısal simülasyon açısından, araştırma grubu, fiber köprülemenin tabakalı genleşme davranışı üzerindeki etkisini dikkate almak için geliştirilmiş bir hiyerarşik genleşme kriteri ve kohezif bir kurucu model önermiştir. Ek olarak, hiyerarşik göç olgusunu daha iyi simüle etmek için genişletilmiş sonlu elemanlar kullanılmıştır. Bu yöntem, ince hücre bölünmesi ihtiyacını ortadan kaldırarak, ağ örgüsünün yeniden bölünmesiyle ilişkili sorunları ortadan kaldırır. Rastgele şekillerin katmanlaşmasını simüle etmede benzersiz avantajlara sahiptir ve gelecekte bu yöntemin daha fazla mühendislik uygulama araştırmasına ihtiyaç duyulmaktadır.[16].
Referanslar
[1] Y Gong, L Zhao, J Zhang, N Hu. Enerji açısından kompozit laminatlarda yorulma delaminasyon direncini belirlemek için yeni bir model. Compos Sci Technol 2018; 167: 489-96.
[2] L Zhao, Y Wang, J Zhang, Y Gong, N Hu, N Li. Mod I yüklemesi altında katmanlı kompozitlerde zikzak delaminasyon büyümesini simüle etmek için XFEM tabanlı model. Compos Struct 2017; 160: 1155-62.
[3] L Zhao, Y Gong, J Zhang, Y Wang, Z Lu, L Peng, N Hu. CFRP çok yönlü laminatlarda yorulma delaminasyon büyüme davranışının yeni bir yorumu. Compos Sci Technol 2016; 133: 79-88.
[4] L Peng, J Zhang, L Zhao, R Bao, H Yang, B Fei. Yorulma yükü altında çok yönlü kompozit laminatların Mod I delaminasyon büyümesi. J Compos Mater 2011; 45: 1077-90.
[5] L Zhao, Y Wang, J Zhang, Y Gong, Z Lu, N Hu, J Xu. Mod I yüklemesi altında çok yönlü CFRP laminatlarda plato kırılma tokluğunun arayüz bağımlı bir modeli. Kompozitler Bölüm B: Mühendislik 2017; 131: 196-208.
[6] L Zhao, Y Gong, J Zhang, Y Chen, B Fei. Kohezif elemanlar kullanılarak mod I ve karışık mod I/II yüklemeleri altında çok yönlü laminatlarda delaminasyon büyümesinin simülasyonu. Compos Struct 2014; 116: 509-22.
[7] Y Gong, B Zhang, L Zhao, J Zhang, N Hu, C Zhang. Tek yönlü ve çok yönlü arayüzlere sahip karbon/epoksi laminatlarda karışık mod I/II delaminasyonunun R-eğrisi davranışı. Compos Struct 2019. (İnceleme Aşamasında).
[8] L Peng, J Xu, J Zhang, L Zhao. Yorulma yükü altında çok yönlü kompozit laminatların karışık mod delaminasyon büyümesi. Eng Fract Mech 2012; 96: 676-86.
[9] J Zhang, L Peng, L Zhao, B Fei. Karışık mod yüklemesi altında kompozit laminatların yorulma delaminasyon büyüme oranları ve eşikleri. Int J Fatigue 2012; 40: 7-15.
[10] Y Gong, L Zhao, J Zhang, Y Wang, N Hu. CFRP çok yönlü laminatlarda karışık mod I/II delaminasyonu için fiber köprülemenin etkisini içeren delaminasyon yayılma kriteri. Compos Sci Technol 2017; 151: 302-9.
[11] Y Gong, B Zhang, SR Hallett. Mod I yarı statik ve yorulma yüklemesi altında çok yönlü kompozit laminatlarda delaminasyon göçü. Compos Struct 2018; 189: 160-76.
[12] Y Gong, B Zhang, S Mukhopadhyay, SR Hallett. Mod II statik ve yorulma yüklemesi altında çok yönlü laminatlarda delaminasyon göçü üzerine deneysel çalışma, mod I ile karşılaştırmalı olarak. Compos Struct 2018; 201: 683-98.
[13] Y Gong, L Zhao, J Zhang, N Hu. Kompozit çok yönlü laminatlarda büyük ölçekli fiber köprülemenin etkisiyle delaminasyon yayılımı için geliştirilmiş bir kuvvet yasası kriteri. Compos Struct 2018; 184: 961-8.
[14] Y Gong, Y Hou, L Zhao, W Li, G Yang, J Zhang, N Hu. Lif köprüleme etkisiyle DCB laminatlarında delaminasyon büyümesi için yeni bir üç doğrusal kohezif bölge modeli. Compos Struct 2019. (Sunulması gerekiyor)
[15] L Zhao, J Zhi, J Zhang, Z Liu, N Hu. Kompozit laminatlarda delaminasyonun XFEM simülasyonu. Kompozitler Bölüm A: Uygulamalı Bilim ve Üretim 2016; 80: 61-71.
[16] Zhao Libin, Gong Yu, Zhang Jianyu. Lif takviyeli kompozit laminatların tabakalı genleşme davranışı üzerine araştırma ilerlemesi. Havacılık Bilimleri Dergisi 2019: 1-28.
Kaynak:Gong Yu, Wang Yana, Peng Lei, Zhao Libin, Zhang Jianyu. Gelişmiş karbon fiber takviyeli kompozit laminatların tabakalı genleşme davranışı üzerine bir çalışma[C]. Mekanik ve Mühendislik - Sayısal Hesaplama ve Veri Analizi 2019 Akademik Konferansı. Çin Mekanik Derneği, Pekin Mekanik Derneği, 2019. aracılığıyla ixueshu
Gönderim zamanı: 15-11-2019