CƠ KHÍ VÀ KỸ THUẬT - Tính toán số và Phân tích dữ liệu
Cơ học và Kỹ thuật — Tính toán số và Phân tích dữ liệu Hội nghị học thuật năm 2019, ngày 19-21 tháng 4 năm 2019, Bắc Kinh
Ngày 19-21 tháng 4 năm 2019, Bắc Kinh, Trung Quốc
Nghiên cứu về hành vi giãn nở theo lớp của tấm composite cốt sợi carbon tiên tiến
Cung Vũ1*, Vương Yến Na2, Bành Lôi3, Triệu Lập Bân4, Trương Kiến Ngọc1
1Đại học Trùng Khánh, Trùng Khánh, 400044, Trung Quốc
2Viện Nghiên cứu Hàng không Trung Quốc Viện Nghiên cứu Vật liệu Hàng không Bắc Kinh, Bắc Kinh, 100095, Trung Quốc
3Máy bay thương mại Trung Quốc Trung tâm nghiên cứu công nghệ máy bay dân dụng Bắc Kinh, Bắc Kinh, 102211, Trung Quốc
4Đại học Hàng không và Vũ trụ Bắc Kinh, Bắc Kinh, 100191, Trung Quốc
Tóm tắtCấu trúc lớp là một trong những cấu hình composite được sử dụng phổ biến nhất cho vật liệu composite, nhưng hiện tượng tách lớp là nguyên nhân chính gây ra hư hỏng do đặc tính liên lớp yếu. Nghiên cứu về sự phân tầng và giãn nở của lớp nhiều lớp thường được sử dụng trong thực hành kỹ thuật luôn là chủ đề nóng đối với các học giả. Bài báo này trình bày kết quả nghiên cứu về tách lớp composite gia cường sợi carbon tại Đại học Trùng Khánh và Phòng thí nghiệm Gãy mỏi thuộc Đại học Hàng không và Vũ trụ Bắc Kinh từ hai khía cạnh: nghiên cứu thực nghiệm và mô phỏng số. Cuối cùng, hướng phát triển của lĩnh vực này được dự báo.
Từ khóa:vật liệu composite gia cường sợi carbon, vật liệu nhiều lớp, tách lớp, phân tầng mỏi
giới thiệu
Vật liệu composite sở hữu những đặc tính ưu việt như cường độ riêng và độ cứng riêng cao, đã được ứng dụng rộng rãi trong hàng không vũ trụ, công nghệ năng lượng, giao thông vận tải và xây dựng dân dụng. Trong quá trình gia công và sử dụng vật liệu composite, sợi và nền vật liệu sẽ bị hư hỏng ở các mức độ khác nhau dưới tác động của tải trọng. Các dạng hư hỏng phổ biến của tấm composite nhiều lớp bao gồm hư hỏng giữa các lớp và hư hỏng trong các lớp. Do thiếu cốt thép theo chiều dày, các đặc tính cơ học ngang của tấm composite kém, và hư hỏng tách lớp rất dễ xảy ra dưới tác động của tải trọng bên ngoài. Sự xuất hiện và lan rộng của hư hỏng phân tầng sẽ dẫn đến giảm độ cứng và cường độ của kết cấu, thậm chí gây ra tai nạn thảm khốc.[1-3]Do đó, vấn đề tách lớp ngày càng được quan tâm nhiều hơn trong thiết kế cấu trúc và phân tích độ bền của vật liệu composite, và cần phải nghiên cứu hành vi giãn nở theo lớp của vật liệu composite.[4].
Nghiên cứu về hành vi giãn nở theo lớp của tấm laminate
1. Nghiên cứu thực nghiệm
Độ dai gãy liên lớp là một thông số đặc trưng của các tính chất cơ học giữa các lớp composite. Các tiêu chuẩn thử nghiệm tương ứng đã được thiết lập để xác định độ dai gãy liên lớp của các lớp composite đơn hướng loại I, loại II và I/II. Thiết bị thử nghiệm tương ứng được thể hiện trong Hình 1. Tuy nhiên, các lớp composite đa hướng thường được sử dụng trong kết cấu kỹ thuật thực tế. Do đó, nghiên cứu thực nghiệm về hành vi phân tầng và giãn nở của các lớp composite đa hướng có ý nghĩa lý thuyết và giá trị kỹ thuật quan trọng hơn. Sự khởi đầu và giãn nở của lớp composite đa lớp xảy ra giữa các giao diện với các góc phân lớp tùy ý, và hành vi giãn nở theo lớp khác biệt đáng kể so với hành vi giãn nở của các lớp composite đơn hướng, và cơ chế giãn nở phức tạp hơn. Các nhà nghiên cứu có tương đối ít nghiên cứu thực nghiệm về các lớp composite đa hướng, và việc xác định độ dai gãy liên lớp vẫn chưa được thiết lập một tiêu chuẩn quốc tế. Nhóm nghiên cứu đã sử dụng sợi carbon T700 và T800 để thiết kế nhiều loại composite với các góc xếp lớp giao diện khác nhau, và nghiên cứu ảnh hưởng của góc xếp lớp giao diện và cầu nối sợi đến hành vi tách lớp tĩnh và mỏi. Người ta đã phát hiện ra rằng cầu nối sợi được hình thành bởi mép sau của lớp có ảnh hưởng lớn đến độ dai gãy giữa các lớp. Khi sự phân tầng mở rộng, độ dai gãy giữa các lớp sẽ tăng dần từ giá trị ban đầu thấp hơn, và khi sự phân tầng đạt đến một độ dài nhất định, nó sẽ đạt đến một giá trị ổn định, tức là hiện tượng đường cong kháng R. Độ dai gãy ban đầu của lớp xen kẽ gần như bằng và xấp xỉ bằng độ dai gãy của nhựa, phụ thuộc vào độ dai gãy của chính nền.[5, 6]Tuy nhiên, giá trị độ dai nứt liên tầng của các giao diện khác nhau rất khác nhau. Sự phụ thuộc đáng kể vào góc lớp giao diện được thể hiện. Để giải quyết sự phụ thuộc này, Zhao và cộng sự.[5]Dựa trên cơ chế vật lý của nguồn lực kháng phân tầng, giá trị độ bền đứt gãy liên tầng được cho là bao gồm hai phần: một phần là công gãy của giao diện lớp không liên quan, phần còn lại là hư hỏng và sợi trong lớp. Công gãy do bắc cầu. Thông qua phân tích phần tử hữu hạn của trường ứng suất phía trước của mặt trước phân tầng, người ta thấy rằng phần thứ hai của công gãy phụ thuộc vào độ sâu của vùng hư hỏng phía trước phân tầng (như thể hiện trong Hình 3), và độ sâu của vùng hư hỏng tỷ lệ thuận với góc xếp lớp giao diện. Một mô hình lý thuyết về giá trị độ bền đứt gãy loại I được biểu thị bằng hàm sin của góc lớp giao diện được trình bày.
Công và cộng sự[7]Tiến hành thử nghiệm phân tầng lai I/II với các tỷ lệ trộn khác nhau, nhận thấy phân tầng lai I/II trong tấm gỗ ép cũng có đặc điểm đường cong kháng R đáng kể. Thông qua phân tích độ dai gãy giữa các mẫu thử khác nhau, người ta nhận thấy giá trị ban đầu và giá trị ổn định của độ dai gãy liên lớp của mẫu thử tăng đáng kể khi tỷ lệ trộn tăng. Ngoài ra, độ dai gãy ban đầu và ổn định của lớp xen kẽ với các tỷ lệ trộn khác nhau có thể được mô tả bằng tiêu chuẩn BK.
Về mặt phân tầng mỏi, hiện tượng bắc cầu sợi đáng kể cũng được quan sát thấy trong quá trình thử nghiệm. Thông qua phân tích dữ liệu thử nghiệm, người ta thấy rằng sự giãn nở do tách lớp mỏi của vật liệu composite bị ảnh hưởng bởi “đường cong sức cản”, do đó mô hình tốc độ giãn nở do phân tầng mỏi truyền thống và giá trị ngưỡng không còn phù hợp nữa. Dựa trên phân tích lý thuyết, Zhang và Peng[4,8,9]đã giới thiệu khả năng chống giãn nở do mỏi để biểu thị năng lượng cần thiết cho quá trình giãn nở do mỏi của vật liệu composite, và đề xuất thêm năng lượng biến dạng chuẩn hóa. Tốc độ giải phóng là mô hình tốc độ giãn nở phân tầng mỏi và giá trị ngưỡng của các tham số kiểm soát. Khả năng ứng dụng của mô hình và tham số ngưỡng chuẩn hóa được kiểm chứng bằng thực nghiệm. Hơn nữa, Zhao và cộng sự.[3]đã xem xét toàn diện ảnh hưởng của cầu nối sợi, tỷ lệ ứng suất và tỷ lệ trộn tải lên sự phân tầng mỏi và hành vi giãn nở, đồng thời thiết lập mô hình tỷ lệ giãn nở mỏi phân tầng chuẩn hóa có xét đến ảnh hưởng của tỷ lệ ứng suất. Độ chính xác của mô hình đã được kiểm chứng bằng các thử nghiệm phân tầng mỏi với các tỷ lệ ứng suất và tỷ lệ trộn khác nhau. Đối với đại lượng vật lý của sức cản giãn nở mỏi phân tầng trong mô hình tỷ lệ giãn nở mỏi phân tầng chuẩn hóa, Gong và cộng sự.[1]Khắc phục điểm yếu của phương pháp tính toán chỉ có thể thu được các điểm dữ liệu rời rạc hạn chế thông qua thực nghiệm, đồng thời thiết lập mỏi từ góc độ năng lượng. Một mô hình phân tích để tính toán sức kháng kéo giãn phân tầng. Mô hình này có thể thực hiện việc xác định định lượng sự phân tầng mỏi và sức kháng giãn nở, đồng thời cung cấp cơ sở lý thuyết cho việc áp dụng mô hình tốc độ giãn nở phân tầng mỏi chuẩn hóa được đề xuất.
Hình 1 sơ đồ thiết bị thử nghiệm phân tầng
Hình 2 Đường cong độ bền gãy liên lớp R[5]
Hình 3 Vùng hư hại cạnh trước phân lớp và hình thái mở rộng phân tầng[5]
2. Nghiên cứu mô phỏng số
Mô phỏng số quá trình giãn nở theo lớp là một nội dung nghiên cứu quan trọng trong lĩnh vực thiết kế kết cấu composite. Khi dự đoán sự phá hủy do tách lớp của các tấm composite đơn hướng, các tiêu chí giãn nở theo lớp hiện hành thường sử dụng độ bền đứt gãy liên lớp không đổi làm thông số hiệu suất cơ bản.[10], bằng cách so sánh tốc độ giải phóng năng lượng tại đầu vết nứt và độ dẻo dai gãy giữa các lớp. Kích thước để xác định xem lớp có đang giãn nở hay không. Cơ chế phá hủy của các lớp nhiều hướng rất phức tạp.[11,12], được đặc trưng bởi các đường cong điện trở R đáng kể[5,13]Tiêu chí mở rộng lớp hiện tại không tính đến đặc điểm này và không áp dụng cho việc mô phỏng hành vi tách lớp của các tấm nhiều lớp đa hướng cầu nối chứa sợi. Gong et al.[10, 13]đã cải thiện các tiêu chí giãn nở phân tầng hiện có và đề xuất đưa đường cong điện trở R vào các tiêu chí, và dựa trên điều này, đã thiết lập một tiêu chí giãn nở phân tầng có tính đến các tác động của cầu nối sợi. Các tham số định nghĩa và sử dụng của đơn vị kết dính cấu thành song tuyến tính đã được nghiên cứu một cách có hệ thống bằng các phương pháp số, bao gồm độ cứng giao diện ban đầu, cường độ giao diện, hệ số độ nhớt và số lượng phần tử tối thiểu trong vùng lực kết dính. Mô hình tham số đơn vị kết dính tương ứng đã được thiết lập. Cuối cùng, hiệu quả và khả năng áp dụng của tiêu chí giãn nở phân tầng cải tiến và mô hình tham số đơn vị kết dính được xác minh bằng thử nghiệm phân tầng tĩnh. Tuy nhiên, các tiêu chí cải tiến chỉ có thể được sử dụng cho mô phỏng phân lớp một chiều do sự phụ thuộc về vị trí chứ không phải cho các phần mở rộng phân cấp hai hoặc ba chiều. Để giải quyết vấn đề này, tác giả đã đề xuất thêm một cấu trúc lực kết dính ba tuyến tính mới có tính đến cầu nối sợi[14]. Mối quan hệ cấu thành phù hợp với quá trình mở rộng theo lớp phức tạp từ góc độ vi mô và có ưu điểm là các thông số đơn giản và ý nghĩa vật lý rõ ràng.
Ngoài ra, để mô phỏng chính xác hiện tượng di cư phân tầng phổ biến trong quá trình phân tầng của các tấm nhiều hướng[11,12], Zhao và cộng sự[11,12]Đề xuất một mô hình dẫn hướng đường nứt dựa trên phần tử hữu hạn mở rộng, mô phỏng một thiết kế đặc biệt. Di chuyển phân cấp trong một phép thử phân tầng tổng hợp. Đồng thời, một mô hình giãn nở phân lớp được đề xuất cho hành vi giãn nở phân lớp zigzag dọc theo giao diện phân lớp 90°/90°, mô phỏng chính xác hành vi giãn nở phân lớp của giao diện 90°/90°.
Hình 4 Mô phỏng số về di cư theo lớp và kết quả thực nghiệm[15]
Phần kết luận
Bài báo này tập trung vào các kết quả nghiên cứu của nhóm trong lĩnh vực tách lớp composite. Các khía cạnh thực nghiệm chủ yếu bao gồm ảnh hưởng của góc xếp lớp giao diện và cầu nối sợi đến hành vi giãn nở tĩnh và tách lớp mỏi. Thông qua một số lượng lớn các nghiên cứu thực nghiệm, người ta thấy rằng cơ chế phá hủy đa hướng của vật liệu composite rất phức tạp. Cầu nối sợi là một cơ chế gia cường phổ biến của các tấm nhiều hướng, đây là nguyên nhân chính tạo nên đường cong sức kháng R của độ dai nứt gãy giữa các lớp. Hiện tại, nghiên cứu về đường cong sức kháng R dưới lớp phân tầng II còn tương đối thiếu và cần được nghiên cứu thêm. Xuất phát từ cơ chế phá hủy, mô hình phân tầng mỏi bao gồm các yếu tố ảnh hưởng khác nhau được đề xuất, đây là một hướng nghiên cứu phân tầng mỏi. Về mặt mô phỏng số, nhóm nghiên cứu đã đề xuất một tiêu chí giãn nở phân cấp cải tiến và một mô hình cấu thành gắn kết để xem xét ảnh hưởng của cầu nối sợi đến hành vi giãn nở phân tầng. Ngoài ra, phần tử hữu hạn mở rộng được sử dụng để mô phỏng tốt hơn hiện tượng di cư phân cấp. Phương pháp này loại bỏ nhu cầu phân chia tế bào tinh vi, loại bỏ các vấn đề liên quan đến việc phân chia lại lưới. Nó có những ưu điểm độc đáo trong việc mô phỏng sự phân tầng của các hình dạng tùy ý, và cần có nhiều nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật hơn cho phương pháp này trong tương lai.[16].
Tài liệu tham khảo
[1] Y Gong, L Zhao, J Zhang, N Hu. Một mô hình mới để xác định khả năng chống tách lớp mỏi trong vật liệu composite theo quan điểm năng lượng. Compos Sci Technol 2018; 167: 489-96.
[2] L Zhao, Y Wang, J Zhang, Y Gong, N Hu, N Li. Mô hình dựa trên XFEM để mô phỏng sự phát triển tách lớp ngoằn ngoèo trong vật liệu composite nhiều lớp dưới tải trọng chế độ I. Compos Struct 2017; 160: 1155-62.
[3] L Zhao, Y Gong, J Zhang, Y Wang, Z Lu, L Peng, N Hu. Một cách giải thích mới về hành vi phát triển tách lớp mỏi trong các tấm nhiều hướng CFRP. Compos Sci Technol 2016; 133: 79-88.
[4] L Peng, J Zhang, L Zhao, R Bao, H Yang, B Fei. Sự phát triển tách lớp theo chế độ I của các tấm composite nhiều hướng dưới tải trọng mỏi. J Compos Mater 2011; 45: 1077-90.
[5] L Zhao, Y Wang, J Zhang, Y Gong, Z Lu, N Hu, J Xu. Mô hình phụ thuộc giao diện của độ dẻo dai gãy cao nguyên trong các tấm CFRP nhiều hướng dưới tải trọng chế độ I. Vật liệu composite Phần B: Kỹ thuật 2017; 131: 196-208.
[6] L Zhao, Y Gong, J Zhang, Y Chen, B Fei. Mô phỏng sự phát triển tách lớp trong các tấm nhiều lớp đa hướng dưới tải trọng chế độ I và chế độ hỗn hợp I/II bằng cách sử dụng các phần tử kết dính. Compos Struct 2014; 116: 509-22.
[7] Y Gong, B Zhang, L Zhao, J Zhang, N Hu, C Zhang. Hành vi đường cong R của quá trình tách lớp I/II chế độ hỗn hợp trong các tấm ép carbon/epoxy có giao diện đơn hướng và đa hướng. Compos Struct 2019. (Đang được xem xét).
[8] L Peng, J Xu, J Zhang, L Zhao. Sự phát triển tách lớp chế độ hỗn hợp của các tấm composite nhiều hướng dưới tải trọng mỏi. Eng Fract Mech 2012; 96: 676-86.
[9] J Zhang, L Peng, L Zhao, B Fei. Tốc độ tăng trưởng bong tróc do mỏi và ngưỡng của các tấm composite dưới tải trọng chế độ hỗn hợp. Int J Fatigue 2012; 40: 7-15.
[10] Y Gong, L Zhao, J Zhang, Y Wang, N Hu. Tiêu chí lan truyền tách lớp bao gồm tác động của cầu nối sợi đối với tách lớp chế độ hỗn hợp I/II trong các tấm nhiều hướng CFRP. Compos Sci Technol 2017; 151: 302-9.
[11] Y Gong, B Zhang, SR Hallett. Sự di chuyển tách lớp trong các tấm composite nhiều hướng dưới chế độ I tải trọng tĩnh và mỏi. Compos Struct 2018; 189: 160-76.
[12] Y Gong, B Zhang, S Mukhopadhyay, SR Hallett. Nghiên cứu thực nghiệm về sự di chuyển tách lớp trong các tấm nhiều lớp đa hướng dưới tải trọng tĩnh và tải trọng mỏi chế độ II, so sánh với chế độ I. Compos Struct 2018; 201: 683-98.
[13] Y Gong, L Zhao, J Zhang, N Hu. Một tiêu chuẩn luật lũy thừa cải tiến cho sự lan truyền tách lớp với tác động của cầu nối sợi quy mô lớn trong các tấm nhiều lớp đa hướng composite. Compos Struct 2018; 184: 961-8.
[14] Y Gong, Y Hou, L Zhao, W Li, G Yang, J Zhang, N Hu. Một mô hình vùng kết dính ba tuyến tính mới cho sự phát triển tách lớp trong các tấm DCB có tác dụng bắc cầu sợi. Compos Struct 2019. (Sắp nộp)
[15] L Zhao, J Zhi, J Zhang, Z Liu, N Hu. Mô phỏng XFEM về sự tách lớp trong vật liệu composite nhiều lớp. Vật liệu composite Phần A: Khoa học ứng dụng và sản xuất 2016; 80: 61-71.
[16] Triệu Lập Bân, Cung Vũ, Trương Kiến Vũ. Tiến triển nghiên cứu về ứng xử giãn nở phân tầng của vật liệu composite cốt sợi. Tạp chí Khoa học Hàng không 2019: 1-28.
Nguồn:Gong Yu, Wang Yana, Peng Lei, Zhao Libin, Zhang Jianyu. Nghiên cứu về hành vi giãn nở phân tầng của vật liệu composite cốt sợi carbon tiên tiến [C]. Cơ học và Kỹ thuật - Hội nghị Học thuật Tính toán Số và Phân tích Dữ liệu 2019. Hội Cơ học Trung Quốc, Hội Cơ học Bắc Kinh, 2019. thông qua ixueshu
Thời gian đăng: 15-11-2019