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诉阿尔弗雷德·富兰克林·t·克里斯托弗·b·Nageswara饶, ”根旋转对分层的影响复合材料的断裂韧性”,国际航空航天工程杂志》上, 卷。2014年, 文章的ID829698年, 12 页面, 2014年。 https://doi.org/10.1155/2014/829698
根旋转对分层的影响复合材料的断裂韧性
诉阿尔弗雷德·富兰克林
,1
t·克里斯托弗,2
和
b . Nageswara饶3
1机械工程学院,Sardar Raja工程学院,Alangulam Tirunelveli 627808年,印度
2机械工程学院、政府工程学院Tirunelveli 627007年,印度
3机械工程学院、机械学院和公民科学、KL大学,绿色的田野,Vaddeswaram 522502年,印度
文摘
大偏差被观察到,分析复合双悬臂梁(DCB)标本假设每个裂缝作为一个简单的悬臂梁的一半。本文研究了转动弹簧刚度的影响在临界断裂能量考虑非零斜率有关的DCB试样通过造型每个破译了一半spring-hinged悬臂梁。的临界负载估计DCB标本发现在良好的协议与内部现有的测试结果不同的复合材料系统。
1。介绍
轻量级碳纤维增强复合材料(高刚度、强度、疲劳和耐冲击,热导率,和耐腐蚀)被发现为商用飞机更经济(1]。它已经成为许多飞机部件的主要材料(即机身、机翼和尾翼组件)(2]。高强度和刚度叠层复合材料在飞机和航天器结构拥有不同的属性在不同的方向上由于其各向异性的特性。可以利用复合材料的优良性能,当加载方向钢筋方向是一致的。在一般情况下,加载多向对许多复杂的结构,这可能启动分层、基体开裂造成损失的结构完整性。测试皮薄加筋板的飞机机身债券失败经验框架的顶端法兰(3]。层间断裂韧性(或临界应变能释放率出现裂纹或损坏传播)是一个重要的断裂性质评估利用断裂力学的原理。沃克et al。4,5)检查层压制品的拉伸断裂运输机身,而王et al。6)利用R-curve方法损坏机身复合材料板的剩余强度评价。研究和发展活动会在轻质复合飞机的设计保持离散源损伤(见图1)。
i型断裂能量评价在很大程度上依赖于骨折的解释数据,即此记录标本含有人造裂纹等缺陷。双悬臂梁(DCB)测试被广泛用于评估研究i型断裂能量最初开发的胶着地保税关节的骨折7]。Hashemi et al。8)评估碳/ PEEK的断裂能量和碳/环氧复合材料。良好的协议是注意到断裂能量值之间的区域和遵从性的方法,但有一个糟糕的协议与价值观从“加载”和“位移”获得基于简单梁理论方法。几个因素(即裂纹长度和位移测量中的错误,剪切修正,和大位移校正)正在考虑来考虑这些差异。这些可能的错误足以消除差异非常重要,正确的分析方法。饶和Acharya9,10)提出了小型以及大型变位过程考虑非零斜率有关的DCB标本。
出于以上人员的工作,本文探讨了旋转弹簧刚度对临界应变能释放率对于准确评价分层复合材料的破坏载荷。的临界负载估计DCB标本发现内部和现有的测试数据具有很好的一致性,而且不同的复合材料。
2。理论背景
复合材料是线弹性材料。复合材料的层间断裂可以处理线性弹性断裂力学(LEFM)。双悬臂梁试样(DCB)被用于单向复合材料的断裂模式下我。断裂能量或临界应变能量释放率评估在开放模式(i型)复合取决于骨折的解释数据。通常情况下,裂缝数据由一个荷载位移记录了标本。两个不同的LEFM方法是区域和遵从性的方法。根据区域方法,释放的能量由于裂纹扩展可以评估通过欧文临界能量释放率的公式(11,12]: 在哪里结构的总能量和吗和分别是裂缝的宽度和长度。弹性体的临界能量释放率可以由公式 在哪里是应变能,和载荷和位移在裂纹长度吗,和在裂纹长度相应的值吗。
因为线性响应的应变能和的能量释放率(1)可以通过合规表示11,12] 在哪里裂纹扩展的临界载荷是观察,是合规的,位移。为了评估合规必须使用实验数据,计算了载荷和位移的测量,在不同裂纹长度。
对DCB试样合规线性梁理论计算的是由(11,12] 在哪里在声束轴线方向的弹性模量,是该地区的时刻,是DCB试样的厚度的一半。使用(4)(3),DCB的临界能量释放率测试可以被计算
方程(5可以用于平均值)利用最小二乘法的数据简化技术。分析公式(5),这是基于简单梁理论,利用断裂的数据是可以纠正的。在浆果方法中,近似服从幂律: 在哪里和确定实验。使用(6)(3),一个可以找到
根据梁理论,参数应该是3,但从断裂的数据,这个参数可以获得的另一个值。需要指出的是,不同的数据简化方法不同值,因为线性梁理论,一些影响不考虑:旋转和偏转有关,大位移出现在试样中,和加强效果由于保税结束块的存在。为了弥补的旋转被粘物有关,粘合剂层的灵活性,裂纹长度增加和修正项。相应的被替换为在(4)。合规成正比。应该注意的是,应该是正的。因此,在一块与裂纹长度,修正发现的拦截实验值的外推吗。这个过程中被跟踪修改梁分析。分析实验结果也可以由有限元法。能量释放率计算修改后的虚拟裂纹闭合积分(MVCCI)可以使用12]。
Hashemi et al。8发现的值吻合良好从该地区和遵从性的方法。他们注意到可怜的协议与这些值从负载和位移方法基于简单梁理论。饶和Acharya9,10)已经考虑非零斜率有关的DCB试样通过造型每个破译了一半spring-hinged悬臂梁和提供合规
在这里转动弹簧常数。为无限大的情况下支持刚度(即,),(8)降低(4)的情况下,一个简单的梁。在现实中,刚度无限大支持有关的DCB试样将不存在。对于一个现实的分析,支持的转动刚度。转动弹簧常数在(8)必须获得(8)用荷载和位移测量的测量值DCB试样的裂纹尺寸。
的临界载荷评估从
转动弹簧常数在(10)从骨折获得数据
的i型分层断裂韧性评估考虑到骨折数据的玻璃/环氧树脂(15]。表1给的比较修改梁中获取的值分析,柔度法,有限元法,贝瑞方法,目前的方法基于spring-hinged悬臂梁理论。临界能量释放率从不同的数据简化方法获得彼此有很好的一致性。
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| 休息:022,毫米,毫米,.7 GPa。 |
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3所示。实验
断裂韧性测试一直在进行DCB标本制成的碳/环氧树脂和碳/ PEEK复合材料。创建初始裂纹的复合标本,聚四氟乙烯薄膜(13μ在堆积厚度)插入。按ASTM标准D5528 [16],DCB试样的最佳规模应该有20到25毫米宽度,长度125毫米以上,3 - 5毫米厚度。130毫米长度的DCB标本,20毫米宽,3毫米厚度是由碳/环氧和3.25毫米厚碳/ PEEK复合材料。断裂韧性的测试是有效的只有当初始分层长度和厚度DCB标本满足以下条件(14]:
样品表面用砂纸擦洗,用丙酮彻底清洗。保持良好的焊接,铝的基础钢琴铰链挠着文件,用丙酮清洗。一层薄的环氧树脂胶粘剂用于解决钢琴铰链的标本,这意味着应用程序的负载。采取适当的照顾而应用环氧树脂没有覆盖的聚四氟乙烯插入。最大负载预期在DCB测试(17]
Instron3367万能试验机是用于测试的标本被楔加载位移控制。十字头的速度设置在1毫米/分钟,确保稳定裂纹扩展和易于记录。在此基础历史已经被电脑记录。标本边缘涂以打字机改正液和标记标本从年底开始插入监测裂纹扩展。按ASTM标准,前五个标记是1毫米的间隔,其余5毫米的间隔。起动器插入的裂纹扩展是通过放大镜头和观察到的历史。
骨折数据的碳/环氧树脂和碳/ PEEK复合材料来自DCB标本和的值介绍了表2和3。发现临界负载估计的相对误差小于5%,而位移估计小于10%。这说明的准确性评估使用(9)。转动弹簧刚度值为碳/ PEEK DCB标本被发现是非常大的。因此,临界载荷从目前的分析是获得接近获得价值(13)。裂纹扩展阻力曲线(R-curve)两种复合材料断裂产生的数据和所代表的幂律:。这是观察到的数据2和3临界断裂能量的碳/ PEEK远远高于碳/环氧树脂。
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| 休息:026,毫米,毫米,毫米,平均绩点,,J / m2。 |
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4所示。临界载荷估计DCB标本
为了检查断裂韧性的充分性评价、裂缝数据(18- - - - - -27)的双悬臂梁(DCB)标本在碳纤维/ PEEK,碳/ polyether-sulphone,碳/环氧树脂和碳/ PEK-C复合材料被认为是。断裂韧性材料和估计的DCB标本的临界载荷。
发病的临界载荷的分层临界应变能释放率与骨折相比数据材料的数据4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18。发病时的临界载荷估计分层发现是在良好的协议与现有的测试结果。对大型转动刚度的情况下,临界载荷的差异估计和不考虑将无关紧要。
它是观察从图19单向层压板的裂纹扩展沿着试样的长度是稳定的,而对于多向层压制品(+ 45°/ + 45°和45°+ 45°/−接口)的发现锯齿形裂纹增长是因为纤维桥接。
5。结论
本文提出一种简单、可靠的关系直接评价的分层断裂韧性断裂复合DCB标本的数据。临界载荷估计DCB标本的评估发现在良好的协议与内部现有的测试结果不同的复合材料。这项研究清楚地显示根旋转的影响有关的DCB试样的断裂韧性评价至关重要。然而,如果转动弹簧刚度是非常大的(例如,),有关像内置支持的临界负载(9)的同时,简单的悬臂梁理论的结果(见图10来15)。
它从人物而著称4来9和数字16来18悬臂梁理论高估了临界载荷和低估了偏转的测试结果。多向层压制品(+ 45°/ + 45°和45 + 45°/−°接口)显示断裂能量高于单向的。
命名法
| : | 裂纹长度 |
| : | 初始裂纹长度 |
| ,: | 常量在幂律 |
| : | DCB试样的宽度 |
| : | 合规的标本 |
| DCB: | 双悬臂梁 |
| : | 纵向拉伸模量 |
| : | 断裂韧性或临界应变能量释放率 |
| : | 应变能释放率在任何时候 |
| 2 : | 试样厚度 |
| : | 转动弹簧刚度有关 |
| : | 断裂数数据 |
| : | 应用负载两岸的标本 |
| : | 裂纹嘴张开位移。 |
利益冲突
作者宣称没有利益冲突有关的出版。
引用
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