Tác động của hình học của thiết bị va chạm đến hành vi va chạm với tốc độ thấp của các composite gia cường sợi: Nghiên cứu thực nghiệm và lý thuyết
Tóm tắt
Các composite sợi carbon/matrix epoxy được sử dụng trong ứng dụng hàng không vũ trụ và phương tiện thường rất nhạy cảm với các điều kiện tải trọng quan trọng và một ví dụ điển hình là tải trọng va chạm. Bài báo này mô tả một cuộc điều tra thực nghiệm và số học chi tiết về hành vi va chạm với tốc độ tương đối thấp (tức là <10 m/s) của các laminate composite này. Cụ thể, các tác động của hình học của thiết bị va chạm đã được nghiên cứu và hai loại thiết bị va chạm đã được kiểm tra: (a) thiết bị va chạm bằng thép với đầu hình bán cầu và (b) thiết bị va chạm bằng thép với đầu phẳng. Chúng đã được sử dụng để va chạm vào các mẫu composite với mức năng lượng va chạm là 15 J. Sau các thí nghiệm va chạm, tất cả các laminate composite đã được kiểm tra bằng các bài kiểm tra siêu âm C-scan để đánh giá thiệt hại do hai loại thiết bị va chạm khác nhau gây ra. Một mô hình phần tử hữu hạn ba chiều (FE), kết hợp với một mô hình thiệt hại đàn hồi-dẻo mới được phát triển được thực hiện như một hàm con VUMAT, đã được sử dụng để mô phỏng sự kiện va chạm và điều tra các tác động của hình học của thiết bị va chạm. Các dự đoán số học, bao gồm cả phản ứng tải trọng và bản đồ thiệt hại, đã cho thấy sự đồng nhất tốt với các kết quả thực nghiệm.
Từ khóa
Tài liệu tham khảo
Roeseler B, Sarh B, Kismarton M. Composite Structures – The First 100 Years. Boeing 787 Progr Compos Des Tutor, 2009:1–41
Liu, H., Falzon, B.G., Catalanotti, G., Tan, W.: An experimental method to determine the intralaminar fracture toughness of high-strength carbon-fibre reinforced composite aerostructures. Aeronaut. J. 122, 1352–1370 (2018)
Tehrani, M., Boroujeni, Y., Hartman, T.B., Haugh, T.P., Case, S.W., Al-Haik, M.S.: Mechanical characterization and impact damage assessment of a woven carbon fiber reinforced carbon nanotube-epoxy composite. Compos. Sci. Technol. 75, 42–48 (2013)
Elder, D.J., Thomson, R.S., Nguyen, M.Q., Scott, M.L.: Review of delamination predictive methods for low speed impact of composite laminates. Compos. Struct. 66, 677–683 (2004)
Liu, H., Falzon, B.G., Tan, W.: Experimental and numerical studies on the impact response of damage-tolerant hybrid unidirectional/woven carbon-fibre reinforced composite laminates. Compos Part B Eng. 136, 101–118 (2018)
Donadon, M.V., Iannucci, L., Falzon, B.G., Hodgkinson, J.M., De Almeida, S.F.M.: A progressive failure model for composite laminates subjected to low velocity impact damage. Comput. Struct. 86, 1232–1252 (2008)
Liu, H., Falzon, B.G., Tan, W.: Predicting the compression-after-impact (CAI) strength of damage-tolerant hybrid unidirectional/woven carbon-fibre reinforced composite laminates. Compos Part A Appl Sci Manuf. 105, 189–202 (2018)
Rivallant, S., Bouvet, C., Abi Abdallah, E., Broll, B., Barrau, J.J.: Experimental analysis of CFRP laminates subjected to compression after impact: the role of impact-induced cracks in failure. Compos. Struct. 111, 147–157 (2014)
Eyer, G., Montagnier, O., Hochard, C., Charles, J.: Effect of matrix damage on compressive strength in the fiber direction for laminated composites. Compos Part A Appl Sci Manuf. 94, 86–92 (2017)
De Freitas, M., Reis, L.: Failure mechanisms on composite specimens subjected to compression after impact. Compos. Struct. 42, 365–373 (1998)
Borg, R., Nilsson, L., Simonsson, K.: Simulation of low velocity impact on fiber laminates using a cohesive zone based delamination model. Compos. Sci. Technol. 64, 279–288 (2004)
Raimondo, L., Iannucci, L., Robinson, P., Curtis, P.T.: A progressive failure model for mesh-size-independent FE analysis of composite laminates subject to low-velocity impact damage. Compos. Sci. Technol. 72, 624–632 (2012)
Israr, H.A., Rivallant, S., Bouvet, C., Barrau, J.J.: Finite element simulation of 0/90 CFRP laminated plates subjected to crushing using a free-face-crushing concept. Compos Part A Appl Sci Manuf. 62, 16–25 (2014)
González, E.V., Maimí, P., Camanho, P.P., Turon, A., Mayugo, J.A.: Simulation of drop-weight impact and compression after impact tests on composite laminates. Compos. Struct. 94, 3364–3378 (2012)
Petit, S., Bouvet, C., Bergerot, A., Barrau, J.J.: Impact and compression after impact experimental study of a composite laminate with a cork thermal shield. Compos. Sci. Technol. 67, 3286–3299 (2007)
Rivallant, S., Bouvet, C., Hongkarnjanakul, N.: Failure analysis of CFRP laminates subjected to compression after impact: FE simulation using discrete interface elements. Compos Part A Appl Sci Manuf. 55, 83–93 (2013)
Mitrevski, T., Marshall, I.H., Thompson, R., Jones, R., Whittingham, B.: The effect of impactor shape on the impact response of composite laminates. Compos. Struct. 67, 139–148 (2005)
Mitrevski, T., Marshall, I.H., Thompson, R.: The influence of impactor shape on the damage to composite laminates. Compos. Struct. 76, 116–122 (2006)
Robinson, P., Davies, G.A.O.: Impactor mass and specimen geometry effects in low velocity impact of laminated composites. Int J Impact Eng. 12, 189–207 (1992)
Sevkat, E., Liaw, B., Delale, F.: Drop-weight impact response of hybrid composites impacted by impactor of various geometries. Mater & Design. 52, 67–77 (2013)
Olsson, R.: Analytical prediction of large mass impact damage in composite laminates. Compos Part A Appl Sci Manuf. 32, 1207–1215 (2001)
Olsson, R.: Analytical model for delamination growth during small mass impact on plates. Int. J. Solids Struct. 47, 2884–2892 (2010)
Bouvet, C., Rivallant, S., Barrau, J.J.: Low velocity impact modeling in composite laminates capturing permanent indentation. Compos. Sci. Technol. 72, 1977–1988 (2012)
Bouvet, C., Castanié, B., Bizeul, M., Barrau, J.J.: Low velocity impact modelling in laminate composite panels with discrete interface elements. Int. J. Solids Struct. 46, 2809–2821 (2009)
ASTM. Standard Test Method for Measuring the Damage Resistance of a Fiber-Reinforced Polymer Matrix Composite to a Drop-Weight Impact Event. D7136, West Conshohocken, PA, USA, 2014
Liu, J., Liu, H., Kaboglu, C., Kong, X., Ding, Y., Chai, H., Blackman, B.R.K., Kinloch, A.J., Dear, J.P.: The impact performance of woven-fabric thermoplastic and thermoset composites subjected to high-velocity soft- and hard-impact loading. Appl. Compos. Mater. 26, 1389–1410 (2019)
Yokozeki, T., Ogihara, S., Yoshida, S., Ogasawara, T.: Simple constitutive model for nonlinear response of fiber-reinforced composites with loading-directional dependence. Compos. Sci. Technol. 67, 111–118 (2007)
Gates, T.S., Sun, C.T.: Elastic/viscoplastic constitutive model for fiber reinforced thermoplastic composites. AIAA J. 29, 457–463 (1991)
Abaqus 2018 documentation. Dassault Systèmes. Provid Rhode Island, USA, 2018
Chen, J.K., Allahdadi, F.A., Sun, C.T.: A quadratic yield function for fiber-reinforced composites. J. Compos. Mater. 31, 788–811 (1997)
Sun, C.T., Chen, J.L.: A simple flow rule for characterizing nonlinear behavior of fiber composites. J. Compos. Mater. 23, 1009–1020 (1989)
Sun, C.T., Rui, Y.: Orthotropic elasto-plastic behavior of AS4/PEEK thermoplastic composite in compression. Mech. Mater. 10, 117–125 (1990)
Yoon, K.J., Sun, C.T.: Characterization of elastic-viscoplastic properties of an AS4/PEEK thermoplastic composite. J. Compos. Mater. 25, 1277–1296 (1991)
Daniel, I.M., Luo, J.J., Schubel, P.M.: Three-dimensional characterization of textile composites. Compos Part B Eng. 39, 13–19 (2008)
Daniel, I.M., Luo, J.J., Schubel, P.M., Werner, B.T.: Interfiber/interlaminar failure of composites under multi-axial states of stress. Compos. Sci. Technol. 69, 764–771 (2009)
Faggiani, A., Falzon, B.G.: Predicting low-velocity impact damage on a stiffened composite panel. Compos Part A Appl Sci Manuf. 41, 737–749 (2010)
Turon, A., Dávila, C.G., Camanho, P.P., Costa, J.: An engineering solution for mesh size effects in the simulation of delamination using cohesive zone models. Eng. Fract. Mech. 74, 1665–1682 (2007)
Turon, A., Camanho, P.P., Costa, J., Renart, J.: Accurate simulation of delamination growth under mixed-mode loading using cohesive elements: definition of interlaminar strengths and elastic stiffness. Compos. Struct. 92, 1857–1864 (2010)
Liu, H., Liu, J., Kaboglu, C., Chai, H., Kong, X., Blackman, B.R.K., Kinloch, A.J., Dear, J.P.: Experimental investigations on the effects of projectile hardness on the impact response of fibre reinforced composite laminates. Int J Light Mater Manuf. 3, 77–87 (2020)
Liu, H., Liu, J., Kaboglu, C., Chai, H., Kong, X., Blackman, B.R.K., Kinloch, A.J., Dear, J.P.: Experimental and numerical studies on the behaviour of fibre-reinforced composites subjected to soft impact loading. Procedia Struct Integr. 17, 992–1001 (2019)
Falzon, B.G., Liu, H., Tan, W.: Comment on 'A tensorial based progressive damage model for fibre reinforced polymers'. Compos. Struct. 176, 877–882 (2017)
Liu, H., Falzon, B.G., Li, S., Tan, W., Liu, J., Chai, H., Blackman, B.R.K., Dear, J.P.: Compressive failure of woven fabric reinforced thermoplastic composites with an open-hole: an experimental and numerical study. Compos. Struct. 213, 108–117 (2019)
Chiu, L.N.S., Falzon, B.G., Ruan, D., Xu, S., Thomson, R.S., Chen, B., Yan, W.: Crush responses of composite cylinder under quasi-static and dynamic loading. Compos. Struct. 131, 90–98 (2015)
Liu, H., Falzon, B.G., Dear, J.P.: An experimental and numerical study on the crush behaviour of hybrid unidirectional/woven carbon-fibre reinforced composite laminates. Int. J. Mech. Sci. 164, 105160 (2019)
Abir, M.R., Tay, T.E., Ridha, M., Lee, H.P.: On the relationship between failure mechanism and compression after impact (CAI) strength in composites. Compos. Struct. 182, 242–250 (2017)