Nội dung được dịch bởi AI, chỉ mang tính chất tham khảo
Mô hình vi cơ học phi tuyến của các vật liệu compozit cuốn sợi có tính chất undulation của sợi
Tóm tắt
Các vật liệu compozit với ma trận linh hoạt có tính chất đồng trục cao đã được ứng dụng thành công trong nhiều lĩnh vực nhằm cải thiện hiệu suất của các cấu trúc thông thường hoặc tạo điều kiện cho các đổi mới. Nhiều vật liệu trong số đó được thiết kế dựa trên các ống được sản xuất hiệu quả thông qua quá trình cuốn sợi. Để dự đoán hành vi đàn hồi của các vật liệu compozit ma trận linh hoạt cuốn sợi, các khía cạnh về hành vi phi tuyến của vật liệu linh hoạt cần phải được xem xét, cũng như các đặc điểm của hình học gợn sóng sợi đặc trưng vốn có của quá trình cuốn sợi. Nghiên cứu hiện tại xem xét các đặc tính này trong mô hình vi cơ học của hành vi đàn hồi bằng cách đưa vào một mô hình vật liệu phi tuyến để đại diện cho các mô-đun phụ thuộc vào biến dạng và các hình học phụ thuộc vào quy trình sản xuất. Cấu trúc được đặc trưng bởi một tế bào đơn vị và các tế bào con, được phân tích riêng lẻ và kết hợp dựa trên các nhóm giả định đồng ứng suất và đồng biến dạng khác nhau phụ thuộc vào góc cuốn. Dựa trên các tính chất lớp phi tuyến thu được từ thí nghiệm, một phương pháp giải lặp được chọn để tính toán hành vi ứng suất - biến dạng trục của các ống với các tham số cuốn khác nhau. Các dự đoán thu được được xác thực bằng cách thử nghiệm các ống trong điều kiện kéo và nén. Mô hình cho thấy sự khớp tốt với các thí nghiệm. Các dự đoán được thực hiện bằng cách sử dụng mô hình cho thấy ảnh hưởng mạnh mẽ của các thông số cuốn sợi đến mô-đun trục của các ống compozit ma trận linh hoạt.
Từ khóa
#vật liệu compozit #ma trận linh hoạt #cuốn sợi #mô hình vi cơ học #hành vi phi tuyến #ứng suất #biến dạngTài liệu tham khảo
L. D. Peel and D. W. Jensen, “Nonlinear modeling of fiber-reinforced elastomers and the response of a ‘rubber muscle’ actuator,” in: Proc. 158th Fall Techn. Meeting, Amer. Chem. Soc. Rubber Chem. Divis., Cincinnati, Ohio (2000).
Y. Shan and C. E. Bakis, “Internal heating behavior of flexible matrix composite driveshafts,” in: Proc. 61st Forum, Amer. Helicopt. Soc., Grapevine, TX (2005), pp. 2184–2191.
S. Clark, Composite Theory Applied to Elastomers, NASA CR180322, Nat. Aeronautics and Space Admin., Washington, DC (1986).
B. Mayrides, E. C. Smith, and K. W. Wang, “Analysis and synthesis of highly flexible helicopter drivelines with flexible matrix composite shafting,” in: Proc. 61st Forum, Amer. Helicopt. Soc., Grapevine, Texas (2005), pp. 1582–1595.
S. G. Sollenberger, C. E. Bakis, and E. C. Smith, “Effect of stress concentrations in flexible matrix composite driveshafts,” in: Proc. 65th Forum, Amer. Helicopt. Soc., Grapevine, Texas (2009), pp. 1055–1060.
S. N. Nampy and E. C. Smith, “Extension-twist coupled tiltrotor blades using flexible matrix composites,” in: Proc. 46th AIAA/ASME/ASCE/AHS/ASC Structures, Struct. Dynam. Mater. Conf. AIAA-2005, Amer. Inst. Aeronaut. Astronaut., Austin, Texas, (2005), p. 2182.
Y. Shan, M. K. Philen, A. Lotfi, S. Li, C. E. Bakis, C. D. Rahn, and K. W. Wang, “Variable stiffness structures utilizing fluidic flexible matrix composites,” J. Intell. Mater. Syst. Struct., 20, 443–456 (2009).
G. Murray, F. Gandhi, and C. E. Bakis, “Flexible matrix composite skins for one-dimensional wing morphing,” in: Proc. 48th AIAA/ASME/ASCE/AHS/ASC Structures, Struct. Dynam. Mater. Conf. AIAA-2007, Amer. Inst. Aeronaut. Astronaut., Honolulu, Hawaii (2007), p. 1737.
Y. Shan and C. E. Bakis, “Flexible matrix composite actuators,” in: Proc. 20th Techn. Conf. Amer. Soc. Compos. Paper No. 116, Philadelphia, Pennsylvania, (2005).
C. Tiwari, E. C. Smith, and C. E. Bakis, “Multi-mechanism energy absorption via extension-torsion coupled composite tubes,” in: Proc. 65th Forum, Vol. 2, Amer. Helicopt. Soc., Alexandria, VA (2009), pp. 1533–1550,
T. W. Chou and K. Takahashi, “Non-linear elastic behaviour of flexible fibre composites,” Composites, 18, 25–34 (1987).
S. Y. Luo and T. W. Chou, “Finite deformation and nonlinear elastic behavior of flexible composites,” J. Appl. Mech., 55, 149–155 (1988).
S. Y. Luo and F. Taban, “Deformation of laminated elastomer composites,” Rubber Chem. Technol., 72, 212–224 (1999).
L. D. Peel, Fabrication and Mechanics of Fiber-Reinforced Elastomers, PhD Thesis, Brigham Young University, Provo, Utah (1998).
Y. Zhang, Z. Xia, and F. Ellyin, “Two-scale analysis of a filament-wound cylindrical structure and application of periodic boundary conditions,” Int. J. Solids Struct., 45, 5322–5336 (2008).
D. W. Jensen and S. P. Pai, “Influence of local fiber undulation on the global buckling of filament-wound cylinders,” J. Reinf. Plast. Compos., 12, 865–875 (1993).
H. M. Hsiao and I. M. Daniel, “Effect of fiber waviness on stiffness and strength reduction of unidirectional composites under compressive loading,” Compos. Sci. Technol., 56, 581–593 (1996).
T. Ishikawa and T. W. Chou, “Stiffness and strength behaviour of woven fabric composites,” J. Mater. Sci., 17, 3211–3220 (1982).
I. S. Raju and J. T. Wang, “Classical laminate theory models for woven fabric composites,” J. Compos. Technol. Res., 16, 289–303 (1994).
S. V. Lomov, D. S. Ivanov, I. Verpoest, M. Zako, T. Kurashiki, H. Nakai, and S. Hirosawa, “Meso-FE modelling of textile composites: road map, data flow and algorithms,” Compos. Sci. Technol., 67, 1870–1891 (2007).
D. Zindel, Mechanical Modeling of Filament Wound Flexible Matrix Composites, MSc Thesis, Ref. 09–0005, ETH Swiss Federal Institute of Technology Zürich (2009).
ASTM D5026–06, Standard Test Method for Plastics: Dynamical Mechanical Properties: in Tension, ASTM International, West Conshohocken, Pennsylvania.
ASTM D3039/D3039M–08, Standard Test Method for Tensile Properties of Polymer Matrix Composite Materials, ASTM International, West Conshohocken, Pennsylvania.
ASTM D3410/D3410M–03, Standard Test Method for Compressive Properties of Polymer Matrix Composite Materials with Unsupported Gage Section by Shear Loading, ASTM International, West Conshohocken, Pennsylvania.
ASTM D5379/D5379M–05, Standard Test Method for Shear Properties of Composite Materials by the V-Notched Beam Method, ASTM International, West Conshohocken, Pennsylvania.
I. M. Daniel and O. Ishai, Engineering Mechanics of Composite Materials, Oxford University Press, New York (2006).
S. J. Claus, Manufacture-Structure-Performance Relationships for Filament-Wound Composite Shells, PhD Thesis, The Pennsylvania State University, University Park, Pennsylvania (1994).