Tính toán số và phân tích phần tử hữu hạn cho tính chất đàn hồi không đồng nhất của sợi carbon: sự phụ thuộc của khoảng tích phân và kích thước lưới vào mô đun đàn hồi thu được từ thí nghiệm đè nén

Kenta Goto1, Kimiyoshi Naito2, Keiichi Shirasu2, Ikumu Watanabe2
1National Institute for Materials Science (NIMS), International Center for Young Scientists, 1-2-1 Sengen, Tsukuba, 305-0047, Japan
2National Institute for Materials Science (NIMS), Research Center for Structural Materials, 1-2-1 Sengen, Tsukuba, 305-0047, Japan

Tóm tắt

Tóm tắtMô đun đàn hồi được đo bằng phương pháp đè nén các sợi carbon với tính đàn hồi không đồng nhất khác nhau được tính toán bằng hai phương pháp số học, mô hình Vlassak–Nix và phân tích phần tử hữu hạn, nhằm làm rõ các điều kiện tính toán chấp nhận được cho các vật liệu có tính chất đàn hồi cực kỳ không đồng nhất. Năm loại sợi carbon có sẵn trên thị trường với chỉ số không đồng nhất trong khoảng từ 0.5 đến 7.9 được sử dụng (có thể là dựa trên polyacrylonitrile hoặc nhựa than đá). Lỗi số trong mô đun được tính toán tăng lên khi góc sợi giảm và chỉ số không đồng nhất tăng dưới cùng một điều kiện lưới, cho thấy cần có lưới mịn hơn cho một vật liệu cực kỳ không đồng nhất. Kích thước lưới chấp nhận được tăng tuyến tính với chỉ số không đồng nhất. Mô hình Vlassak–Nix đánh giá cao mô đun đàn hồi ở góc nghiêng nhỏ nếu chỉ sử dụng một số ít các khoảng tích phân. Ngược lại, phân tích phần tử hữu hạn của bài toán tiếp xúc Hertz với lưới thô lại đánh giá thấp mô đun ở góc nghiêng nhỏ, và một mô đun cực đại được quan sát khi sợi được nghiêng một vài độ so với trục đè nén. Những phát hiện này được kỳ vọng sẽ hỗ trợ trong việc xác định các điều kiện tính toán lý tưởng cho các vật liệu có tính chất đàn hồi không đồng nhất lớn bao gồm sợi và composite.

Từ khóa


Tài liệu tham khảo

Pantelakis S (2020) Historical development of aeronautical materials. In: Pantelkis S, Tserpes K (eds) Revolutionizing aircraft materials and processes. Springer, Cham, pp 1–20

Wang H, Zhang H, Goto K, Watanabe I, Kitazawa H, Kawai M, Mamiya H, Fujita D (2020) Stress mapping reveals extrinsic toughening of brittle carbon fiber in polymer matrix. Sci Technol Adv Mater 21(1):267–277. https://doi.org/10.1080/14686996.2020.1752114

Guimard JM, Allix O, Pechnik N, Thevenet P (2009) Energetic analysis of fragmentation mechanisms and dynamic delamination modelling in CFRP composites. Comput Struct 87(15–16):1022–1032. https://doi.org/10.1016/j.compstruc.2008.04.021

Naito K, Tanaka Y, Yang JM, Kagawa Y (2008) Tensile properties of ultrahigh strength PAN-based, ultrahigh modulus pitch-based and high ductility pitch-based carbon fibers. Carbon 46(2):189–195. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2007.11.001

Naito K, Tanaka Y, Yang JM, Kagawa Y (2009) Flexural properties of PAN- and pitch-based carbon fibers. J Am Ceram Soc 92(1):186–192. https://doi.org/10.1111/j.1551-2916.2008.02868.x

Naito K, Tanaka Y, Yang JM (2017) Transverse compressive properties of polyacrylonitrile (PAN)-based and pitch-based single carbon fibers. Carbon 118:168–183. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2017.03.031

Naito K (2018) Stress analysis and fracture toughness of notched polyacrylonitrile (PAN)-based and pitch-based single carbon fibers. Carbon 126:346–359. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2017.10.021

Shirasu K, Goto K, Naito K (2020) Microstructure-elastic property relationships in carbon fibers: a nanoindentation study. Compos B 200:108342. https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2020.108342

Datta S, Ledbetter H, Kyono T (1989) Graphite-fiber elastic constants: determination from ultrasonic measurements on composite materials. In: Thompson DO, Chimenti DE (eds) Review of progress in quantitative nondestructive evaluation, vol 8. Springer, Boston, pp 1481–1488

Eumelen GJAM, Suiker ASJ, Bosco E, Fleck NA (2022) Analytical model for elasto-plastic indentation of a hemispherical surface inclusion. Int J Mech Sci 224:107267. https://doi.org/10.1016/j.ijmecsci.2022.107267

Ginder R, Nix W, Pharr G (2018) A simple model for indentation creep. J Mech Phys Solids 112:552–562. https://doi.org/10.1016/j.jmps.2018.01.001

Man T, Ohmura T, Tomota Y (2019) Mechanical behavior of individual retained austenite grains in high carbon quenched-tempered steel. ISIJ Int 59(3):559–566. https://doi.org/10.2355/isijinternational.ISIJINT-2018-620

Kanari M, Tanaka K, Baba S, Eto M (1997) Nanoindentation behavior of a two-dimensional carbon–carbon composite for nuclear applications. Carbon 35(10–11):1429–1437. https://doi.org/10.1016/S0008-6223(97)00042-0

Popov V (2010) Contact mechanics and friction. Springer, Berlin

Oliver W, Pharr G (1992) An improved technique for determining hardness and elastic modulus using load and displacement sensing indentation experiments. J Mater Res 7(6):1564–1583. https://doi.org/10.1557/JMR.1992.1564

Delafargue A, Ulm FJ (2004) Explicit approximations of the indentation modulus of elastically orthotropic solids for conical indenters. Int J Solids Struct 41:7351–7360. https://doi.org/10.1016/j.ijsolstr.2004.06.019

Csanádi T, Németh D, Zhang C, Dusza J (2017) Nanoindentation derived elastic constants of carbon fibres and their nanostructural based predictions. Carbon 119:314–325. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2017.04.048

Vlassak J, Nix W (1997) Measuring the elastic properties of anisotropic materials by means of indentation experiments. J Mech Phys Solids 42(8):1223–1245. https://doi.org/10.1016/0022-5096(94)90033-7

Swadener J, Pharr G (2001) Indentation of elastically anisotropic half-spaces by cones and parabolae of revolution. Philos Mag A 81(2):447–466. https://doi.org/10.1080/01418610108214314

Dub SN, Haftaoglu C, Kindrachuk VM (2021) Estimate of theoretical shear strength of C60 single crystal by nanoindentation. J Mater Sci 56:10905–10914. https://doi.org/10.1007/s10853-021-05991-2

Nguyen PTN, Abbès F, Lecomte JS, Schuman C, Abbès B (2022) Inverse identification of single-crystal plasticity parameters of HCP zinc from nanoindentation curves and residual topographies. Nanomaterials 12(3):300. https://doi.org/10.3390/nano12030300

Wang H, Zhang H, Tang D, Goto K, Watanabe I, Kitazawa H, Kawai M, Mamiya H, Fujita D (2019) Stress dependence of indentation modulus for carbon fiber in polymer composite. Sci Technol Adv Mater 20(1):412–420. https://doi.org/10.1080/14686996.2019.1600202

Gonabadi H, Oila A, Yadav A, Bull S (2022) Investigation of the effects of environment fatigue on the mechanical properties of GFRP composite constituents using nanoindentation. Exp Mech 62:585–602. https://doi.org/10.1007/s11340-021-00808-4

Leavy R, Brannon R, Strack O (2010) The use of sphere indentation experiments to characterize ceramic damage models. Int J Appl Ceram Technol 7(5):606–615. https://doi.org/10.1111/j.1744-7402.2010.02487.x

Asada T, Ohno N, Tanaka Y (2008) Flat punch indentation analysis of honeycomb structures using implicit homogenization scheme. In: Advances in heterogeneous material mechanics (ICHMM-2008), Proceedings of the second international conference on heterogeneous material mechanics. Huangshan, 3–8 June 2008. pp 824–828

Kube C (2016) Elastic anisotropy of crystals. AIP Adv 6:095209. https://doi.org/10.1063/1.4962996

Scherer P (2017) Computational physics, 3rd edn. Springer, Cham

Belytschko T, Ong J, Liu W, Kennedy J (1984) Hourglass control in linear and nonlinear problems. Comput Methods Appl Mech Eng 43:251–276. https://doi.org/10.1016/0045-7825(84)90067-7

Castillo AR, Kalidindi SR (2021) Bayesian estimation of single ply anisotropic elastic constants from spherical indentations on multi-laminate polymer-matrix fiber-reinforced composite samples. Meccanica 56:1575–1586. https://doi.org/10.1007/s11012-020-01154-w