Hiệu Suất Va Đập Của Composites Dệt Sợi Carbon Dựa Trên Polymer Nền Thermoplastic Và Thermoset Khi Chịu Tải Trọng Va Đập Cao Tốc

Springer Science and Business Media LLC - Tập 26 - Trang 1389-1410 - 2019
Jun Liu1, Haibao Liu1, Cihan Kaboglu1, Xiangshao Kong1,2, Yuzhe Ding1, Hui Chai1,3, Bamber R. K. Blackman1, Anthony J. Kinloch1, John P. Dear1
1Department of Mechanical Engineering, Imperial College London, London, UK
2Wuhan University of Technology, Wuhan, People's Republic of China
3The First Aircraft Institute, Xi’an, People’s Republic of China

Tóm tắt

Bài báo này nghiên cứu ảnh hưởng của hiệu suất va đập của composites dệt sợi carbon dựa trên polymer nền thermoplastic và thermoset dưới tác động của tải trọng va đập tốc độ cao bằng cách thực hiện các thí nghiệm súng hơi với vận tốc va đập lên đến 100 m.s−1. Các polymer gia cố bằng sợi carbon (CFRPs) được tác động bởi các vật thể mềm (như gelatine) và vật thể cứng (như hợp kim nhôm) để mô phỏng sự va chạm của chim mềm hoặc sự va chạm của vật thể lạ cứng (ví dụ: mảnh vụn trên đường băng), tương ứng, trên các composites điển hình được sử dụng trong máy bay dân dụng. Các biến dạng ngoài mặt phẳng của mẫu composite bị va chạm được thu thập thông qua hệ thống Correlation Hình ảnh Kỹ thuật số 3 chiều (DIC) cho va chạm bằng vật thể mềm, và mức độ hư hỏng được đánh giá cả bằng cách quan sát trực quan và bằng cách sử dụng thiết bị C-scan di động. Khả năng kháng xuyên thủng và khả năng hấp thụ năng lượng của các composites cũng được nghiên cứu thông qua các thí nghiệm va đập tốc độ cao sử dụng vật thể cứng và mức độ cùng loại hư hại được xác định. Bên cạnh đó, một mô hình Phần Hữu Hạn (FE) cũng được phát triển để nghiên cứu sự tương tác giữa viên đạn và mục tiêu composite.

Từ khóa

#composite #sợi carbon #polymer #va đập tốc độ cao #Gelatine #hợp kim nhôm #khai thác hình ảnh kỹ thuật số #mô hình phần hữu hạn.

Tài liệu tham khảo

Hawk, J.: The Boeing 787 Dreamliner: more than an airplane. In: Aircraft Noise and Emissions Reduction Symposium, Monterey, USA (2005) Hellard, G.: Composites in Airbus: a long story of innovations and experiences. In: Airbus Global Investor Forum, Seville, Spain (2008) Foster, D.S., Applman, H.S.: Aviation Hail Problem (WMO-No. 109. TP. 47). World Meteorological Organization, Geneva, Switzerland (1961) Herricks, E., Mayer, D., Majumdar, S.: Foreign Object Debris Characterization at a Large International Airport, Springfield, USA (2015) Alves, M., Chaves, C.E., Birch, R.S.: Impact on aircraft. 17th. Int Congr Mech Eng. 1–8 (2003) Dolbeer, R., Beiger, J.: M. Wildlife strikes to civil aircraft in the United States 1990-2017. Federal Aviation Administration. In: USA (2019) Bennett, D.L. Debris hazards at airports. Federal Aviation Adiministration, USA; 1996 Dorey, G., Bishop, S.M., Curtis, P.T.: On the impact performance of carbon fibre laminates with epoxy and PEEK matrices. Compos. Sci. Technol. 23, 221–237 (1985) Shyr, T.W., Pan, Y.H.: Impact resistance and damage characteristics of composite laminates. Compos. Struct. 62, 193–203 (2003) Xu, S., Chen, P.H.: Prediction of low velocity impact damage in carbon/epoxy laminates. Procedia Eng. 67, 489–496 (2013) 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) 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) Ghasemi Nejhad, M.N., Parvizi-Majidi, A.: Impact behaviour and damage tolerance of woven carbon fibre-reinforced thermoplastic composites. Composites. 21(2), 155–168 (1990) Ong, C.L., Liou, Y.Y.: Characterization of mechanical behaviors of advanced thermoplastic composite after impact. Acta Astronaut. 29, 99–108 (1993) 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) Cox, B.N., Dadkhah, M.S., Morris, W.L., Flintoff, J.G.: Failure mechanisms of 3D woven composites in tension, compression, and bending. Acta Metall. Mater. 42, 3967–3984 (1994) Turner, P., Liu, T., Zeng, X., Brown, K.: Three-dimensional woven carbon fibre polymer composite beams and plates under ballistic impact. Compos. Struct. 185, 483–495 (2018) Peters, S.T.: Handbook of Composites. Springer, USA (1998) Kashtalyan, M.: Introduction to Composite Materials Design, vol. 115. The Aeronautical Journal. Cambridge University Press, UK (2011) Newaz, G.M.: Advances in Thermoplastic Matrix Composite Materials. ASTM International, USA (1989) Cogswell, F.N.: Thermoplastic Aromatic Polymer Composites: a Study of the Structure, Processing and Properties of Carbon Fibre Reinforced Polyetheretherketone and Related Materials. Elsevier, UK (2013) Long, A.C.: Composites Forming Technologies. Elsevier, UK (2014) Vieille, B., Casado, V.M., Bouvet, C.: About the impact behavior of woven-ply carbon fiber-reinforced thermoplastic- and thermosetting-composites: a comparative study. Compos. Struct. 101, 9–21 (2013) Sjoblom, P.O., Hartness, J.T., Cordell, T.M.: On low-velocity impact testing of composite materials. J. Compos. Mater. 22, 30–52 (1988) Morton, J., Godwin, E.W.: Impact response of tough carbon fibre composites. Compos. Struct. 13, 1–19 (1989) Ishikawa, T., Sugimoto, S., Matsushima, M., Hayashi, Y.: Some experimental findings in compression-after-impact (CAI) tests of CF/PEEK (APC-2) and conventional CF/epoxy flat plates. Compos. Sci. Technol. 55, 349–363 (1995) Cantwell, W.J., Morton, J.: Comparison of the low and high velocity impact response of CFRP. Composites. 20, 545–551 (1989) Morita, H., Adachi, T., Tateishi, Y., Matsumot, H.: Characterization of impact damage resistance of cf/peek and cf/toughened epoxy laminates under low and high velocity impact tests. J. Reinf. Plast. Compos. 16, 131–143 (1997) Cantwell, W.J., Morton, J.: Detection of impact damage in CFRP laminates. Compos. Struct. 3, 241–257 (1985) Cantwell, W.J., Curtis, P.T., Morton, J.: An assessment of the impact performance of CFRP reinforced with high-strain carbon fibres. Compos. Sci. Technol. 25(2), 133–148 (1986) Cantwell, W.J., Morton, J.: Impact perforation of carbon fibre reinforced plastic. Compos. Sci. Technol. 38, 119–141 (1990) Cantwell, W.J., Morton, J.: The impact resistance of composite materials — a review. Composites. 22, 347–362 (1991) Wilbeck, J.S.: Impact Behavior of Low Strength Projectiles (AFML-TR-77-134). Air Force Materials Lab, Dayton, USA (1978) Wilbeck, J.S. Bird impact forces and pressures. Air Force Flight Dyn Lab Tech Rep AFFDL-TR-77-60. 1978 Wilbeck, J.S., Rand, J.L.: The development of a substitute bird model. J Eng Power. 103(4), 725–730 (1981) Mohagheghian, I., Wang, Y., Zhou, J., Yu, L., Guo, X., Yan, Y., Charalambides, M.N., Dear, J.P.: Deformation and damage mechanisms of laminated glass windows subjected to high velocity soft impact. Int. J. Solids Struct. 109, 46–62 (2017) Zhou, J., Liu, J., Zhang, X., Yan, Y., Jiang, L., Mohagheghian, I., Dear, J.P., Charalambides, M.N.: Experimental and numerical investigation of high velocity soft impact loading on aircraft materials. Aerosp. Sci. Technol. 90, 44–58 (2019) Nishikawa, M., Hemmi, K., Takeda, N.: Finite-element simulation for modeling composite plates subjected to soft-body, high-velocity impact for application to bird-strike problem of composite fan blades. Compos. Struct. 93, 1416–1423 (2011) Liu, J., Li, Y., Gao, X.: Bird strike on a flat plate: experiments and numerical simulations. Int J Impact Eng. 70, 21–37 (2014) GOM mbH. Aramis User Manual. 1301_01_EN, pp. 1–57, Braunschweig, Germany (2016) López-Puente, J., Zaera, R., Navarro, C.: The effect of low temperatures on the intermediate and high velocity impact response of CFRPs. Compos Part B Eng. 33, 559–566 (2002) Wang, B., Xiong, J., Wang, X., Ma, L., Zhang, G.Q., Wu, L.Z., Feng, J.C.: Energy absorption efficiency of carbon fiber reinforced polymer laminates under high velocity impact. Mater. Des. 50, 140–148 (2013) Abaqus 2017 documentation. Dassault Systèmes. Provid Rhode Island, USA. 2017; Frissane, H., Taddei, L., Lebaal, N., Roth, S.: SPH modeling of high velocity impact into ballistic gelatin. Development of an axis-symmetrical formulation. Mech. Adv. Mater. Struct. 3, 1–8 (2018) Abdul Kalam, S., Vijaya Kumar, R., Ranga Janardhana, G.S.P.H.: High velocity impact analysis-influence of bird shape on rigid flat plate. Mater Today Proc. 4, 2564–2572 (2017) Georgiadis, S., Gunnion, A.J., Thomson, R.S., Cartwright, B.K.: Bird-strike simulation for certification of the Boeing 787 composite moveable trailing edge. Compos. Struct. 86, 258–268 (2008) Hashin, Z.: Failure criteria for unidirectional Fiber composites. J. Appl. Mech. 47, 329–334 (2015) 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 Polymer-Matrix Fibre-Reinforced Composites Subjected to Soft Impact Loading. Eng Failure Analysis. To be published CYTEC. APC-2-PEEK Thermoplastic Polymer. 2012 Naderi, M., Khonsari, M.M.: Stochastic analysis of inter- and intra-laminar damage in notched PEEK laminates. Express Polym Lett. 7, 383–395 (2013) Iannucci, L., Willows, M.L.: An energy based damage mechanics approach to modelling impact onto woven composite materials: part II. Experimental and numerical results. Compos Part A Appl Sci Manuf. 38, 540–554 (2007) Kim, J.K., Sham, M.L.: Impact and delamination failure of woven-fabric composites. Compos. Sci. Technol. 60, 745–761 (2000) Iannucci, L., Willows, M.L.: An energy based damage mechanics approach to modelling impact onto woven composite materials — part I : numerical models. Compos Part A Appl Sci Manuf. 37, 2041–2056 (2006) 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)