[論文レビュー] Elastic and Fracture Behavior of Three-Dimensional Ply-to-Ply Angle Interlock Woven Composites: Through-Thickness, Size Effect, and Multiaxial Tests

Weixin Li, Yao Qiao+5 more|arXiv (Cornell University)|Dec 10, 2020

Mechanical Behavior of CompositesEngineering参考文献 134被引用数 18

ひとこと要約

本研究では、新規の垂直方向破壊試験、SENT試験におけるサイズ効果解析、およびX線マイクロCTを併用した多軸Arcanリグ試験を用いて、3Dプレーン・ツー・プレーン角度インターロック繊維強化複合材料の弾性および破壊挙動を調査した。本研究では、バツァントのタイプIIサイズ効果法則を用いて、初めて客観的な内層破壊エネルギーの特徴づけがなされ、試験片サイズの変動に伴う顕著なサイズ効果および遷移領域の挙動から、優れた損傷耐性が明らかになった。

ABSTRACT

This work presents a comprehensive investigation of the elastic and fracture behavior of ply-to-ply angle interlock three-dimensional woven composites. The research investigated novel splitting and wedge-driven out-of-plane fracture tests to shed light on the tensile fracture behavior in the thickness direction and to provide estimates of the out-of-plane tensile strength and fracture energy. In addition, size effect tests on geometrically-scaled Single Edge Notch Tension (SENT) specimens were performed to fully characterize the intra-laminar fracture energy of the material and to study the scaling of structural strength in this type of three-dimensional composites. The results confirmed that size effect in the structural strength of these materials is significant. In fact, even if the range of sizes investigated was broader than in any previous size effect study on traditional laminated composites and two-dimensional textile composites, all the experimental data fell in the transition zone between quasi-ductile and brittle behavior. This implies strong damage tolerance of the investigated three-dimensional composites. The analysis of the data via Bazant's Type II Size Effect Law (SEL) enabled the objective characterization of the intra-laminar fracture energy of three-dimensional composites for the first time. Finally, Arcan rig tests combined with X-ray micro-computed tomography allowed unprecedented insights on the different damage mechanisms under multi-axial nominal loading conditions, particularly tension-dominated and shear-dominated conditions.

研究の動機と目的

• 新規の分割およびワッジ駆動垂直方向破壊試験を用いて、3Dプレーン・ツー・プレーン角度インターロック繊維強化複合材料の垂直方向引張強度および破壊エネルギーを特徴づけること。
• 幾何的にスケーリングされた単一エッジ notched 引張（SENT）試験を用いて、3D繊維強化複合材料における構造的強度のサイズ効果を調査すること。
• バツァントのタイプIIサイズ効果法則（SEL）を初めて適用し、3D複合材料の固有の破壊エネルギーを客観的に評価すること。
• X線マイクロコンピュータ断層撮影を併用したArcanリグ試験を用いて、引張およびせん断支配の多軸荷重下における損傷メカニズムを調査すること。
• 広範な試験片サイズの範囲で、3D繊維強化複合材料のスケーリング挙動および損傷耐性を理解すること。

提案手法

• 垂直方向引張強度および破壊エネルギーの測定を目的とした新規の分割およびワッジ駆動垂直方向破壊試験を実施した。
• 複数の試験片寸法における構造的強度のサイズ効果を調査するため、幾何的にスケーリングされた単一エッジ notched 引張（SENT）試験を実施した。
• 実験データから固有の破壊エネルギー $ G_f $ を抽出するために、バツァントのタイプIIサイズ効果法則（SEL）を適用し、関係式 $ \sigma_{Nu} = \sqrt{\frac{E^* G_f}{D g(\alpha_0) + c_f g'(\alpha_0)}} $ を用いた。
• 等価弾性き裂概念を用いて、顕在的破壊靭性 $ K_{IcA} $ および顕在的破壊エネルギー $ G_{fA} $ を材料特性から区別するための関係を確立した。
• X線マイクロコンピュータ断層撮影を併用したArcanリグ試験を用いて、多軸荷重下における損傷メカニズムの可視化および分析を実施した。
• 有限要素法およびクォーターポイント要素技術を用いて、応力集中係数の正確な推定を目的として、次元なし関数 $ g(\alpha) $ および $ g'(\alpha) $ を数値的に計算した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 3Dプレーン・ツー・プレーン角度インターロック繊維強化複合材料の垂直方向引張強度および破壊エネルギーは何か。また、それらは平面内特性とどのように比較できるか。
• RQ2 試験片サイズが3D繊維強化複合材料の構造的強度に与える影響は何か。また、サイズ効果は予測可能なスケーリング則に従うか。
• RQ3 バツァントのタイプIIサイズ効果法則は、3D繊維強化複合材料に適用可能であり、固有の破壊エネルギー $ G_f $ を抽出できるか。
• RQ4 引張支配およびせん断支配の多軸荷重下で支配的な損傷メカニズムは何か。また、荷重の増大に伴いそれらはどのように変化するか。
• RQ5 広範な試験片サイズの範囲で、3D繊維強化複合材料における準延性から脆性への遷移はどのように現れるか。

主な発見

• 新規の分割およびワッジ駆動破壊試験を用いて、3D繊維強化複合材料の垂直方向引張強度が測定され、厚さ方向の破壊特性の直接的推定が可能になった。
• 幾何的にスケーリングされたSENT試験からのすべての実験データは、準延性と脆性の間の遷移領域に位置しており、優れた損傷耐性が示された。
• 構造的強度に及ぼすサイズ効果は顕著であり、バツァントのタイプIIサイズ効果法則により良好に記述された。これにより、3D繊維強化複合材料における固有の内層破壊エネルギー $ G_f $ の初めての客観的特徴づけが可能になった。
• 顕在的破壊エネルギー $ G_{fA} $ は試験片サイズが小さくなるにつれて減少し、これらの材料における破壊応答のサイズ依存性が確認された。
• Arcanリグ試験とX線マイクロCTを併用した解析により、引張支配およびせん断支配の荷重下で異なる損傷メカニズムが明らかになった。具体的には、マトリックスクラック、繊維-マトリックス界面の剥離、繊維バンドの再配列が観察された。
• 大規模な試験片では、有効破壊エネルギー $ G_f $ が一定値に近づくことが示され、$ D \to \infty $ のとき $ G_f $ が試験片サイズに依存しない材料定数であることが裏付けられた。