Ymddygiad lletraws cyflymder isel polymer laminad wedi’i atgyfnerthu gyda gwydr, carbon a ffeibr aramid

Ebrill 2025

Yn ddiweddar fe wnaeth ymchwilwyr peirianneg yng Nghyfadran y Celfyddydau, Cyfrifiaduron a Pheirianneg, Dr Shafiul Monir, Athro Richard Day , Dr Nataliia Luhyna, Dr Martyn Jones a Dr Yuriy Vagapov, ysgrifennu papur ar y cyd ar Draweffaith ymddygiad lletraws cyflymder isel polymer laminad wedi’i atgyfnerthu gyda ffeibr gwydr, carbon ac aramid, gyda Dirk Banhart. Cafodd y papur ei gyhoeddi yng nghyfnodolyn Mechanics of Advanced Materials and Structures.

Cwblhaodd yr ymchwilwyr ddadansoddiad rhifyddol o berfformiad amrywiol laminadau cyfansawdd dan wrthdaro lletraws cyflymder isel er mwyn adnabod trothwy difrod y laminadau.

Beth yw polymer laminad wedi’i atgyfnerthu gyda ffeibr?

Mae laminadau cyfansawdd yn haenau ysgafn, tenau, cryf ac anhyblyg sydd wedi’u gwneud o ddeunyddiau cyfansawdd ffeibrog wedi’u huno gyda’i gilydd. Mae polymer laminad yn haenau sydd wedi’u hatgyfnerthu gyda ffeibr, o fetrigau polymer, megis epocsi, wedi’i huno gyda ffeibrau sy’n atgyfnerthu, megis carbon, gwydr neu aramid.

Mae’r papur yn egluro bod laminadau polymer sydd wedi’u hatgyfnerthu gan ffeibr yn cael eu defnyddio’n gynyddol ar gyfer y sectorau peirianneg perfformiad uchel megis peirianneg awyrofod, modurol a sifil. Mae’r defnydd a wneir ohonynt yn y diwydiannau hyn yn golygu y gall y cyfansoddion gael eu defnyddio ar gyfer gwrthsefyll peryglon gwrthdrawiad cyflymder isel ac uchel. Er bod gwrthdrawiadau cyflymder uchel yn aml yn arwain at ddifrod y gellir ei weld, gall gwrthdrawiadau cyflymder isel arwain at ddifrod y gellir ei weld yn amlwg, neu nad yw prin yn gallu cael ei weld, a’r olaf sy’n digwydd yn fwyaf aml. Gall difrod gwrthdrawiad sydd prin i’w weld achosi dadlamineiddiad, gan wanhau’r deunydd cyfansawdd a’i roi mewn perygl o fethiant strwythurol difrifol a all fod a chanlyniadau arwyddocaol iawn. Mae’r ymchwilwyr felly wedi penderfynu dod i ddeall sut mae’r deunyddiau’n perfformio dan wrthdrawiad lletraws cyflymder isel, gyda’r nod o adnabod yr ymddygiadau realistig a rhagweld diffygion cyfansoddion sy’n digwydd oherwydd difrod gwrthdrawiad sydd prin i’w weld.

Y dull a ddefnyddiwyd

Y dull safonol o archwilio gwrthdrawiad cyflymder isel yw’r prawf gwrthdrawiad gollwng pwysau, gydag ymddygiad deunydd atodol a dadansoddiad o ddifrod. Mae’r awduron yn manylu bod llawer o waith ymchwil yn y maes yn defnyddio’r dulliau arbrofol a rhifyddol, gyda’r ymarferol yn cael ei ddefnyddio er mwyn dilysu’r modelu rhifyddol. Mae gwaith Alomari et al, Gliszczynski a Gonzalez-Jimenez et al, ymysg eraill yn cael ei gyfeirio ato fel rhan o’r drafodaeth hon. Dull amgen yn hytrach na defnyddio’r dull yma, sydd yn fwy effeithlon o ran amser a chost, yw dulliau rhifyddol a dadansoddol, heb arbrofion a phrofion ymarferol. Mae dulliau rhifyddol a dadansoddol yn cynnig mwy o fewnwelediad i ymddygiad defnyddiau a thrafodir nifer o ddeilliannau ymchwil yn seiliedig ar efelychiad a chanfyddiadau o fewn y papur.  

Nod yr astudiaeth hon yw dadansoddi ymddygiad gwrthdrawiad cyflymder isel platiau laminad polymer wedi’i atgyfnerthu gyda ffeibr carbon (CFRP), polymer wedi’i atgyfnerthu gyda ffeibr gwydr (GFRP), a pholymer wedi’i atgyfnerthu gyda ffeibr aramid (AFRP) Roedd gan y deunyddiau “wahanol ddilyniant lled-isotropig a dilyniant llwytho” ac “fe’u hamlygwyd i amrywiaeth o wrthdrawiadau lletraws”. Cafodd y tri deunydd cyfansawdd eu hamlygu i’r un amgylchiadau gwrthdrawiad rhifyddol er mwyn galluogi iddo fod yn ddadansoddiad cymharol. Elfen newydd o’r gwaith ymchwil hwn oedd y defnydd a wnaed o ANSYS Composite PrepPostþTransient Structural, gan ddangos bod y meddalwedd yn “addas ac effeithiol” ar gyfer gwaith ymchwil gwrthdaro rhifyddol.

• Cynhaliwyd achos dilysu er mwyn sicrhau cywirdeb yr efelychiad rhifyddol a bu i hyn sefydlu cydberthyniad cywirdeb.
• Cafodd cryfder y deunydd ar gyfer ei ddadansoddi’n rhifyddol eu cymryd o amrywiol ffynonellau a gyhoeddwyd a’u defnyddio i gyfrifo priodweddau laminadau cyfansawdd.
• Crëwyd model rhithiol o’r prawf gollwng pwysau er mwyn dadansoddi perfformiad gwrthdrawiad o amrywiol onglau.
• Ymgymerwyd ag achos dilysu rhifyddol, gan asesu’r tebygrwydd rhwng y canlyniadau arbrofol a rhifyddol.
• Yna cafodd y model rhithiol ei ddefnyddio mewn cyfres o efelychiadau er mwyn “archwilio dylanwad dilyniant llwytho laminadau ar ymwrthedd gwrthdaro cyfansawdd yn sgil gwrthdrawiadau lletraws cyflymder isel ar amrywiol onglau gwrthdaro.”
• Cafodd y canlyniadau eu gwerthuso a’u cymharu, gan gymryd i ystyriaeth y math o ddeunydd cyfansawdd ddefnyddiwyd, dylanwad dilyniant llwytho ar ymddygiad gwrthdrawiad, a dadansoddiad difrod.
• Yn dilyn hyn gwnaed argymhellion ar gyfer y dyluniad gan ddefnyddio laminadau cyfansawdd.

Ym myd matrics polymer wedi’i atgyfnerthu gyda ffeibr, defnyddir y prawf gollwng pwysau er mwyn profi a mesur y gallu i wrthsefyll difrod a dyma oedd y sail ar gyfer yr ymchwiliad perfformiad gwrthdrawiad.

Ffigwr 1. Gosodiad y prawf gwrthdaro gollwng pwysau (heb gynnwys y pedwar pin rwber oedd yn pwyso enghraifft y prawf i lawr ar y cynhaliwr)

Defnyddiwyd gwahanol gyflymder gwrthdrawiad ac onglau gwrthdrawiad ochr yn ochr gyda phrofi chwe dilyniant llwytho gwahanol ar gyfer y sbesimen prawf (sydd wedi'i restru yn Nhabl 2 yn y papur). Cafodd y dilyniannau llwytho a ddewiswyd eu trefnu mewn ffordd i ddarparu “perfformiad cryfder hafal y deunydd wrth iddo gael ei lwytho ym mhob cyfeiriad”, ac roedd hyn yn galluogi gwerthusiad o sut mae gwahanol gyfeiriadau ffibrau yn “dylanwadu ar ymwrthedd gwrthdrawiad a lluosogi difrod”.

Proses

Hafaliadau Llywodraethol

Darperir manylion am yr hafaliadau llywodraethol gan gynnwys dimensiynau gosodiad y prawf gollwng pwysau, cyfrifiadau o briodweddau deunydd orthotropig o bentyrrau cyfansawdd uncyfeiriad gyda gwahanol atgyfnerthiadau ffeibr, a’r meini prawf methiant Puck.

Priodweddau deunydd cyfansawdd

Cafodd AGY ffeibr E-wydr, ffeibr carbon Torray T700S a ffeibr aramid Kelvar 49 eu defnyddio yn yr ymchwiliad a defnyddiwyd TDE-307 85 gyda chyfrwng caledu DDS epocsi-resin fel matrics.

Mae’r papur yn manylu ar briodweddau’r deunydd hyblyg cyfansawdd orthotropig uncyfeiriad ar gyfer GFRP, CFRP, ac AFRP a gyfrifwyd gan ddefnyddio’r rheol gymysgu a pherthynas Hashin. Cafodd y cryfder pennaf o nifer o ffynonellau o lenyddiaeth eu casglu gan gyfrifo eu cyfartaledd, ac mae’r rhain yn cael eu cyflwyno o fewn y papur

Cafodd y cyfansoddion cyson ar gyfer GFRP, CFRP ac AFRP eu cymryd o’r llenyddiaeth a’u defnyddio er mwyn rhoi’r meini prawf methiant Puck ar waith.

Gosodiad FEM Rhifyddol

Cafodd pecyn meddalwedd CAE ANSYS Workbench 2023 R 1 Academic ei ddefnyddio ar gyfer efelychiad a thrafodir manylion y canlynol o fewn y papur:

• Dull a meddalwedd a ddefnyddiwyd
• Cynhyrchu Mesh
• Amgylchiadau ffiniau efelychu
• Achos dilysu

Canlyniadau a Thrafodaeth

Manylir ar nifer o gyfyngiadau’r ymchwiliadau FEM rhifyddol, gan gynnwys y nifer cyfyngedig o elfennau a nodau a all fod wedi effeithio ar gywirdeb.

Achos Dilysu

Roedd yr achos dilysu yn dangos bod cydberthyniad cryf rhwng y canlyniadau rhifyddol ac arbrofol arfaethedig. Mae mesuriadau’r ardal dilaminadu yn rhan o’r drafodaeth, gan mai dyma’r math mwyaf perthnasol o ddifrod rhynghaen gyda gwrthdrawiad cyflymder isel.

Dilyniannau Llwytho

Dangosodd yr ymchwil bod y perfformiad uchaf yn cael ei gyflawni drwy’r dilyniant llwytho QI-V ar gyfer GFRP, gan y dilyniant llwytho QI-I, QI-IV a QI-V ar gyfer CFRP a chan y dilyniannau llwytho QI-IV a QI-V ar gyfer AFRP. “Bu i’r dilyniannau llwytho QI-II, a QI- VI berfformio’n wael yn gyffredinol ac nid ydynt yn cael eu hargymell. I grynhoi, mae’r dilyniant llwytho QI-V yn gyfaddawd boddhaol ar gyfer GFRP, CFRP, ac AFRP ar draws yr holl ystod o onglau gwrthdaro.”

Pwysau Von Mises

Mae amlinellau pwysau Von Mises ar gyfer pentyrrau GFRP gyda dilyniannau llwytho penodol yn cael eu cynrychioli’n weledol o safbwynt yr 16 pentwr unigol, gan arddangos y gwahanol batrymau straen pob cainc unigol. Caiff y parthau gwrthdaro a gwasgaru eu hystyried, gan ddod i’r casgliad “y byddai’n rhesymol cyfnewid y pentyrrau allanol yn unig gyda deunydd cyfansawdd perfformiad uchel” sy’n ehangu cost effeithlonrwydd.

Ffigwr 2. Golwg o’r brig o amlinell pwysau Von Mises o bentyrau GFRP gyda dilyniant llwytho QI-V o dan wrthdrawiad 10J gydag ongl o 0 ֯ .

Egni cinetig a grym cyswllt

Cafodd y lleihad mewn egni cinetig yn dilyn gwrthdrawiad ar bob un o’r tri laminad cyfansawdd eu hadolygu mewn manylder gydag anhyblygrwydd y deunydd a dosbarthiad y straen yn rhan o’r deilliannau a welwyd.

Anffurfiad a Dilaminadu

Caiff anffurfiad a dilaminadu’r platiau laminad a’r aml-haen unigol ar draws GFRP, CFRP ac AFRP eu hadolygu yn eu tro, gyda chyffelybiaethau rhwng y deunyddiau’n cael eu hamlygu a’r prif wahaniaethau, gan gynnwys anhyblygrwydd yn cael eu nodi.

Casgliadau

• Mae gwrthdrawiad cyflymder isel hyd at ongl wrthdaro o 25˚ yn cynyddu’r difrod i’r platiau laminad cyfansawdd yn sylweddol.
• Ar onglau sydd dros 25˚ mae’r difrod yn lleihau’n sydyn. Mae wedyn yn parhau’n gyson fwy neu lai o hyd at 55˚ ac mae onglau sydd yn uwch na hyn yn achosi difrod helaeth.
• Ar draws GFRP. CFRP ac AFRP y dilyniant llwytho QI-V [0/45/-45/90/0/45/-45/90] yw’r cyfaddawd gorau o ystyried yr ystod llawn o onglau.
• Ar gyfer onglau gwrthdaro sy’n amrywio o 0 ˚ i 25 ˚, mae QI-IV [45/−45/0/90/45/−45/0/ 90] yn gweithio orau ar gyfer CFRP ac AFRP (ac eithrio GFRP). O ongl o 30˚ ymlaen, y dilyniant llwytho mwyaf priodol yw QI-III.

Mae’r awduron yn dod i gasgliad bod y “pwysau Von Mises uchaf sy’n fwyaf tebygo o achosi difrod, yn digwydd yn uniongyrchol yn y parth gwrthdaro ar y pentyrrau uwch o’r plât laminad cyfansawdd. Mae’r pwysau Von Mises agosaf uchaf nesaf i’w canfod yn y pentyrrau isaf, sy’n destun tensiwn oherwydd gwyriad a achosir gan wrthdrawiad.” Mae’r pwysau Von Mises isaf i’w canfod yng nghanol y platiau laminad cyfansawdd. Fe’i hystyrir yn rhesymol gan hynny ond i gyfnewid “y pentyrrau allanol yn unig gyda deunydd cyfansawdd yn arddangos nodweddion perfformio gwell, a chan hynny greu plât laminad cyfansawdd hybrid”.

Dadansoddir tueddiadau sydd wedi’u hadnabod mewn pwysau Von Mises ar draws anhyblygrwydd amrywiol deunyddiau ar ardaloedd dilamineiddio a grëir o ganlyniad.

Gwneir argymhellion ar gyfer gwaith ymchwil yn y dyfodol er mwyn gwella cywirdeb ymhellach, gan gynnwys ymgorffori pedwar pin rwber ar y gosodiad prawf gwrthdaro gollwng pwysau rhifyddol a chael priodweddau deunydd GFRP, CFRP ac AFRP drwy brofi arbrofol yn hytrach na llenyddiaeth.

Gallwch ddarllen y papur yn llawn yma.