Анализ мезоструктуры и кинетики разрушения элементов сетчатых композитных конструкций при трансверсальном сжатии с использованием стохастической МКЭ-микромеханики
Автор: Сапожников С.Б., Шабурова Н.А., Игнатова А.В., Шаныгин А.Н.
Статья в выпуске: 4, 2022 года.
Бесплатный доступ
Проведён анализ мезоструктуры конструктивных элементов сетчатых авиационных конструкций - рёбер, состоящих из чередующихся слоёв равной толщины из однонаправленного углепластика и чистого матричного материала. В экспериментальных исследованиях были получены упругие характеристики однонаправленного углепластика при трехточечном изгибе и трансверсальном сжатии. В результате продольный модуль упругости слоистого композита оказался равным 101 ГПа, модуль сдвига 2,95 ГПа. Также было выполнено численное моделирование мезо- и микромеханики взаимодействия отмеченных слоёв при трансверсальном сжатии вплоть до разрушения. Использован программный комплекс конечно-элементного анализа ANSYS (явная и неявная формулировки). Рассмотрены регулярная и стохастическая укладка волокон в поперечном сечении при сжатии. Диаметры волокон в композитном элементе были измерены на шлифах с помощью цифрового микроскопа Zeiss Axio Observer D1m и равны 5,1 ± 0,8 мкм. Слои с объемной долей волокон, которая составила около 60 %, чередуются со слоями чистой эпоксидной смолы. В качестве микромеханического критерия разрушения при сжатии и растяжении предложено использовать лишь первое главное напряжение в матрице. На первом этапе расчетов была решена задача трансверсального сжатия ячейки с регулярной укладкой волокон (погрешность величины трансверсального модуля упругости составила менее 2 %). На втором этапе была проведена оценка прочности и накоплении микроповреждений при сжатии в модели слоистой структуры со стохастической укладкой волокон. Анализ напряженно-деформированного состояния слоистой мезоструктуры при сжатии позволил объяснить причину того, что слоистое ребро имеет в два раза меньшую трансверсальную прочность, чем однородный углепластик. Расчётные значения пределов прочности при трансверсальном сжатии слоистого ребра хорошо согласуются с экспериментальными.
Углепластик, сетчатая оболочка, мезомеханика, слоистая структура, трансверсальное сжатие, изгиб, стохастическая микромеханика, мкэ, накопление повреждений, разрушение
Короткий адрес: https://sciup.org/146282592
IDR: 146282592 | УДК: 539.32 | DOI: 10.15593/perm.mech/2022.4.06
Analysis of mesostructure and fracture kinetics of elements of lattice composite structures under transversal compression using stochastic FEA micromechanics
The paper analyses the mesostructure of the structural elements of lattice aircraft shells - ribs consisting of alternating layers of equal thickness and made from unidirectional CFRP and pure matrix material. In experimental studies, the elastic characteristics of unidirectional CFRP were obtained under three-point bending and transversal compression. As a result, the longitudinal modulus of elasticity of the layered composite turned out to be 101 GPa, and the shear modulus was 2.95 GPa. Numerical modeling of the meso- and micromechanics of the interaction of the noticed layers under transversal compression has been performed up to failure. The ANSYS FEA software (explicit and implicit formulations) was used. The regular and stochastic stacking of fibres in the cross section under compression is considered. The fiber diameters in the composite element were measured on thin sections using a Zeiss Axio Observer D1m digital microscope and were equal to 5.1 ± 0.8 µm. Layers with a fiber volume fraction of about 60 % alternate with layers of pure epoxy. It is proposed to use only the first principal stress in the matrix as a micromechanical criterion for failure under com-pression and tension. At the first stage of calculations, the problem of transversal compression of a cell with a regular laying of fibres was solved (the error in the value of the transversal modulus of elasticity was less than 2 %). At the second stage, an assessment was made of the strength and accumulation of microdamages under compression in a model of a layered structure with stochastic fibre stacking. The analysis of stress-strain state of a layered mesostructure under compression made it possible to explain the reason that the rib has a trans-verse strength twice lower than that of a homogeneous CFRP. The calculated values of the ultimate strength in transversal compression of a layered rib are in good agreement with the experimental ones.
Список литературы Анализ мезоструктуры и кинетики разрушения элементов сетчатых композитных конструкций при трансверсальном сжатии с использованием стохастической МКЭ-микромеханики
- Azarov A.V. The problem of designing aerospace mesh composite structures // Mechanics of Solids. - 2018. - Vol. 53. -P. 427-434.
- Vasiliev V.V., Barynin V.A., Razin A.F. Anisogrid composite lattice structures - development and aerospace applications // Composite structures. - 2012. - Vol. 94, no. 3. - P. 1117-1127.
- Dubovikov E., Fomin V., Glebova M. Damage tolerance and repair of UD-ribs of lattice composite fuselage structures // Proceedings of the 30-th Congress of the International Council of the Aeronautical Sciences. - Deajeon, Korea, 2016.
- Totaro G., Gurdal Z. Optimal design of composite lattice shell structures for aerospace applications // Aerospace Science and Technology. - 2009. - Vol. 13, no. 4-5. - P. 157-164. DOI: 10.1016/j.ast.2008.09.001
- Review of delamination predictive methods for low speed impact of composite laminates / D.J. Elder, R.S. Thomson, M.Q. Nguyen, M L. Scott // Composite Structures. - 2004. - Vol. 66, no. 1-4. - P. 677-683. DOI: 10.1016/j.compstruct.2004.06.004
- Kim H., Kedward K.T. Modeling hail ice impacts and predicting impact damage initiation in composite structures // AIAA Journal. - 2000. - Vol. 38, no. 7. - P. 1278-1281. DOI: 10.2514/2.1099
- Kaddour A.S., Hinton M.J. Maturity of 3D failure criteria for fibre reinforced composites: Comparison between theories and experiments: Part B of WWFE-II // Journal of Composite Materials. - 2013. - Vol. 47, no. 6-7. - P. 925-966. DOI: 10.1177/2F0021998313478710
- Tsai J.-L., Kuo J.-C. Investigating strain rate effect on transverse compressive strength of fiber composites // Key Engineering Materials. - 2006. - Vol. 306-308. - P. 733-738. DOI: 10.4028/www. scientific.net/KEM.306-308.73 3
- Vural M., Kidd T.H., Ravichandran G. Dynamic transverse compressive failure of unidirectional fiber reinforced composites // Proceedings of the 11th International Conference on Fracture 2005 (ICF11). - Turin, Italy, 2005. - Vol. 5. - P. 3632-3636.
- Experimental analysis of polymer matrix composite microstructures under transverse compression loading / M. Flores, A. Sharits, R. Wheeler, N. Sesar, D. Mollenhauer // Composites Part A: Applied Science and Manufacturing. - 2022. - Vol. 156. -Paper number 106859. DOI: 10.1016/j.compositesa.2022.106859
- Micromechanical analysis of transversal strength of composite laminae / L.L. Vignoli, M.A. Savi, P.M.C.L. Pacheco, A.L. Kalamkarov // Composite Structures. - 2020. - Vol. 250. -Paper number 112546. DOI: 10.1016/j.compstruct.2020.112546
- A survey of numerical models for hail impact analysis using explicit finite element codes / M. Anghileri, L.-M.L. Castel-letti, F. Invernizzi, M. Mascheroni // International Journal of Impact Engineering. - 2005. - Vol. 31, no. 8. - P. 929-944. DOI: 10.1016/j.ijimpeng.2004.06.009
- Multi-scale characterization and modelling of the transverse compression response of unidirectional carbon fiber reinforced epoxy / J. Chevalier, P.P. Camanho, F. Lani, T. Pardoen // Composite Structures. - 2019. - Vol. 209. - P. 160-176. DOI: 10.1016/j.compstruct.2018.10.076
- Wongsto A., Li S. Micromechanical FE analysis of UD fibre-reinforced composites with fibres distributed at random over the transverse cross-section // Composites Part A: Applied Science and Manufacturing. - 2005. - Vol. 36, no. 9. - P. 1246-1266. DOI: 10.1016/j.compositesa.2005.01.010
- Tsai S.W., Wu E.M. A general theory of strength for anisotropic materials // Journal of Composite Materials. - 1971. -Vol. 5, no. 1. - P. 58-80.
- Whitney J.M., Nuismer R.J. Stress fracture criteria for laminated composites containing stress concentrations // Journal of Composite Materials. - 1974. - Vol. 8, no. 3. - P. 253-265.
- Daniel I.M., Ishai O. Engineering mechanics of composite materials. - 2nd ed. - New York: Oxford University Press, 2006. - 411 p.
- Hashin Z. Failure criteria for unidirectional fiber composites // Journal of Applied Mechanics. - 1980. - Vol. 47, no. 2. -P. 329-334.
- Gama B.A., Gillespie Jr. J.W. Finite element modeling of impact, damage evolution and penetration of thick-section composites // International Journal of Impact Engineering. - 2011. -Vol. 38, no. 4. - P. 181-197. DOI: 10.1016/j.ijimpeng.2010.11.001
- Fawaz Z., Zheng W., Behdinan K. Numerical simulation of normal and oblique ballistic impact on ceramic composite armours // Composite Structures. - 2004. - Vol. 63, no. 3-4. -P. 387-395. DOI: 10.1016/S0263-8223(03)00187-9
- Chang F.-K., Chang K.-Y. A progressive damage model for laminated composites containing stress concentrations // Journal of Composite Materials. - 1987. - Vol. 21, no. 9. - P. 834-855. DOI: 10.1177/2F002199838702100904
- Bonora N. A nonlinear CDM model for ductile failure // Engineering Fracture Mechanics. - 1997. - Vol. 58, no. 1-2. -P. 11-28.
- Damage accumulation in woven-fabric CFRP laminates under tensile loading: Part 1. Observations of damage accumulation / F. Gao, L. Boniface, S.L. Ogin, P.A. Smith, R.P. Greaves // Composites Science and Technology. - 1999. - Vol. 59, no. 1. -P. 123-136.
- Shahid I., Chang F.-K. An accumulative damage model for tensile and shear failures of laminated composite plates // Journal of Composite Materials. - 1995. - Vol. 29, no. 7. - P. 926-981.
- Wu F., Yao W. A fatigue damage model of composite materials // International Journal of Fatigue. - 2010. - Vol. 32, no. 1. - P. 134-138. DOI: 10.1016/j.ijfatigue.2009.02.027
- Nikishkov Y., Makeev A., Seon G. Progressive fatigue damage simulation method for composites // International Journal of Fatigue. - 2013. - Vol. 48. - P. 266-279. DOI: 10.1016/j.ijfatigue.2012.11.005
- Shabley A.A., Sapozhnikov S.B., Shipulin L.V. Stochastic micro-meso modeling of cross-ply composites for prediction of softening // Solid State Phenomena. - 2018. - Vol. 284. - P. 120-126. DOI: 10.4028/www.scientific.net/SSP.284.120
- ANSYS [Электронный ресурс]. - URL: https://www. ansys.com/ (дата обращения: 12.08.2022).
- ABAQUS/Standard user's manual: version 6.1 / Hibbitt, Karlsson and Sorensen, Inc., 2000.
- LS-DYNA R7.0 Keyword user's manual / LSTC, 2013.
- ZEISS Thixomet [Электронный ресурс]. - URL: https://www.zeiss.com/corporate/int/home.html (дата обращения: 20.07.2021).
- Timoshenko S.P., Gere J.M. Mechanics of Materials. -New York: Van Nostrand Reinhold Co., 1972. - 552 p.
- Shcherbakova A.O., Sapozhnikov S.B. Effect of the rounding radius of supports on the accuracy of determining the interlayer shear modulus of reinforced plastics from short-beam bending tests // Mechanics of composite materials. - 2001. -Vol. 37, no. 3. - P. 417-425.
- Guseinov K., Sapozhnikov S.B., Kudryavtsev O.A. Features of three-point bending tests for determining out-of-plane shear modulus of layered composites // Mechanics of Composite Materials. - 2022. - Vol. 58, no. 2. - P. 155-168. DOI: 10.1007/s11029-022-10020-7
- Barbero E.J. Introduction to composite materials design. -2nd ed. - Boca Raton: CRC Press, 2011. - 520 p.
- ANSYS SpaceClaim [Электронный ресурс]. - URL: http://www.spaceclaim.com/ (дата обращения: 20.07.2022).
- Taylor D. The theory of critical distances // Engineering Fracture Mechanics. - 2008. - Vol. 75, No 7. - P. 1696-1705.
- Bazant Z.P., Planas J. Fracture and size effect in concrete and other quasibrittle materials. - Boca Raton: CRC Press, 1998. -616 p.
- Sapozhnikov S.B., Cheremnykh S.I. The strength of fibre reinforced polymer under a complex loading // Journal of Composite Materials. - 2013. - Vol. 47, no. 20-21. - P. 2525-2552. DOI: 10.1177/2F0021998313476328
- Напряженно-деформированное состояние и разрушение элементов конструкций с острыми концентраторами напряжений при изгибе / С.Б. Сапожников, М.А. Иванов, С.И. Ярославцев, И.А. Щербаков // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. - 2017. - № 4. - С. 40-55. DOI: 10.15593/perm.mech/2017.4.04
- Strength and life of composites / S.W. Tsai (Ed). - Stanford: Composites design group, 2008. - 540 p.
