Анализ процессов деформирования и разрушения слоисто-волокнистых полимерных композиционных материалов при комбинированном нагружении

ВЕСТНИК ПНИПУ. МЕХАНИКА № 5, 2024PNRPU MECHANICS BULLETIN

Слоисто-волокнистные полимерные композиционные материалы (ПКМ) благодаря своим особым свойствам и некоторым преимуществам в сравнении с традиционными материалами широко применяются при проектировании и изготовлении ответственных конструкций, поэтому изучение процессов деформирования и разрушения таких материалов является актуальной задачей и привлекает внимание большого числа исследователей. Наиболее широко распространёнными среди таких конструкционных материалов являются волокнистые КМ с полимерной матрицей, так как они обладают высокими показателями прочности и низкой плотностью, что имеет ключевое значение для конструкций авиационного назначения.

Разрушение материала, как правило, сопровождается образованием и ростом трещин вплоть до полного разрешения конструкции. Равновесной или устойчивой эволюцией трещин называют их постепенный рост, когда для увеличения длины трещины требуется дополнительное внешнее воздействие. В момент, когда деформации достигают критических значений, трещина переходит в неравновесное состояние, развиваясь неконтролируемо без увеличения внешнего воздействия. Для увеличения живучести конструкций необходимо, чтобы стадия равновесного роста трещин соответствовала максимальной продолжительности процесса деформирования. Поэтому существуют методы, которые в той или иной степени увеличивают стадию равновесного роста трещин или тормозят их развитие и, как следствие, увеличивают прочностной ресурс конструкций. В работах [1–5] рассмотрен метод стабилизации роста трещин за счет реализации в процессе квазистатическо-го нагружения дополнительных вибраций. Авторами статей [6; 7] предложен метод нанесения тонких покрытий на поверхность изделий для замедления процессов развития повреждений. Также существуют и другие методы стабилизации процесса роста трещин, такие как повышение жёсткости нагружающей системы [1; 8–11] и начальная повреждённость структуры [2]. В ряде работ показано, что на кинетику роста трещин также может влиять и последовательность механического нагружения [12]. Оценить эффективность различных методов и способов стабилизации возможно на основе анализа диаграмм деформирования. Особый практический интерес при этом представляет участок закритического деформирования, соответствующий снижению напряжений при возрастающих деформациях. С использованием ниспадающей ветви деформирования можно получить информацию о степени и интенсивности повреждаемости материала, о характере процессов разрушения, об устойчивости процессов роста трещин и, как следствие, о степени катастрофичности гипотетического разрушения. Под степенью катастрофичности разрушения при этом понимается уровень напряжений в момент перехода процесса разрушения от равновесного характера к неравновесному. При полном разрушении накопленная внутренняя энергия высвобождается, и чем ниже уровень напряжений, тем ниже эта запасенная энергия и тем менее катастрофично произойдет разрушение материала. Показателем степени катастрофичности разрушения является протяжённость ниспадающей ветви диаграммы деформирования, величина снижения напряжений и модуль разупрочнения, характеризующийся наклоном этого участка. Протяжённость закри-тического участка по деформациям (перемещениям) характеризует продолжительность устойчивого роста трещин и отражается на живучести материала и конструкции.

С точки зрения прогнозирования поведения материалов в реальных условиях эксплуатации особый прикладной интерес представляют комбинированные виды нагружения – это совместное действие на исследуемый объект как минимум двух сил, действующих по различным осям или последовательное механическое и температурное нагружение, а также их совокупность. Реализация комбинированного механического нагружения является нетривиальной технической задачей в лабораторных условиях, что требует наличия специального испытательного оборудования и соответствующих методик. Для этого используются испытательные машины, способные реализовать двухосное и трёхосное нагружение, ударные установки, температурные камеры и печи. В частности, нагружение по типу двухосного растяжения [13] реализуется на крестообразных образцах [14; 15], нагружение по типу трёхосного сжатия [16] – на кубических образцах [17], а также нагружение по типу растяжения (сжатия) со сдвигом [2; 18; 19] реализуется на цилиндрических [20; 21] или плоских образцах [18]. Исследование остаточного ресурса конструкции является актуальной задачей механики разрушения. Так, в статьях проведена оценка степени повреждённо-сти КМ на примере воздействия квазистатического растяжения [22] или циклического сжатия [23] с предварительным ударом. Авторами [24] осуществлено исследование остаточного ресурса углепластика на растяжение после циклических воздействий. В настоящем исследовании также рассмотрено действие квазистатического растяжения с предварительным циклическим.

Для обеспечения применимости и практического использование результатов экспериментальных исследований при изучении характера деформирования и разрушения материалов в лабораторных условиях необходимо учитывать реальные условия эксплуатации и параметры физико-механического нагружения материалов в конструкциях. В частности, детали авиационного назначения испытывают действие комплекса нагрузок и различных внешних воздействий [25–27]. Так, центробежные силы приводят к возникновению напряжений растяжения, при этом могут приводить к изгибу и кручению. Кроме того, оказывают воздействие и газодинамические силы, также приводящие к изгибу и кручению. Часть этих нагрузок являются циклическими, приводящими к усталостным повреждениям материала.

Условия эксплуатации трубопроводов также определяют работу применяемых материалов в условиях комбинации нагрузок, как правило, в виде внутреннего давления, растяжения, изгиба и кручения [28; 29]. Таким образом, актуальность работ в области исследований деформирования и разрушения композиционных материалов в условиях действия комплексных нагрузок определяется современными практическими задачами оценки ресурса материалов и обеспечения прочности и живучести конструкций.

Целью данного исследования является получение экспериментальных данных о влиянии дополнительных вибраций кручения, приводящих к реализации сдвига, и предварительного циклического растяжения на процесс деформирования и разрушения образцов из ПКМ.

Материалы и оборудование

Исследование влияния предварительного циклического растяжения и дополнительных вибраций кручения на процессы закритического деформирования слоисто-волокнистых ПКМ проведено на образцах трёх типов из двух композиционных материалов. Для исследования ПКМ с углеродными волокнами использовался материал марки ВКУ-60, который представляет собой многослойный пакет, состоящий из двадцати слоёв равнопрочной углеродной ткани саржевого плетения (2×2) ВТкУ-2.200, пропитанных эпоксидным связующим ВСЭ-58 и уложенных параллельно относительно друг друга. Из заготовки вырезались плоские образцы заданной геометрии под углом 0° и 45° относительно направления основы. В качестве ПКМ со стеклянными волокнами использовался материал марки СТЭФ, который состоит из нескольких слоёв электроизоляционной стеклоткани полотняного плетения, пропитанных термореактивной матрицей, представляющей собой смесь эпоксидной (65 %) и фенолформальдегидной смолы (35 %). Образцы вырезались из листа под углом 0° к направлению основы.

Данные материалы обладают специальными свойствами, необходимыми в областях их непосредственного применения, поэтому рассмотрение процессов деформирования и разрушения именно этих материалов является актуальным. Физико-механические свойства материалов представлены в табл. 1.

Геометрия образцов углепластика ВКУ-60 и стеклопластика СТЭФ приведена на рис. 1. Фотографии образцов приведены на рис. 2. В центральной части образцов изготовлены краевые концентраторы, равноудалённые от верхнего и нижнего торцов. V -образная форма концентраторов позволяет реализовать максимальное напряжение в локальной точке, которая определяет максимальную вероятность образования трещины в этой зоне. Обеспечивался минимальный радиус скругления в вершине концентраторов. На образцах из материала ВКУ-60 был выполнен шевронный надрез в вершинах концентраторов.

Таблица 1

Физико-механические свойства материалов ВКУ-60 и СТЭФ

Physical and mechanical properties of materials VKU-60 and STEF

Table 1

Параметр	ВКУ-60	СТЭФ [30]
Содержание связующего, мас. %	33…39	35…40
Плотность, г/см3	1,49	1,68
σ в при растяжении [0], МПа, не менее	800	380
σ в при сжатии [0], МПа, не менее	600	240
σ в при межслоевом сдвиге [0], МПа, не менее	75	205
Модуль упругости E x = E y , ГПа	63,9	28
Модуль упругости E z , ГПа	10	8
Модуль сдвига G xy , ГПа	19,5	6,2
Модуль сдвига G xz = G yz , ГПа	2,7	3
Коэффициент Пуассона μ xy	0,04	0,18
Коэффициент Пуассона μ xz = μ yz	0,3	0,4

а

b

Рис. 1. Эскиз образцов углепластика ( а ) и стеклопластика ( b )

Fig. 1. Sketch of samples of carbon fiber reinforced plastic ( a ) and fiberglass ( b )

а b c

Рис. 2. Фотографии образцов ВКУ-60 [0] ( а ), ВКУ-60 [± 45] ( b ), СТЭФ ( c )

Fig. 2. Photos of samples VKU-60 [0] ( a ), VKU-60 [± 45] ( b ), STEF ( c )

Механические испытания образцов углепластика и стеклопластика проведены на универсальной двухосевой сервогидравлической испытательной системе In-stron 8802 [31], позволяющей реализовать комбинированное нагружение в условиях растяжения с кручением с максимальным осевым усилием 100 кН и крутящим моментом 1000 Н^м. Испытательная система позволяет реализовать полностью независимое квазистатическое или циклическое нагружение по каждой оси нагружения с частотами до 30 Гц. Погрешность измерения нагрузок и перемещений составляет 0,5 % от измеряемой величины. Передача усилия на плоские образцы из ВКУ-60 и СТЭФ осуществлялась с помощью клиновидных захватов.

Программа испытаний

Механическое нагружение образца состояло из двух этапов:

– циклическое одноосное растяжение амплитудой (усилий) Р а и частотой f для образования начальных усталостных повреждений в структуре материала,

– квазистатическое одноосное растяжение с постоянной скоростью 0,4 мм/мин с действием дополнительных вибраций кручения амплитудой (углом закручивания) φ и частотой v .

Для определения параметров циклического растяжения для выращивания в образце с V -образными концентраторами усталостных начальных трещин была проведена серия пробных испытаний образцов из ВКУ-60 со схемами армирования [0] и [± 45], а также образцов из СТЭФ. В результате квазистатических испытаний на одноосное растяжение определены максимальные растягивающие усилия Р В для образцов со схемой армирования [0] и нагрузки Р пр , соответствующие пределу пропорциональности для образцов со схемой армирования [± 45]. На основании результатов установочных усталостных испытаний, были выбраны параметры циклических воздействий, приведённые в табл. 2, которые обеспечивали возникновение повреждений в структуре исследуемых материалов при долговечности порядка 150 000 циклов. Также в таблице приведено базовое число циклов N предварительного нагружения образцов ВКУ-60 и базовая длина предварительно выращенной трещины для образцов СТЭФ. Кроме этого, в таблице указаны базовые значения параметров вибраций кручения. Базовые параметры фиксировались при варьировании прочих.

Уровень предварительного усталостного повреждения оценивался ультразвуковым методом и путем замера длины начальной трещины после разрушения образцов.

В рамках настоящей работы было рассмотрено влияние на закритическую стадию деформирования следующих факторов:

• 1.    Материал (углепластик/стеклопластик) и схема армирования ([0]/[± 45]) при квазистатическом растяже-

• нии, растяжении с предварительным циклированием и растяжении с дополнительными вибрациями кручения.

• 2.    Начальное усталостное повреждение циклическим растяжением (табл. 3) без вибраций и с вибрациями кручения при базовых параметрах.

• 3.    Амплитуда (угол закручивания) дополнительных вибраций кручения (см. табл. 3) при фиксированном базовом значении частоты.

• 4.    Частота дополнительных вибраций кручения (см. табл. 3) при фиксированном базовом значении амплитуды.

Таблица 2

Базовые параметры нагружения

Table 2

Basic loading parameters

Параметр	ВКУ-60		СТЭФ
	[0]	[± 45]
Рв , кН	62	30	77
Р пр , кН	–	16	–
Р max , кН	55	16	30
Р min , кН	25	2	10
Р cр , кН	40	9	20
Р a , кН	15	7	10
f , Гц	20	15	10
N , ед.	20 500	20 500	5000
l , мм	–	–	5
φ, °	0,4	0,4	0,4
v , Гц	20	20	15

Таблица 3

Параметры числа циклов и вибраций кручения

Table 3

Parameters of the number of cycles and torsional vibrations

Параметр	ВКУ-60		СТЭФ
	[0]	[± 45]
N	0	0	0
	5500	5500	5000
	20 500	20 500	75001
	100 500	100 500	–
φ, °	0	0	0
	0,2	0,2	0,2
	0,4	0,4	0,4
	0,6	0,6	0,6
v , Гц	0	0	0
	5	5	5
	20	20	15
	30	30	20

Для проведения оценки влияния рассматриваемых параметров были введены коэффициент реализации закритической стадии k , характеризующий степень безопасности разрушения, и коэффициент равновесности развития повреждений r , определяемые по диаграмме нагружения с применением формул (1) и (2):

P k = 1 —раз- , P B

где Р раз – нагрузка, при которой начинается динамический рост трещины; P_B – максимальная нагрузка, которую испытывает образец.

U раз U B ,

где U раз – перемещения, соответствующие нагрузке Р раз ; U B – перемещения, соответствующие максимальным нагрузкам P_B .

Используемые коэффициенты введены ранее в работе [2].

Результаты

Сравнение материалов и схем армирования проведено при испытании образцов ВКУ-60 [0], ВКУ-60 [± 45] и СТЭФ в условиях квазистатического растяжения. Проведено сравнение схем армирования углепластика при следующих видах нагружения:

• –    «статическое» растяжение;

• –    «статическое» растяжение с начальным циклическим растяжением;

• –    «статическое» растяжение с дополнительными вибрациями кручения;

• –    «статическое» растяжение в комбинации с циклическим растяжением и вибрациями кручения.

В результате проведения испытаний построены диаграммы деформирования (см. рис. 3). Фотографии разрушенных образцов приведены на рис. 4. Численно результаты отражены в табл. 4. Наибольшие значения параметров выделены жирным шрифтом.

σ,МПа

ВКУ-60 [0]

ВКУ-60 [±45]

СТЭФ

ВКУ-60 [0] (20500 циклов)

ВКУ-60 [±45] (20500 циклов)

ВКУ-60 [0] (0,4°; 20Гц)

ВКУ-60 [±45] (0,4°; 20Гц)

ВКУ-60 [0] (20500 циклов; 0,4°; 20Гц)

ВКУ-60 [±45] (20500 циклов; 0,4°; 20Гц)

0          0,05         0,1         0,15         0,2         0,25         0,3 ε

Рис. 3. Диаграммы деформирования ВКУ-60 [0], ВКУ-60 [± 45] и СТЭФ

Fig. 3. Deformation diagrams of VKU-60 [0], VKU-60 [± 45] and STEF

При испытании образцов на циклическое растяжение не удалось достичь образования усталостной трещины в углепластике при заданных параметрах циклирования. Образование усталостных трещин из вершин концентраторов зафиксировано на образцах СТЭФ. Это можно объяснить тем, что стеклянные волокна обладают меньшей жёсткостью, в отличие от углеродных.

а b c

Рис. 4. Фотографии образцов ВКУ-60 [0] ( а ), ВКУ-60 [± 45] ( b ), СТЭФ ( c ) после квазистатического растяжения

Fig. 4. Photos of samples VKU-60 [0] ( a ), VKU-60 [± 45] ( b ), STEF ( c ) after quasi-static stretching

Таблица 4

Сравнение исследуемых материалов при разных условиях нагружения

Comparison of the materials under study under different loading conditions

Table 4

Нагружение	Параметр	ВКУ-60 [0]	ВКУ-60 [± 45]	СТЭФ
«Статика»	σ В , МПа	432	208	370
	Рв , кН	59,58	28,58	–
	k	0,004	0,651	0,505
	r	1,000	1,271	1,116
«Циклика», «статика»	σ В , МПа	465	237	–
	k	0,007	0,813	–
	r	1,049	1,314	–
«Статика», вибрации	σ В , МПа	480	217	–
	k	0,000	0,876	–
	r	1,000	1,402	–
«Циклика», «статика», вибрации	σ В , МПа	425	212	–
	k	0,141	0,848	–
	r	1,028	1,523	–

Из диаграмм деформирования видно, что закрити-ческая стадия не реализуется в образцах материала ВКУ-60 с укладкой [0], так как при растяжении образцы разрушаются с образованием неравновесной трещины, при этом данный тип материала показал наибольшие значения предела прочности. Для образцов материала ВКУ-60 с укладкой [± 45] характерно образование трещин при изгибе и развороте волокон в направлении оси нагружения, наблюдается наличие «шейки» и существенное удлинение образца, что приводит к возникновению ниспадающей ветви диаграмм деформирования. Для образцов материала СТЭФ характерно образование равновесных трещин, что также приводит к реализации выраженной закритической стадии диаграмм деформирования.

Исследование влияния начальных усталостных повреждений на закритическую стадию деформирования проведено при испытании образцов ВКУ-60 [0], ВКУ-60 [± 45] и СТЭФ без дополнительных вибраций кручения и в условиях реализации крутильных вибраций. Диаграммы нагружения повреждённых образцов ВКУ-60 [0] после квазистатического растяжения представлены на рис. 5. Численно результаты отражены в табл. 5.

P, кН 60 55 50 45 40 35 30 25 20 15

5 0

0 циклов

5500 циклов

20500 циклов

100500 циклов

0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 U, мм

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6

b

Рис. 5. Диаграммы нагружения образцов ВКУ-60 [0] после «циклики»: а – без вибраций; b – в условиях вибраций

Fig. 5. Loading diagrams for VKU-60 [0] samples after the cyclic : a – without vibration; b – under vibration conditions

Таблица 5

Параметры закритической стадии деформирования образцов ВКУ-60 [0]

Table 5

Parameters of the supercritical stage of deformation of VKU-60 samples [0]

Нагружение	Параметр	0 циклов	5500 циклов	20 500 циклов	100 500 циклов
«Циклика», «статика»	Рв , кН	59,58	61,42	59,65	62,63
	k	0,004	0,017	0,007	0,011
	r	1,000	1,041	1,049	1,005
«Циклика», «статика», вибрации	Рв , кН	61,47	–	53,87	–
	k	0,000	–	0,141	–
	r	1,000	–	1,028	–

Из рис. 6 и табл. 5 видно, что повреждённые образцы выдержали большие прикладываемые усилия без наличия вибраций. Это связано со снятием технологических остаточных напряжений [32] при предварительном циклическом растяжении [24]. В образцах из ВКУ-60 [0] реализации закритической стадии и выявления влиянии начальной повреждённости достичь не удалось.

Диаграммы нагружения повреждённых образцов ВКУ-60 [± 45] после квазистатического растяжения представлены на рис. 6. Численно результаты отражены в табл. 6.

Рис. 6. Диаграммы нагружения образцов ВКУ-60 [± 45] после «циклики»: а – без вибраций; b – в условиях вибраций

Fig. 6. Loading diagrams for VKU-60 samples [± 45] after the cyclic : a – without vibration; b – under vibration conditions

Таблица 6

Параметры закритической стадии деформирования образцов ВКУ-60 [± 45]

Table 6

Parameters of the supercritical stage of deformation of VKU-60 samples [± 45]

Нагружение	Параметр	0 циклов	5500 циклов	20 500 циклов	100 500 циклов
«Циклика», «статика»	Рв , кН	28,58	30,29	30,24	31,85
	k	0,651	0,710	0,813	0,988
	r	1,271	1,235	1,314	1,533
«Циклика», «статика», вибрации	Рв , кН	27,28	28,48	26,95	32,88
	k	0,876	0,905	0,848	0,832
	r	1,402	1,240	1,523	1,279

Из рис. 6 и табл. 6 видно, что повреждённые образцы выдержали бо́ льшие прикладываемые усилия без вибраций, как и образцы из ВКУ-60 [0]. Коэффициент реализации закритической стадии и коэффициент равновесного роста повреждений увеличиваются с возрастанием числа циклов предварительного нагружения. Подобной зависимости не наблюдается в условиях вибрационных воздействий.

Диаграммы нагружения повреждённых образцов СТЭФ после квазистатического растяжения представлены на рис. 7. Численно результаты отражены в табл. 7.

P, кН

без трещины; 0,2°; 15Гц с трещиной 5 мм; 0,2°; 15Гц с трещиной 10 мм; 0,2°; 15Гц

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 2,2 U, мм

b

Рис. 7. Диаграммы нагружения образцов СТЭФ после «циклики»: а – без вибраций; b – в условиях вибраций

Fig. 7. Loading diagrams of STEF samples after a cyclic : a – without vibration, b – under vibration conditions

Таблица 7

Параметры закритической стадии деформирования образцов СТЭФ

Parameters of the supercritical stage of deformation of STEF samples

Table 7

Нагружение	Параметр	0 циклов	5000 циклов (трещина 5 мм)	7500 циклов (трещина 10 мм)
«Циклика», «статика»	Рв , кН	76,76	35,55	30,29
	k	0,505	0,459	0,182
	r	1,116	1,273	1,103
«Циклика», «статика», вибрации	Рв , кН	63,52	36,63	33,33
	k	0,560	0,417	0,353
	r	1,077	1,166	1,173

Из рис. 7 и табл. 7 видно, что трещины длиной 5 мм снизили максимальные прикладываемые усилия на 54 % (42 % с вибрациями), а трещины длиной 10 мм – на 60 % (48 % с вибрациями), в отличие от образцов из углепластика, где напротив начальная повреждённость увеличивает максимальные усилия без дополнительных вибраций. Коэффициент реализации закритической стадии уменьшается с увеличением длины начальной трещины. Подобная зависимость наблюдается и в условиях вибрационных воздействий. Коэффициент равновесного роста трещины больше при условии наличия начальных трещин, при этом с увеличением её начальной длины коэффициент растёт только в условиях вибраций.

Исследование влияния дополнительных вибраций кручения с разной амплитудой и частотой закручивания на закритическую стадию деформирования проведено в испытаниях образцов ВКУ-60 [0], ВКУ-60 [± 45] без дополнительных вибраций кручения и с вибрациями с амплитудой угла закручивания 0,2°, 0,4°, 0,6° при частоте 20 Гц и с вибрациями с частотой 5 Гц, 20 Гц и 30 Гц при амплитуде угла закручивания 0,4°. Для образцов СТЭФ – без дополнительных вибраций кручения и с вибрациями с амплитудой угла закручивания 0,2°, 0,4°, 0,6° при частоте 15 Гц и с вибрациями с частотой 5 Гц, 15 Гц и 20 Гц при амплитуде угла закручивания 0,4°.

b

Рис. 8. Диаграммы растяжения образцов ВКУ-60 [0] с вибрациями: а – изменение амплитуды; b – изменение частоты

Fig. 8. Tensile diagrams of samples VKU-60 [0] with vibrations: a – change in amplitude; b – change in frequency

На рис. 8 показаны диаграммы растяжения образцов ВКУ-60 [0] с вибрациями кручения при разном угле закручивания и при разной частоте с фиксированными базовыми параметрами. В табл. 8 представлены численные результаты предельных усилий и расчётов коэффициентов.

Таблица 8

Параметры закритической стадии деформирования образцов ВКУ-60 [0] при растяжении с дополнительными вибрациями кручения

Table 8

Parameters of the supercritical stage of deformation of VKU-60 [0] samples under tension with additional torsional vibrations

Параметр	Без вибраций	Фактор амплитуды вибраций			Фактор частоты вибраций
		0,2°	0,4°	0,6°	5 Гц	20 Гц	30 Гц
Рв , кН	59,58	60,43	61,47	62,01	59,88	61,47	53,87
k	0,004	0,000	0,000	0,070	0,037	0,000	0,053
r	1,000	1,001	1,000	1,024	1,010	1,000	1,008

Изменение амплитуды или частоты не повлияло на реализацию закритической стадии деформирования в образцах ВКУ-60 [0]. Из диаграмм нагружения видно, что образцы выдержали большие прикладываемые усилия при реализации дополнительных вибраций кручения (с увеличением угла увеличивается максимальное усилие) при частоте 20 Гц. Это может быть связано, так же, как и при начальной повреждённости, со снятием технологических остаточных напряжений и локальным распрямлением волокон [24] под действием вибраций. Частота вибраций не оказала значимого влияния на предельные нагрузки разрушения образцов.

На рис. 9 показаны диаграммы растяжения образцов ВКУ-60 [± 45] с вибрациями кручения при разной амплитуде угла закручивания и при разной частоте с фиксированными базовыми параметрами. В табл. 9 представлены численные результаты предельных усилий и расчётов рассматриваемых коэффициентов.

Полученные диаграммы нагружения образцов ВКУ-60 [± 45] показали, что с увеличением угла закручивания при вибрациях с частотой 20 Гц увеличивается максимальное усилие, которое выдерживает образец, аналогично ВКУ-60 [0]. Изменение частоты вибраций не оказало значимого влияния на предельные нагрузки разрушения образцов. При действии дополнительных вибраций кручения коэффициенты реализации закритической стадии возрастают (исключение v = 5 Гц; φ = 0,4).

На рис. 10 показаны диаграммы растяжения образцов СТЭФ с вибрациями кручения при разной амплитуде угла закручивания и при разной частоте воздействий с фиксированными базовыми параметрами. В табл. 10 представлены численные результаты предельных усилий и расчётов коэффициентов.

Полученные диаграммы нагружения образцов СТЭФ показали, что дополнительные вибрации кручения снизили максимальные усилия при разрушении, в отличие от углепластика ВКУ-60. При действии дополнительных вибраций кручения коэффициент реализации закритической стадии возрастает.

Рис. 9. Диаграммы растяжения образцов ВКУ-60 [± 45] с вибрациями: а – изменение амплитуды; b – изменение частоты

P, кН

b

Fig. 9. Tensile diagrams of samples VKU-60 [± 45] with vibrations: a – change in amplitude; b – change in frequency

Таблица 9

Параметры закритической стадии деформирования образцов ВКУ-60 [± 45] при растяжении с дополнительными вибрациями кручения

Table 9

Parameters of the supercritical stage of deformation of samples VKU-60 [± 45] in tension with additional torsional vibrations

Рис. 10. Диаграммы растяжения образцов СТЭФ с вибрациями, для образцов без трещин: а – влияние амплитуды; b – влияние частоты; для образцов с трещинами; c – влияние амплитуды; d – влияние частоты

d

Параметр	Без вибраций	Фактор амплитуды вибраций			Фактор частоты вибраций
		0,2°	0,4°	0,6°	5 Гц	20 Гц	30 Гц
Рв , кН	28,58	26,97	27,28	29,35	27,29	27,28	28,35
k	0,651	0,709	0,876	0,699	0,640	0,876	0,729
r	1,271	1,340	1,402	1,284	1,246	1,402	1,327

Fig. 10. Tensile diagrams of STEF samples with vibrations, where for samples without cracks: a – is effect of amplitude; b – is effect of frequency; for samples with cracks; c – is influence of amplitude; d – is influence of frequency

Таблица 10

Параметры закритической стадии деформирования образцов СТЭФ при растяжении с дополнительными вибрациями кручения

Table 10

Parameters of the supercritical stage of deformation of STEF samples under tension with additional torsional vibrations

Нагружение	Параметр	Без вибраций	Фактор амплитуды вибраций			Фактор частоты вибраций
			0,2°	0,4°	0,6°	5 Гц	15 Гц	20 Гц
«Статика», вибрации	Рв , кН	76,76	63,52	70,17	57,99	64,27	70,17	57,36
	k	0,505	0,56	0,697	0,634	0,563	0,697	0,669
	r	1,116	1,077	1,138	1,208	1,100	1,138	1,151
«Циклика», «статика», вибрации	Рв , кН	35,55	36,63	40,84	34,41	–	40,84	36,32
	k	0,459	0,417	0,611	0,392	–	0,611	0,49
	r	1,273	1,166	1,270	1,269	–	1,270	1,169

Заключение

Проведено исследование процессов деформирования и разрушения ПКМ при квазистатическом растяжении с дополнительными вибрациями на кручение, а также с предварительным циклическим накоплением повреждений в условиях растяжения. Рассмотрено влияние начальной усталостной повреждённости и дополнительных вибраций кручения с различными параметрами на деформирование и разрушение образцов углепластика со схемой армирования [0] и [± 45] и образцов стеклопластика. Показана возможность положительного влияния способов нагружения и наличия дополнительных воздействий на устойчивость процессов закритического поведения образцов композиционных материалов с концентраторами и начальными трещинами.

В результате определены следующие основные выводы:

• 1.    Образцы ВКУ-60 [0] разрушались без реализации закритической стадии деформирования (значение коэффициента k от 0 до 0,15), что говорит о высокой степени опасности разрушения такого материала, сопровождающимся лавинообразным ростом магистральной трещины. Реализация закритической стадии деформирования наблюдалась в образцах ВКУ-60 [± 45] и СТЭФ, при этом для ВКУ-60 [± 45] стадия была наиболее выражена.