Баллистические повреждения слоистого стеклопластика и их ремонт методом ультразвуковой пропитки матричным компаундом
Автор: Жихарев М.В., Сапожников С.Б.
Статья в выпуске: 4, 2015 года.
Бесплатный доступ
Изучение характера повреждения проводили на примере пластины из стеклопластика СТЭФ (матрица - эпоксидная смола, наполнитель - стеклоткань полотняного переплетения, шесть слоев), который подвергали обстрелу на специально разработанном разгонном стенде. Эксперименты по пробою пластин были проведены стальным сферическим ударником диаметром 6 мм (масса 1,05 г) с начальными скоростями 50-900 м/с. Обработка экспериментальных данных по удару имитатором осколка проведена с использованием эмпирической зависимости Ламберта и показала величину баллистического предела ~180 м/с. На основании проведенных экспериментов получена зависимость площади зоны расслоения в образце от начальной скорости ударника V 0. Наибольшая площадь повреждений образуется при скоростях, близких к баллистическому пределу. Это связано с тем, что при таких скоростях образец поглощает всю кинетическую энергию ударника за счет расслоения. Обнаружено, что в месте удара ширина раскрытия трещины расслоения достигает максимальной величины 50 мкм. Для определения остаточной прочности были проведены испытания на растяжение на испытательной машине INSTRON образцов с повреждениями после баллистических испытаний. На основании проведенных экспериментов предложено заменять зону повреждения эквивалентным отверстием. При произвольном напряженном состоянии оценка остаточной прочности композита с концентратором напряжений производится приближенным экспресс-методом, основанным на энергетическом подходе. Таким образом, определяя размер зоны повреждения и диаметр эквивалентного отверстия, можно предсказывать остаточную прочность элемента конструкции. Так как даже небольшие повреждения существенно снижают нагрузку разрушения образцов, разработан эффективный метод ремонта расслоений. Ремонт происходит путем заполнения пустот между слоями стеклоткани матричным компаундом на основе эпоксидной смолы. Эпоксидная смола связывает слои между собой, что обеспечивает их дальнейшую совместную работу. Изучены факторы, влияющие на реологические свойства матрицы (вязкость эпоксидного компаунда и поверхностное натяжение в аспекте капиллярных эффектов). Было показано, что ультразвуковой разогрев матрицы до температуры 60 °C позволяет полностью заполнить отмеченные выше трещины расслоения длиной до 20 мм за 90 секунд. В результате использования данного метода прочность образца после ремонта составляет 80-90 % от исходного неповрежденного.
Ремонт, ультразвуковой разогрев, баллистический удар, расслоение, остаточная прочность, капиллярные эффекты
Короткий адрес: https://sciup.org/146211595
IDR: 146211595 | УДК: 532.6, | DOI: 10.15593/perm.mech/2015.4.06
Ballistic damages of GFRP and their repairs using ultrasound matrix impregnation
The research of type of damages was carried out using the GFRP plates made of STEF (matrix - epoxy resin, filler - plain weave glass fibre fabric, six layers, 2 mm of thickness), which were fired at the special stand. Experiments were conducted with steel spherical impactors, 6.35 mm diameter (weight of 1.05 g) with terminal velocity 50-900 m/s. Experimental data of ballistic curves was fitted by least-square regression according to the classical Lambert-Jonas equation. According to this data, the perforation begins with velocity ~180 m/s (ballistic limit V50). The dependence of delamination area vs. initial velocity V0 was obtained as results of experimental data optical processing. The maximum delamination area is formed when the velocity is close to the ballistic limit. The main reason of it is that the specimens absorb all the kinetic energy of the impactor at this velocity. It was found that at the impact point the maximum of interlayer crack gaps (delamination thickness) reaches ~50 microns. The tests provided on tensile specimens with ballistic damages were performed at INSTRON testing machine to determine the residual strength with such defects. On the basis of the experiments we propose to replace the damaged area by an open hole with the equivalent diameter. For an arbitrary loading the evaluation of residual strength was made by the express-method based on the energy approach. Thus, determining the size of the damaged area and the equivalent diameter holes, we can predict the residual strength of the structural element with a defect. Due to the fact that small damages significantly reduce the fracture load of specimens, an effective method of repairingdelamination was developed. The repair occurs by filling the cracks between the layers using the epoxy resin compound. Epoxy resin links the layers together that provides their further joint work. The factors influencing the rheological properties of the matrix (epoxy compound viscosity and surface tension in terms of capillary effects) were studied. It was shown that a matrix ultrasound heating up to the temperature of 60 °C allows a complete filling of the above-mentioned crack of delamination at the length up to 20 mm for 90 seconds. Further, for complete matrix curing we used the local infrared heater. As a result of the repair, GFRP strength properties run up to 80- 90 % of the initial undamaged one.
Список литературы Баллистические повреждения слоистого стеклопластика и их ремонт методом ультразвуковой пропитки матричным компаундом
- Abrate S. Impact on composite structures. -New York: Cambridge University Press, 1998.
- Low-velocity impact behavior of CNF-filled glass-reinforced polyester composites/M.E. Hossain, M.K. Hossain, M. Hosur, S. Jeelani//Journal of Composite Materials. -2014. -Vol. 48. -P. 879-896. DOI: DOI: 10.1177/0021998313480194
- Research on low velocity impact damage of laminated composite/S.C. Long, Z.J. Li, G. Kuang, Y.B. He, X.H. Yao//Applied Mechanics and Materials. -2014. -Vol. 513-517. -P. 201-205. DOI: 10.4028/www.scientific.net/AMM.513-517.201
- Prediction of residual strength of laminated composites subjected to low velocity impact/Y. Zhao, C. Hess, E.V.K. Hill, C.-S. Wang//Proceedings of the Annual Technical Conference ANTEC-2004. -Chicago, United States, May 16-20, 2004. -Vol. 2. -P. 1369-1373.
- Guan Z., Yang C. Low-velocity impact and damage process of composite laminates//Journal of Composite Materials. -2002. -Vol. 36. -P. 851-871. DOI: DOI: 10.1177/0021998302036007512
- Balasubramani V., Rajendra Boopathy S. Prediction of residual tensile strength of laminated composite plates after low velocity impact//ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences. -2014. -Vol. 9. -P. 320-325.
- Analysis of adhesively bonded repairs in composites: Damage detection and prognosis/M.A. Caminero, S. Pavlopoulou, M. Lopez-Pedrosa, B.G. Nicolaisson, C. Pinna, C. Soutis//Composite Structures. -2013. -Vol. 95. -P. 500-517. DOI: DOI: 10.1016/j.compstruct.2012.07.028
- Battle damage repair of a helicopter composite main rotor blade/W.K. Chiu, Z. Zhou, J. Wang, A. Baker//Composites. Part B: Engineering. -2012. -Vol. 43. -P. 739-753. DOI: DOI: 10.1016/j.compositesb.2011.07.014
- Campbell F.C. Structural Composite Materials. -Materials Park. -ASM International Technical Book Committee, 2010.
- Caliskan M. Evaluation of bonded and bolted repair techniques with finite element method//Materials and Design. -2006. -Vol. 27. -P. 811-820. DOI: DOI: 10.1016/j.matdes.2006.01.024
- Injection repair of carbon fiber/bismaleimide composite panels with bisphenol E cyanate ester resin/M. Thunga, A. Bauer, K. Obusek, R. Meilunas, M. Akinc, M.R. Kessler//Composites Science and Technology. -2014. -Vol. 100. -P. 174-181. DOI: DOI: 10.1016/j.compscitech.2014.05.024
- Savage G., Oxley M. Repair of composite structures on Formula 1 race cars//Engineering Failure Analysis. -2010. -Vol. 17. -P. 70-82. DOI: DOI: 10.1016/j.engfailanal.2008.11.006
- Sapozhnikov S., Zhikharev M. Impact damages and healing of GFRP sandwich skin//ECCM-16. 16th European conference on composite materials. -Seville, Spain, 2014, June 22-26. -P. 8.
- ГОСТ 12652-74. Cтеклотекстолит электротехнический листовой -Введ. 1976-01-01. -14 с. . -URL: http://standartgost.ru/%D0%93%D0%9E%D0%A1%D0%A2%2012652-74 (дата обращения: 29.06.2015)
- Сапожников С.Б., Кудрявцев О.А. Компактный разгонный стенд для баллистических испытаний//Вестн. ЮУрГУ. Сер. Машиностроение. -2012. -№ 20. -С. 139-143.
- Lambert J.P., Jonas G.H. Towards standardization in terminal ballistics testing: Velocity representation, BRL Report No. 1852/U.S. Army Ballistic Research Laboratories. -MD.: Aberdeen Proving Ground, 1976.
- Danial I.M., Ishai O. Engineering mechanics of composite materials. -New York: Oxford University Press, 2006.
- Sapozhnikov S.B., Cheremnykh S.I. The strength of fibre reinforced polymer under a complex loading//Journal of Composite Materials. -2013. -Vol. 47. -P. 2525-2552. DOI: DOI: 10.1177/0021998313476328
- Levine I.N. Physical Chemistry. -5th ed. -Boston: McGraw-Hill, 2001.
- Фролов Ю.Г. Курс коллоидной химии. Поверхностные явления и дисперсные системы. -М.: Химия, 1988. -464 с.
