Научные статьи \ Прикладные науки. Медицина. Технология \ Инженерное дело. Техника в целом \ Испытания материалов. Товароведение. Силовые станции. Общая энергетика

Деформирование и разрушение тканевого углепластика при ультрамалоцикловом растяжении вдоль основы

Деформирование и разрушение тканевого углепластика при ультрамалоцикловом растяжении вдоль основы

Автор: Сапожников С.Б., Лешков Е.В., Лобанов Д.С., Чеботарва Е.А.

Журнал: Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика @vestnik-pnrpu-mechanics

Статья в выпуске: 5, 2024 года.

Бесплатный доступ

Представлены результаты экспериментальных исследований деформирования, акустической эмиссии и накопления микроповреждений в тканевом углепластике полотняного переплетения при циклическом растяжении вдоль нитей основы. Измерения деформаций проведены с помощью оптического экстензометра, обеспечивающего точное позиционирование образца вдоль направления нагружения. Программа нагружения предусматривала до 100 циклов растяжения с коэффициентом асимметрии R =0,1 с последующим дорывом. Все образцы выдержали программу предварительного циклического нагружения. Максимальные значения напряжений в циклах соответствовали 25…90 % от статического предела прочности. Выявлено, что в процессе циклического растяжения происходит одностороннее накопление деформаций (циклическая ползучесть). Накопленная деформация немонотонно зависит от максимального напряжения в цикле, возрастая до 600 МПа и снижаясь при больших напряжениях. Анализ кинетики деформирования в циклах выявил рост касательного модуля, что связано, очевидно, с распрямлением волокон. При дорыве отмечено повышение на 5-10 % остаточной прочности в сравнении с пределом прочности при однократном нагружении. Явления акустической эмиссии происходят как в полуциклах растяжения, так и в полуциклах разгрузки, эффект Кайзера не наблюдается. Циклические испытания при температуре 80 °С показали резкое снижение числа акустических событий и исчезновение событий в средних диапазонах частот. Это связано с тем, что нагрев приводит к снижению остаточных технологических напряжений в элементах мезоструктуры тканевого композита, вызывая изменения в процессе возникновения микроповреждений поперек волокон и на сдвиг в местах переплетения нитей основы и утка. Разрушение образцов во всех случаях происходит при достижении продольными деформациями величины 1,50 ± 0,06 %. Это может служить основой для прогнозирования прочности при других программах циклического нагружения.

Еще

Тканевый углепластик, циклическое нагружение, акустическая эмиссия, накопление микроповреждений, эффект кайзера, разрушение

Короткий адрес: https://sciup.org/146283060

IDR: 146283060   |   УДК: 620.171.34,   |   DOI: 10.15593/perm.mech/2024.5.07

Ultra-low-cycle tension of fabric CFRP along the warp

The paper presents the results of experimental studies of deformation, acoustic emission and accumulation of micro-damages in plain weave fabric carbon fiber reinforced plastic (CFRP) under cyclic tension along the warp threads. Strain measurements were carried out using an optical extensometer, which ensures accurate positioning of the specimen along the loading direction. The loading program included up to 100 stretching cycles with an asymmetry coefficient of R = 0.1 followed by failure. All specimens passed the pre-cyclic loading program. The maximum stress values in the cycles corresponded to 25...90 % of the static tensile strength. It is revealed that in the process of cyclic tension, a one-sided accumulation of strain (cyclic creep) occurs. The accumulated strain depends nonmonotonically on the maximum stress in the cycle, increasing to 600 MPa and decreasing at high stresses. Analysis of the strain kinetics in cycles revealed an increase in the tangential modulus, which is obviously due to the straightening of the fibers. During rupture, an increase of 5-10 % in residual strength was noted in comparison with the ultimate strength under single loading. Acoustic emission phenomena occur both in half-cycles of stretching and in half-cycles of unloading, the Kaiser effect is not observed. Cyclic tests at a temperature of 80 ° C showed a sharp decrease in the number of acoustic events and the disappearance of events in the medium frequency ranges. This is due to the fact that heating leads to a decrease in residual technological stresses in the mesostructure elements of the fabric composite, causing changes in the process of micro-damage across the fibers and to a shift in the places where the warp and weft threads intertwine. In all cases, the failure of the specimens occurs when the longitudinal strain reach a value of 1.50 ± 0.06%. This can serve as a basis for predicting strength in other cyclic loading programs.

Еще

Список литературы Деформирование и разрушение тканевого углепластика при ультрамалоцикловом растяжении вдоль основы

  • Daniel, I.M. Engineering mechanics of composite materials / I.M. Daniel, O. Ishai. – 2nd ed. – New York: Oxford University Press, 2006. – 411 p.
  • Barbero, E.J. Introduction to composite materials design / E.J. Barbero. – 2nd ed. – New York: CRC Press, 2011. – 520 p.
  • Carvelli, V. Fatigue of textile and short fiber reinforced composites / V. Carvelli, A. Jain, S.V. Lomov. – Wiley – ISTE, 2017. – 212 p.
  • Characterization of fatigue behavior of long fiber reinforced thermoplastic (LFT) composites / A. Goel, K.K. Chawla, U.K. Vaidya, N. Chawla, M. Koopman // Materials Characterization. – 2009. – Vol. 60, no. 6. – P. 537–544. DOI: 10.1016/j.matchar.2008.12.020
  • Clay, S.B. Experimental results of fatigue testing for calibration and validation of composite progressive damage analysis methods / S.B. Clay, P.M. Knoth // Journal of Composite Materials. – 2017. – Vol. 51, no. 15. – P. 2083–2100. DOI: 10.1177/0021998316670132
  • An investigation of fatigue behavior and residual strength model of steel-GFRP composite bar / Y.J. Cai, Z.H. Xie, S.H. Xiao, Z.R. Huang, J.X. Lin, Y.C. Guo, K.X. Zhuo, P.Y. Huang // Composite Structures. – 2024. – Vol. 327. – art. no. 117685. DOI: 10.1016/j.compstruct.2023.117685
  • Microstructure analysis of carbon-fiber-reinforced polymer laminates subjected to self-heating and fatigue strengthening under tension-tension fatigue loading / L. Qiao, L. Zhou, J. Zuo, X. Ding, D. Wu, X. Li, X. He, Q. Wu // Journal of Reinforced Plastics and Composites. – 2024. DOI: 10.1177/07316844241259104
  • Nicholas T. High cycle fatigue. A mechanics of materials perspective. – Elsevier Science, 2006. – 641 p.
  • Bond, I.P. Fatigue life prediction for GRP subjected to variable amplitude loading / I.P. Bond // Composites Part A. – 1999. – Vol. 30, no. 8. – P. 961–970. DOI: 10.1016/S1359-835X(99)00011-1
  • Caprino, G. Fatigue lifetime of glass fabric/epoxy composites / G. Caprino, G. Giorleo // Composites Part A. – 1999. – Vol. 30, no. 3. – P. 299–304. DOI: 10.1016/S1359-835X(98)00124-9
  • Hwang, W. Fatigue of composites-fatigue modulus concept and life Prediction / W. Hwang, K.S. Han // Journal of Composite Materials. – 1986. – Vol. 20, no. 2. – P. 154–165. DOI: 10.1177/00219983860200020
  • Shokrieh, M.M. Progressive fatigue damage modeling of cross-ply laminates, I: modeling strategy / M.M. Shokrieh, F. Taheri-Behrooz // Journal of Composite Materials. – 2010. – Vol. 44, no. 10. – P. 1217–1231. DOI: 10.1177/0021998309351604
  • Van Paepegem, W. Experimental setup for and numerical modelling of bending fatigue experiments on plain-woven glass/epoxy composites / W. Van Paepegem, J. Degrieck // Composite Structures. – 2001. – Vol. 51, no. 1. – P. 1–8. DOI: 10.1016/S0263-8223(00)00092-1
  • Nikishkov, Y. Progressive fatigue damage simulation method for composites / Y. Nikishkov, A. Makeev, G. Seon // International Journal of Fatigue. – 2013. – Vol. 48. – P. 266–279. DOI: 10.1016/j.ijfatigue.2012.11.005
  • Vassilopoulos, A.P. Fatigue behavior and life prediction of wind turbine blade composite materials / A.P. Vassilopoulos // Advances in Wind Turbine Blade Design and Materials. – 2023. – P. 287–340. DOI: 10.1016/B978-0-08-103007-3.00005-7
  • Prediction on fatigue properties of the plain weave composite under broadband random loading / Y. Sun, Y. Zhang, C. Yang, Y. Liu, X. Chen, L. Yao, W. Gao // Fatigue and Fracture of Engineering Materials and Structures. – 2021. – Vol. 44, no. 6. – P. 1515–1532. DOI: 10.1111/ffe.13445
  • An enhanced fatigue damage model based on strength degradation of composite materials / S. Liu, Z. Liu, K. Zhou, Y. Liu, X. Xiong, T. Liao, N. Ye // Fatigue and Fracture of Engineering Materials and Structures. – 2024. DOI: 10.1111/ffe.14418
  • A model of strength degradation for glass fiber reinforced polymer composite laminates under fatigue loading / Q. Ma, J. Song, T. Tang, Z. An // Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part C: Journal of Mechanical Engineering Science. – 2022. – Vol. 236, no. 14. – P. 7953–7961. DOI: 10.1177/09544062221079172
  • Thermomechanical fatigue behavior of CF/PEKK composite under low and ultrasonic frequencies / J. Amraei, T. Rogala, A. Katunin, A. Premanand, G. Kokot, D. Wachla, W. Kuś, M. Bilewicz, B. Khatri, F. Balle // Composites Part B: Engineering. – 2024. – Vol. 281. – art. no. 111539. DOI: 10.1016/j.compositesb.2024.111539
  • Strength and stiffness degradation modeling and fatigue life prediction of composite materials based on a unified fatigue damage model / J. Gao, P. Zhu, Y. Yuan, Z. Wu, R. Xu // Engineering Failure Analysis. – 2022. – Vol. 137. – art. no. 106290. DOI: 10.1016/j.engfailanal.2022.106290
  • Mirzaei, A.H. Progressive fatigue damage modeling of laminated composites using strain-based failure criteria / A.H. Mirzaei, M.M. Shokrieh // Journal of Composite Materials. – 2024. – Vol. 58, no. 4. – P. 519–531. DOI: 10.1177/00219983241227098
  • Ganesan, C. Fatigue life modeling of FRP composites: A comprehensive review / C. Ganesan, P.S. Joanna, D. Singh // Materials Today: Proceedings. – 2021. – Vol. 46. – P. 555–561. DOI: 10.1016/j.matpr.2020.11.119
  • Artificial Intelligence Assisted Residual Strength and Life Prediction of Fiber Reinforced Polymer Composites / P. Pratim Das, M. Elenchezhian, V. Vadlamudi, R. Raihan // AIAA SciTech Forum and Exposition. – 2023. DOI: 10.2514/6.2023-0773
  • Vanhari, A.K. Modelling the residual strength degradation in composite materials without using residual strength tests / A.K. Vanhari, E. Fagan, J. Goggins // Journal of Composite Materials. – 2023. – Vol. 57, no. 16. – P. 2527–2542. DOI: 10.1177/00219983231175978
  • D'Amore, A. A method to predict the fatigue life and the residual strength of composite materials subjected to variable amplitude (VA) loadings / A. D'Amore, L. Grassia // Composite Structures. – 2019. – Vol. 228. – art. no. 111338. DOI: 10.1016/j.compstruct.2019.111338
  • Wil’deman, V.E. Diagram and parameters of fatigue sensitivity for evaluating the residual strength of layered GFRP composites after preliminary cyclic loadings / V.E. Wil’deman, O.A. Staroverov, D.S. Lobanov // Mechanics of Composite Materials. – 2018. – Vol. 54, no. 3. – P. 313–320. DOI: 10.1007/s11029-018-9741-9
  • Wildemann, V.E. Deformation and failure of polymer composite materials under preliminary cyclic and low-velocity impacts / V.E. Wildemann, O.A. Staroverov, M.P. Tretyakov // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. – 2020. – Vol. 747, no. 1. – art. no. 012034. DOI: 10.1088/1757-899X/747/1/012034
  • ООО «Композит изделия» [Электронный ресурс]. – URL: https://cp-vm.ru/production (дата обращения: 12.08.2024).
  • Epsilontech [Электронный ресурс]. – URL: https://www.epsilontech.com/products/epsilon-one-advantages (дата обращения: 12.08.2024).
  • Vallen [Электронный ресурс]. – URL: https://www.vallen.de (дата обращения: 12.08.2024).
  • Arumugam, V. Damage characterization of stiffened glass-epoxy laminates under tensile loading with acoustic emission monitoring / V. Arumugam, K. Saravanakumar, C. Santulli // Composites Part B: Engineering. – 2018. – Vol. 147. – P. 22–32. DOI: 10.1016/j.compositesb.2018.04.031
  • Unsupervised acoustic emission data clustering for the analysis of damage mechanisms in glass/polyester composites / A.R. Oskouei, H. Heidary, M. Ahmadi, M. Farajpur // Materials & Design. – 2012. – Vol. 37. – P. 416–422. DOI: 10.1016/j.matdes.2012.01.018
  • Шкуратник, В.Л. Акустоэмиссионный эффект памяти при циклическом одноосном нагружении образцов угля / В.Л. Шкуратник, Ю.Л. Филимонов, С.В. Кучурин // Прикладная механика и техническая физика. – 2006. – Т. 47, № 2. – C. 103–109.
  • Салита, Д.С. Нарушение эффекта Кайзера при нагружении эвтектических сплавов сиcтемы Pb–Sn / Д.С. Салита, В.В. Поляков // Письма в ЖТФ. – 2020. – Т. 46, № 18. – С. 12–14. DOI: 10.21883/PJTF.2020.18.49994.18278
  • Эффект Кайзера при многоосном непропорциональном сжатии песчаника / И.А. Пантелеев, В.А. Мубассарова, А.В. Зайцев [и др.] // Доклады Российской академии наук. Физика, технические науки. – 2020. – Т. 495. – С. 63–67. DOI: 10.31857/S2686740020060152
  • Ultra-low cycle three-point bending fatigue of glass fabric reinforced plastic / S.B. Sapozhnikov, M.V. Zhikharev, E.M. Zubova // Composite Structures. – 2022. – Vol. 286. – P. 115293. DOI: 10.1016/j.compstruct.2022.115293
Еще
QR-код для установки приложения SciUp Наведите камеру и скачайте бесплатное приложение SciUp