Исследование закономерностей накопления повреждений и развития расслоения в полимерных композиционных материалах на основе двухуровневых моделей разрушения
Автор: Долгих Д.А., Ташкинов М.А.
Статья в выпуске: 4, 2020 года.
Бесплатный доступ
Работа посвящена изучению процессов деформирования и разрушения, возникающих в слоистых композитах при комбинированных режимах нагружения. Целью исследования является численный анализ различных мод разрушения, реализуемых одновременно в образцах слоистого композиционного материала. Построены модели слоистого композиционного материала с имитацией технологических дефектов в виде расслоения материала. Процесс расслоения реализован с применением метода виртуального закрытия трещин. Процессы накопления повреждений и разрушения слоистых композитов заданы на основе моделей редуцирования жесткостных свойств с использованием критериев Хашина и модели Матценмиллера. В моделях заложены законы, соответствующие хрупкому и пластическому разрушению. Проведено сравнение нескольких моделей разрушения и деградации упругих свойств. Чтобы разрешить сложности, касающиеся точного описания внутренней структуры композита, был применен многомасштабный подход. Суть подхода заключается в том, что анализ слоистого композита может быть выполнен на трех различных масштабах: макроуровне, мезоуровне, микроуровне. На макроуровне используется эквивалентный материал, эффективные свойства которого определяются с помощью методов гомогенизации, в частности методом среднего поля. Реализовано многомасштабное кончено-элементное моделирование, в ходе которого макроскопические параметры образца материала на каждом шаге зависят от характеристик и свойств компонентов на микроуровне. Исследовано поведение двух образцов слоистого полимерного композиционного материала с различной конфигурацией заложенных дефектов под воздействием нагрузки двух видов: одноосное сжатие и кручение, а также только одноосное сжатие. Установлено влияние внутренних дефектов на процессы накопления повреждений и процессы расслоения материала.
Слоистые композиционные материалы, многомасштабный подход, метод среднего поля, метод виртуального закрытия трещин, прогрессирующее разрушение
Короткий адрес: https://sciup.org/146282028
IDR: 146282028 | УДК: 539.3 | DOI: 10.15593/perm.mech/2020.4.07
Investigation of damage accumulation and delamination propagation in polymer composite materials based on two-level fracture models
The work is devoted to the study of deformation and fracture processes occurring in layered composites under combined loading modes. The aim of the work is numerical analysis of different modes of fracture, which are simultaneously realized in the samples of laminated composite material. Models of laminated composite material with imitation of technological defects in the form of material debonding are constructed. The delamination process is implemented using the virtual crack closure technique. The processes of damage accumulation and fracture of laminated composites are set on the basis of the models for reduction of stiffness properties using the Hashin criterion and Matzemiller model. The models are based on the laws corresponding to brittle and plastic fracture. Several models of fracture and degradation of elastic properties have been compared. A multiscale approach was used to solve the difficulties related to the precise description of the composite's internal structure. The essence of the approach is that the analysis of a laminated composite can be performed on three different scales: macro level, meso level and micro level. At the macro level, an equivalent material is used for which the effective properties are determined by homogenization methods, in particular by the mean field method. The multiscale finite element modeling is implemented, in the course of which macroscopic parameters of material sample at each step depend on characteristics and properties of components at the micro-level. The behavior of two samples of laminated polymer composite material was studied with different configuration of embedded defects under the load of two types: uniaxial compression and torsion, and only uniaxial compression. The influence of internal defects on the processes of damage accumulation and material delamination has been established.
Список литературы Исследование закономерностей накопления повреждений и развития расслоения в полимерных композиционных материалах на основе двухуровневых моделей разрушения
- Батаев А.А., Батаев В. А. Композиционные материалы: строение, получение, применение: учебник. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2002. - 384 с.
- Композиционные материалы: справочник / Болотин В.В., Васильев В.В., Протасов В.Д. [и др.]; под общ. ред В.В. Васильева, Ю.М. Тарнопольского. - М: Машиностроение, 1990. - 512 с.
- Modelling of damage evolution in braided composites: recent developments / C. Wang, A. Roy, V. Silberschmidt, Z. Chen // Mechanics of Advanced Materials and Modern Processes. -2017. - No. 15. - Р. 1-32.
- Characterization of damage in triaxial braided composites under tensile loading / J. Littell, W. Binienda, G. Roberts, R. Goldberg // J Aero Eng. - 2009. - No. 22. - Р. 270-279.
- Effect of microscopic damage events on static and ballistic impact strength of triaxial braid composites / J. Littell, W. Binienda, W. Arnold, G. Roberts, R. Goldberg // Compos Part A: Appl Sci Manuf. - 2009. - No. 40. - Р. 1846-1862.
- Xu L, Jin C., Ha S. Ultimate strength prediction of braided textile composites using a multi-scale approach // J Compos Mater. -2015. - No. 49. - Р. 477-494.
- Димитриенко Ю.И., Соколов А.П. Многомасштабное моделирование упругих композиционных материалов // Математическое моделирование - 2012. - Т. 24, № 5. -С. 3-20.
- Кристенсен Р. Введение в механику композитов. - М.: Мир, 1982. - 335 с.
- Малмейстер А.К., Тамуж В.П., Тетерс Г.А. Сопротивление полимерных и композитных материалов. - Рига: Зинат-не, 1980. - 572 с.
- Ванин Г. А. Микромеханика композиционных материалов. - Киев: Наукова думка, 1985. - 300 с.
- Сендецки Дж. Механика композиционных материалов. - М.: Мир, 1978. - 563 c.
- Тарнопольский Ю.М., Жигун И.Г., Поляков В.А. Пространственно-армированные композиционные материалы. - М.: Машиностроение, 1987. - 225 с.
- Tashkinov M., Ershova D., Shalimov A. Computational multi-scale analysis of simultaneous processes of delamination and damage accumulation in laminated // Frattura ed Integrita Strutturale. - 2019. - Vol. 13, no. 49. - P. 396-411.
- Frans P., van der Meer. Mesolevel modeling of failure in composite laminates: constitutive, kinematic and algorithmic aspects // Archives of Computational Methods in Engineering -2012. - No. 19. - P. 381-425.
- Mori T, Tanaka K. Average stress in matrix and average elastic energy of materials with mistting inclusions // Acta Metallurgica. - 1973. - No. 21. - P. 571-574.
- Weng G. The theoretical connection between Mori-Tanaka's theory and the Hashin-Shtrikman-Walpole bounds // J Engng Sci. - 1990. - No. 28. - P. 1111-1120.
- A combined experimental and numerical approach to study ballistic impact response of S2-glass fiber/toughened epoxy composite beams / E. Sevkat, B.Liaw, F.Delale, B.B. Raju // Compos Sci Technol. - 2009. - No. 69. - P. 965-982.
- Drop-weight impact of plain - woven hybrid glass-graphite/toughened epoxy composites / E. Sevkat, B. Liaw, F. Delale, B.B. Raju // Compos Sci Technol. - 2009. - No. 40. -P. 1090-1110.
- Hashin Z Failure criteria for unidirectional fiber composites // J Appl Mech. - 1980. - No. 47. - P. 329-334.
- Puck A., Schurmann H. Failure analysis of FRP laminates by means of physically based phenomenological models // Compos Sci Technol. - 1998. - No. 58. - P. 1045-1067.
- Li X., Binienda W., Goldberg R. Finite-element model for failure study of two-dimensional triaxially braided composite // J Aero Eng. - 2011. - No. 284. - P. 170-180.
- Zhang C., Binienda W. A meso-scale finite element model for simulating free-edge effect in carbon/epoxy textile composite // Mech Mater. - 2014. - No. 76. - P. 1-19.
- Meso-scale progressive damage of 3D five-directional braided composites under transverse compression / D. Zhang, L. Chen, Y. Sun, X. Wang, Y. Zhang, C. Fu // J Compos Mater. -2015. - No. 50. - P. 3345-3361.
- Progressive damage simulation of triaxially braided composite using a 3D meso-scale finite element model / C. Zhang, N. Li, W. Wang, W. Binienda, H. Fang // Compos Struct. -2015. - No. 125. - P. 104-116.
- Matzenmiller A., Lubliner J., Taylor R. A constitutive model for anisotropic damage in fiber-composites. Mechanics of Materials // Mech Mater. - 1995. - No. 20. - P. 125-152.
- Мавлютов Р.Р. Концентрация напряжений в элементах авиационных конструкций. - М.: Наука, 1981. - 140 с.
- Krueger R., Minguet P.J., O'Brien T.K. A method for calculating strain energy release rates in preliminary design of composite skin/stringers debonding under multi-axial loading. Composite structures: theory and practice // ASTM. - 2000. -Р. 105-128.
- Krueger R Virtual crack closure technique: History, approach, and applications // Appl Mech. - 2004. - No. 57. -Р. 109-143.
- Krueger R., O'Brien T.K. Shell/3D modeling technique for the analysis of delaminated composite laminates // Appl Sci Manuf. - 2001. - No. 32. - Р. 25-44.
- Orifici A., Krueger R. Assessment of static delamination propagation capabilities in commercial finite element codes using benchmark analysis // NASA. Hampton, VA, USA: National Aeronautics and Space Administration. - 2010.
- Benzeggagh M.L., Kenane M., Measurement of mixed-mode delamination fracture toughness of unidirectional Glass/Epoxy composites with mixed-mode bending apparatus // Composite science and technology. - 1996. - Vol. 56. - Р. 439-449.