Экспериментально-теоретическое исследование механического поведения 3D-композитов при квазистационарном разрушении
Автор: Цепенников М.В., Стром А.А., Повышев И.А., Сметанников О.Ю.
Статья в выпуске: 2, 2016 года.
Бесплатный доступ
В конструкции всех современных самолетов и авиационных двигателей применяются композиционные материалы. Разработка таких материалов является очень трудоёмким, длительным и дорогостоящим процессом ввиду необходимости проведения большого количества экспериментов. Также существуют определенные ограничения, делающие невозможным определение некоторых свойств опытным путем. Для сокращения времени и стоимости разработки таких материалов применяются различные численные методики, такие как построение виртуального прототипа, проведение ряда численных экспериментов и применение различных разновидностей метода рассеянных повреждений. Метод механики рассеянных повреждений (МРП) - это популярный инструмент для моделирования развития повреждений в армированных композитах. Он основан на предположении, что материал с дефектами может быть заменён воображаемым материалом без дефектов, но с пониженным модулем упругости. Таким образом, наличие дефектов отражается только на упругих свойствах материала, и развитие повреждений регистрируется через потерю этих свойств. Для реализации одной из разновидностей данного метода на языке APDL был разработан макрос для пакета ANSYS. Рассматривается методика получения идеализированного виртуального прототипа трехмерно-армированного композиционного материала по результатам томографии. Представлена методика определения эффективных упругих свойств трехмерно-армированного композиционного материала путем проведения ряда численных экспериментов. Метод механики рассеянных повреждений применяется для нахождения параметров прочности. Показаны графики зависимости акустической эмиссии и кривые деформирования образцов при испытании на растяжение и сдвиг. Результаты моделирования сравниваются с полученными экспериментальными данными.
Трехмерно-армированные композиционные материалы, эффективные свойства, разрушение, акустическая эмиссия, метод механики рассеянных повреждений
Короткий адрес: https://sciup.org/146211608
IDR: 146211608 | УДК: 539.422.5 | DOI: 10.15593/perm.mech/2016.2.10
Theoretical-experimental study of mechanical behavior in 3D composites under quasi-steady damage
Composite materials are used to manufacture all modern aircrafts and aircraft engines. The development of these materials is labour-intensive and expensive, as it is necessary to carry out extensive experimental studies of anisotropic material properties. There are also certain constraints which make it impossible to obtain some material properties via experiments. There are various numerical techniques to reduce development time and costs for such materials, e.g. construction of a virtual prototype, a series of numerical experiments and use of different varieties of continuous damage mechanics method (CDM). Continuous damage mechanics method (CDM) is a popular tool for modelling damage development in reinforced composites. It is based on the assumption that any given volume of a damaged material can be equivalently changed by the undamaged volume of material with a decreased elastic modulus. Thus, material damage is only reflected by lowered elastic properties; and damage growth is reflected by a degree of material’s elastic modulus reduction. APDL macros was developed for the application of a variant of this method in finite elements analysis problem. The method of building an idealized virtual prototype of a 3D-reinforced composite material using tomography is considered in the paper. The method of determining effective elastic properties of a 3D-reinforced composite material by a series of numerical experiments is presented here. Continuous damage mechanics is used for obtaining materials’ strength parameters. Acoustic emission diagrams and stress-strain relations for material specimens in uniaxial tension and shear stress states are shown. Numerical modelling results are compared with the experimental data obtained.
Список литературы Экспериментально-теоретическое исследование механического поведения 3D-композитов при квазистационарном разрушении
- Deformation and progressive failure behavior of woven-fabric-reinforced glass/epoxy composite laminates under tensile loading at cryogenic temperatures/T. Takeda, S. Takano, Y. Shindo, F. Narita//Compos Sci Technol. -2005. -Vol. 65. -P. 1691-1702.
- Tabiei A., Ivanov I. Materially and geometrically non-linear woven composite micro-mechanical model with failure for finite element simulations//Int. J. NonLinear Mech. -2004. -Vol. 39. -P. 175-188.
- A micromechanics model for 3D elasticity and failure of woven-fibre composite materials/D. Scida, Z. Aboura, M.L. Benzeggagh, E. Bocherens//Compos. Sci. Technol. -1999. -Vol. 59. -P. 505-17.
- Zhao LG, Warrier NA, Long AC. Finite element modelling of damage propagation in non-crimp fabric reinforced composites//Compos. Sci. Technol. -2006. -Vol. 66. -P. 36-50.
- Blackketter D.M., Walrath D.E., Hansen A.C. Modeling damage in a plain weave fabricreinforced composite material//J. Compos. Technol. Res. -1993. -Vol. 15. -P. 136-142.
- Nicoletto G, Riva E. Failure mechanisms in twill-weave laminates: FEM predictions vs. experiments//Composites: Part A. -2004. -Vol. 35. -P. 787-795.
- Hierarchical modelling of textile composite materials and structures by the homogenization method/N. Takano, Y. Uetsuji, Y. Kashiwagi, M. Zako//Modell. Simulat. Mater. Sci. Eng. -1999. -Vol. 7. -P. 207-231.
- Hoffman O. The brittle strength of orthotropic material//J. Comp. Mater. -1967. -Vol. 1 (2). -P. 200-206.
- Murakami S, Ohno N. A continuum theory of creep and creep damage. Creep in struct. -Springer-Verlag, 1981. -P. 422-443.
- Murakami S. Mechanical modeling of material damage//J. Appl. Mech. -1988. -Vol. 55. -P. 280.
- Tang X, Whitcomb J. Progressive failure behaviours of 2D woven composites//J. Comp. Mater. -2003. -Vol. 37 (14). -P. 1239-1259.
- Zako M., Uetsuji Y., Kurashiki T. Finite element analysis of damaged woven fabric composite materials//Comp. Sci Technol. -2003. -Vol. 63 (3-4). -P. 507-516.
- Damage initiation and development in triaxial braid and fine structure of damage/D. Ivanov, S.V. Lomov, I. Verpoest, F. Baudry, H. Xie//Proceedings of 12th European conf. on composite materials. -France, Biarritz, 2006, Aug. 29-Sept. 1, CD-edition .
- Lomov S.V., Ivanov D.S., Verpoest I. Meso-FE modelling of 3-axial braided composites//Proceedings of 8th international conference on textile composites. -Nottingham, 2006, October. -P. 16-18.
- Zhao LG, Warrier NA, Long AC. Finite element modelling of damage propagation in non-crimp fabric reinforced composites//Compos. Sci. Technol. -2006. -Vol. 66. -P. 36-50.
- Цепенников М.В., Повышев И.А., Сметанников О.Ю. Численная модель разрушения конструкций из тканых композиционных материалов//Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Прикладная математика и механика. -2012. -№ 10. -С. 225.
- Цепенников М.В., Сметанников О.Ю., Повышев И.А. Идентификация параметров численной методики расчета разрушения конструкций из композиционных материалов//Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. -2015. -№ 2. -С. 46-53.
- Цепенников М.В., Сметанников О.Ю., Повышев И.А. Численная модель разрушения конструкций из тканых перфорированных композиционных материалов//Механика композиционных материалов и конструкций. -2014. -№ 3. -С. 389-402.
- Chamis CC. Mechanics of composite materials: past, present, and future//J. Compos. Technol. Res. ASTM. -1989. -Vol. 11. -P. 3-14.
- Исследование механизмов разрушения углеродных композиционных материалов на основе механических испытаний с регистрацией сигналов акустической эмиссии/А.И. Шилова, В.Э. Вильдеман, Д.С. Лобанов, Ю.Б. Лямин//Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. -2013. -№ 4. -С. 169-179.
