Экспериментальное изучение предельных деформаций и разрушение стеклопластиков с концентраторами напряжений

Автор: Струнгарь Е.М., Лобанов Д.С., Чеботарева Е.А.

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

Статья в выпуске: 4, 2024 года.

Бесплатный доступ

Работа посвящена экспериментальному исследованию влияния масштабного эффекта на процессы инициирования и развития дефектов в области концентраторов напряжений в структурно-неоднородном материале при квазистатическом нагружении. Образцы композита были изготовлены из стеклотекстолита СТЭФ. В качестве концентратора рассматривалось сквозное отверстие разного диаметра, расположенное по геометрическому центру образца. Получены новые данные о механическом поведении композита с помощью метода корреляции цифровых изображений (DIC), метода акустической эмиссии (AE) и оптической микроскопии. Проведены экспериментальные исследования механического поведения композитов в зонах концентраторов с учетом структурных параметров. По мере увеличения диаметра отверстия несущая способность снижается. Метод DIC позволил изучить эволюцию неоднородных полей деформаций на поверхности образцов. Был отмечен характерный рост кумулятивной энергии у всех видов образцов вне зависимости от размера и наличия концентраторов напряжений, а именно плавный незначительный рост значений с резким всплеском высокой энергии в конце испытания. Были проанализированы значения частот спектрального максимума, отмечены дополнительные интервалы частот, а также показан вклад каждого в общее количество сигналов, установлены закономерности между интервалами частот и наличием концентратора на образцах. На основе микроструктурных исследований выявлены основные виды дефектов, полученные данные подтверждают результаты, зарегистрированные с помощью акустической эмиссии. Таким образом, в работе получены экспериментальные данные, демонстрирующие наличие масштабного эффекта прочности стеклопластиков с концентраторами в зависимости от структурных параметров.

Еще

Эксперимент, концентрация напряжений, стеклопластик, структурный элемент, дефект, расположение отверстий, масштабный фактор, метод корреляции цифровых изображений, акустическая эмиссия, микроскоп

Короткий адрес: https://sciup.org/146283050

IDR: 146283050 | DOI: 10.15593/perm.mech/2024.4.09

Список литературы Экспериментальное изучение предельных деформаций и разрушение стеклопластиков с концентраторами напряжений

Determination of damage model parameters using nanoand bulk-scale digital image correlation and the finite element method / Gang Hee Gu, Jihye Kwon, Jongun Moon, Hyeonseok Kwon, Jongwon Lee, Yongju Kim, Eun Seong Kim, Min Hong Seo, Hyunsang Hwang, Hyoung Seop Kim // Journal of Materials Research and Technology. – 2022. – Vol. 17. – P. 392–403.
Pipes Mechanisms of notch insensitivity in long-fiber discontinuous, prepreg platelet compression molded composites / Drew E. Sommera, Sergii G. Kravchenkob, William B. Averyc, R. Byron // Composites: Part A. – 2022. – Vol. 162. – 107133.
Tianqi, Zhang Influence of thermoplastic interleaves and its healing effect on the failure mechanisms of open-hole notched composite laminates / Zhang Tianqi, Mehdi Yasaee // Composites Science and Technology. – 2022. – Vol. 227. – 109597.
Off-axis tensile performance of notched resin-infused thermoplastic 3D fibre-reinforced composites / S.Z.H. Shah, P.S.M. Megat- Yusoff, Tahir Sharif, Syed Zahid Hussain, R.S. Choudhry // Mechanics of Materials. – 2022. – Vol. 175. – 104478.
Ricotta, M. Notch Effect in the Tensile Quasi-Static Behaviour of 40% Short Glass Fibre – PPS Reinforced Composites / M. Ricotta, M. Sorgato, M. Zappalorto // Procedia Structural Integrity. – 2021. – Vol. 33. – P. 695–703.
Damage evolution analysis of open-hole tensile laminated composites using a progress damage model verified by AE and DIC / WenQin Han, KeJun Hu, QingHe Shi, FuXian Zhu // Composite Structures. – 2020. – Vol. 247. – 112452.
In-situ imaging of inter- and intra-laminar damage in openhole tension tests T of carbon fibre-reinforced composites / Fatih E. Oza, Mahoor Mehdikhani, Nuri Ersoy, Stepan V. Lomov // Composite Structures. – 2020. – Vol. 244. – 112302.
Optimal design of functionally graded material for stress concentration reduction / Yicong Zhou, Qiyin Lin, Jun Hong, Nan Yang // Structures. – 2021. – Vol. 29. – P. 561–569.
Szebényi, G. Detection of delamination in polymer composites by digital image correlation-experimental test / G. Szebényi, V. Hliva // Polymers. – 2019. – Vol. 11. – P. 523. DOI: 10.3390/polym11030523
Strain and stress concentration of ductile composites in full-range deformation by digital image correlation / C-M. Wu, S. Kumar, P-C. Lin, J-C. Chen // Mechanics of Advanced Materials and Structures. – 2022.
Strain concentration of double-edge hole ductile composites in the full range of deformation by digital image correlation / Sanjay Kumar, Chang-Mou Wu, Po-Chun Lin, Jieng-Chiang Chen, Yoshinobu Shimamura // Express Polymer Letters. – 2022. – Vol. 16, no. 10. – P. 1038–1051.
Use of the digital image correlation and acoustic emission technique to study the effect of structural size on cracking of reinforced concrete / S.Y. Alam, A. Loukili, F. Grondin, E. Rozière // Engineering Fracture Mechanics. – 2015. – Vol. 143. – P. 17–31.
Experimental characterization on fracture behavior of UHPMC under small-scale sample tensile testing: Acoustic emission monitoring and digital image correlation / Yubo Jiao, Yaojia Chen, Hua Yang, Caiqin Wang // Theoretical and Applied Fracture Mechanics. – 2024. – Vol. 130. – 104342.
Bazant, Z.P. Size effect in blunt fracture: concrete, rock, metal / Z.P. Bazant // J Engng Mech (ASCE). – 1984. – Vol. 110(4). – P. 518–35.
Effect of off-axis angle on mesoscale deformation and failure behavior of plain-woven C/SiC composites with digital image correlation / Xuefeng Teng, Shuangqi Lyu, Xiaoan Hu, Yun Jiang, Xiangfan Nie, Xin Liu, Longbiao Li // Journal of the European Ceramic Society. – 2022. – Vol. 42, iss. 12. – P. 4712–4722.
Chawla, K. Stress and strain concentration factors in orthotropic composites with hole under uniaxial tension / K. Chawla, S. Ray-Chaudhuri // Curved and Layered Structures. – 2018. – Vol. 5. – P. 213–231. DOI: 10.1515/cls-2018-0016
Полилов, А.Н. Механизмы уменьшения концентрации напряжений в волокнистых композитах / А.Н. Полилов // Прикладная механика и техническая физика. – 2014. – Т. 55, № 1. – С. 187–197.
Ермаков, И.С. Расчётный прогноз прочности растягиваемых композитных образцов с набором круговых отверстий в сопоставлении с результатами эксперимента / И.С. Ермаков, Л.Г. Сухомлинов // Космонавтика и ракетостроение. – 2023. – Вып. 1(130). – С. 88–97.
Использование модели развивающегося повреждения при оценке прочности слоистых углепластиков с различными концентраторами напряжений / В.А. Беспалов, Т.Б. Гоцелюк, Н.А. Коваленко, И.П. Олегин // Омский научный вестник. – 2015. – № 3(143). – С. 329–333.
Research on the deformation law of ultra-thin fiber metal laminates under the synergistic effect of nano-reinforcement and scale effect / Yao Wang, Kang Liu, Shaojun Zhang, Yong Li, Sifa Zheng, Libin Zhao, Ning Hua // Materials & Design. – 2024. – Vol. 243. – 113059.
Mechanical behavior of fiber-glass plastic with hole pattern using digital image correlation and acoustic emission methods / E. Strungar, D. Lobanov, E. Chebotareva, Y. Kochneva // Frattura Ed Integrità Strutturale. – 2024. – Vol. 18(68). – P. 63–76. DOI: 10.3221/IGF-ESIS.68.04
Studying the development of a technological defect in complex stressed construction cfrp using digital image correlation and acoustic emission methods / D.S. Lobanov, E.M. Strungar, E.M. Zubova, V.E. Wildemann // Russian Journal of Nondestructive Testing. – 2019. – Vol. 55, no. 9. – P. 631–638.
Experimental Study of Postcritical Deformation Stage Realization in Layered Composites during Tension using Digital Image Correlation and Acoustic Emission / V. Wildemann, E. Strungar, D. Lobanov, A. Mugatarov, E. Chebotareva // Acta Mech. Sin. – 2024. – Vol. 40. – 423468. DOI: 10.1007/s10409-023-23468-x
Strungar, E. Evaluation of the Sensitivity of Various Reinforcement Patterns for Structural Carbon Fibers to Open Holes during Tensile Tests / E. Strungar, D. Lobanov, V. Wildemann // Polymers. – 2021. – Vol. 13. – 4287. DOI: 10.3390/polym13244287
Strungar, E.M. Inelastic deformation and destruction of fiber-laminated polymer composites in stress concentration zones / E.M. Strungar, V.E. Wildemann // Frattura ed Integrità Strutturale. – 2020. – Vol. 53. – P. 406–416. DOI: 10.3221/IGF-ESIS.53.31
Studying the Development of a Technological Defect in Complex Stressed Construction CFRP Using Digital Image Correlation and Acoustic Emission Methods / D.S. Lobanov, E.M. Strungar, E.M. Zubova, V.E. Wildemanna // Russian Journal of Nondestructive Testing – 2019. – Vol. 55, no. 9. – P. 631–638.
Lobanov, D.S. Evaluation of the Effect of Elevated Temperature and Preliminary Thermal Aging on the Residual Mechanical Properties of a Structural Fiberglass Using the Signals of Acoustic Emission / D.S. Lobanov, E.M. Lunegova // Mechanics of Composite Materials. – 2023. – Vol. 59(1). – P. 101–114.
Strength improvement and stress analysis of E-glass laminated plates with circular notches using digital image correlation / A. Khechai, P.M. Mohite, A. Tati, M.-O. Belarbi // IntechOpen. – 2019. – October. – P. 1–10. DOI: 10.5772/intechopen.87089
Khemchandani, A.A. Determination of tensile strength of composite laminates with multiple holes / A.A. Khemchandani, Kameshwaran, J. Vasanth // International Journal of Applied Engineering Research. – 2019. – Vol. 14, no. 19. – P. 3749–3755.
Самуйлов, А.О. Модель оценки наличия и степени опасности дефектов на основе инвариантов акустической эмиссии / А.О. Самуйлов // Вестник Московского авиационного института. – 2022. – Т. 29, № 4. – С. 94–103.
Лепихова, В.А. Исследование аналитических связей шумовых параметров акустической эмиссии и деструктивных процессов элементов тяговых двигателей / В.А. Лепихова, Н.В. Ляшенко // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Технические науки. – 2024. – № 2(222). – С. 60–66.
The Analysis of Stress Raisers Affecting the GFRP Strength at Quasi-Static and Cyclic Loads by the Theory of Critical Distances, Digital Image Correlation, and Acoustic Emission / D. Lobanov, A. Yankin, M. Mullahmetov, E. Chebotareva, V. Melnikova // Polymers. – 2023. – Vol. 15(9). – 2087.
Identification of failure modes of composite thin-ply laminates containing circular hole under tension by acoustic emission signals / Chunfang Huang, Su Ju, Mingchang He, Qing Zheng, Yonglyu He, Jiayu Xiao, Jiangwei Zhang, Dazhi Jiang // Composite Structures. – 2018. – Vol. 206. – P. 70–79.
Correlation of acoustic emission with finite element predicted damages in open-hole tensile laminated composites / Reza Mohammadi, Mehdi Ahmadi Najafabadi, Milad Saeedifar, Jalal Yousefi, Giangiacomo Minak // Composites Part B: Engineering. – 2017. – Vol. 108. – P. 427–435.
Damage mode identification of open hole composite laminates based on acoustic emission and digital image correlation methods / E. Özaslan, A. Yetgin, B. Acar, M.A. Güler // Composite Structures. – 2021. – Vol. 274. – 114299.
Acoustic emission onset time detection for structural monitoring with U-Net neural network architecture / Jonathan Melchiorre, Leo D'Amato, Federico Agostini, Antonino Maria Rizzo // Developments in the Built Environment. – 2024. – Vol. 18. – 100449.

Еще

Статья научная