Экспериментальные исследования полимерных композиционных материалов в широком диапазоне скоростей деформации

Экспериментальные исследования полимерных композиционных материалов в широком диапазоне скоростей деформации

Автор: Конев С.Д., Константинов А.Ю., Сергеичев И.В.

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

Статья в выпуске: 5, 2024 года.

Бесплатный доступ

Представлен обзор методов испытаний полимерных композиционных материалов при высоких скоростях деформации с целью получения механических характеристик прочности и упругости. Отдельное внимание уделено вопросам покрытия диапазонов скоростей деформации, соответствия напряжённо-деформированного состояния (НДС) ожидаемому, соответствия моды разрушения ожидаемой. Изложение материала проходит в парадигме «подход, конфигурация, метод», где под конфигурацией подразумевается геометрия образца и вспомогательной оснастки, подход заключается в создании простой конфигурации со сложным напряженно-деформированным состоянием (неклассический подход) или сложной конфигурации, обеспечивающей однородное НДС (классический подход), а метод есть комбинация конфигурации и испытательного оборудования. Такое изложение позволяет систематизировать большое количество экспериментальных методов, наметить пути их дальнейшего развития. Также представлены оригинальные методики и результаты испытаний, проведённых авторами с целью обогащения экспериментального инструментария и расширения покрываемого диапазона скоростей деформации. В частности, существенно расширен диапазон скоростей деформации для испытаний однонаправленных углепластиков на растяжение вдоль волокна за счёт применения конфигурации намотанного кольцевого образца в методах гидравлической раздачи кольца (получены скорости деформации порядка 5·102 с-1) и электрического взрыва проводника (получены скорости деформации 1,5·104 с-1). Диапазон скоростей деформации для растяжения поперёк волокна также был расширен за счёт испытаний на плосковолновой удар. В ходе эксперимента, для скорости растяжения 1,5·104 с-1 получены значения прочности в 45 и 55 МПа, что в два с половиной раза больше, чем прочность в статическом эксперименте.

Еще

Высокоскоростная деформация, углепластик, разрезной стержень гопкинсона, полимерные композиты, сервогидравлические машины, плосковолновой удар, электрический взрыв проводника, испытания падающим грузом, механические испытания материалов, испытания на сдвиг

Еще

Короткий адрес: https://sciup.org/146283056

IDR: 146283056   |   DOI: 10.15593/perm.mech/2024.5.04

Список литературы Экспериментальные исследования полимерных композиционных материалов в широком диапазоне скоростей деформации

  • Crushing of composite tubular structures and energy absorption for aircraft seats development / J.E. Chambe, O. Dorival, C. Bouvet, J.F. Ferrero // ECCM 2018 – 18th European Conference on Composite Materials. – 2020.
  • Ren, Y. A novel aircraft energy absorption strut system with corrugated composite plate to improve crashworthiness / Y. Ren, H. Zhang, J. Xiang // International Journal of Crashworthiness. – 2018. – Vol. 23, no. 1. – P. 1–10.
  • Chen, P.W. Evaluation on crashworthiness and energy absorption of composite light airplane / P.W. Chen, Y.Y. Lin // Advances in Mechanical Engineering. – 2018. – Vol. 10, no. 8. – P. 1–12.
  • Energy absorption of metal, composite and metal/composite hybrid structures under oblique crushing loading / G. Zhu, G. Sun, H. Yu [et al.] // International Journal of Mechanical Sciences. – 2018. – Vol. 135. – P. 458–483.
  • Crashworthiness of automotive composite material systems / G.C. Jacob, J.F. Fellers, J.M. Starbuck, S. Simunovic // Journal of Applied Polymer Science. – 2004. – Vol. 92, no. 5. – P. 3218–3225.
  • A comparative study of impact effect of composite cylinders and type IV pressure vessels / N.H. Farhood, S. Karuppanan, H.H. Ya, W.E. Abdul-Lateef // Emerging Materials Research. – 2021. – Vol. 10, no. 2. – P. 206–217.
  • Scazzosi, R. Numerical simulation of high-velocity impact on fiber-reinforced composites using MAT_162 / R. Scazzosi, M. Giglio, A. Manes // Material Design and Processing Communications. – 2021. – Vol. 3, no. 3.
  • Mousavi, M.V. Investigation of energy absorption in hybridized fiber-reinforced polymer composites under highvelocity impact loading / M.V. Mousavi, H. Khoramishad // International Journal of Impact Engineering. – 2020. – Vol. 146. – P. 103692.
  • Deb, A. Crashworthiness design issues for lightweight vehicles / A. Deb // Materials, Design and Manufacturing for Lightweight Vehicles. – Elsevier, 2021. – P. 433-470.
  • Effects of strain rate on failure mechanisms and energy absorption in polymer composites / M.R.R. Nurul Fazita, H.P.S.P.S. Abdul Khalil, A. Nor Amira Izzati, S. Rizal // Failure Analysis in Biocomposites, Fibre-Reinforced Composites and Hybrid Composites. – Elsevier, 2019. – P. 51–78.
  • Ismail, A.E. Modeling of crushing mechanisms of hybrid metal/fiber composite cylindrical tubes / A.E. Ismail, K.-A. Kamarudin // Modelling of Damage Processes in Biocomposites, FibreReinforced Composites and Hybrid Composites. – Elsevier, 2019. – P. 27–39.
  • Ahmad, B. Strain rate-dependent crash simulation of woven glass fabric thermoplastic composites / B. Ahmad, X. Fang // Journal of Reinforced Plastics and Composites. – 2022. – Vol. 41, no. 15–16. – P. 637–658.
  • Review of Intermediate Strain Rate Testing Devices / T. Bhujangrao, C. Froustey, E. Iriondo [et al.] // Metals. – 2020. – Vol. 10, no. 7. – P. 894.
  • Thomson, D.M. Physically-based meso-scale modelling of unidirectional CFRPs for impact loading applications – PhD Thesis / D.M. Thomson. – 2019.
  • Achieving synchronous compression-shear loading on SHPB by utilizing mechanical metamaterial / Q. Ren, Y. Zhang, L. Hu [et al.] // International Journal of Impact Engineering. – 2024. – Vol. 186. – P. 104888.
  • Perry, J.I. Measuring the Effect of Strain Rate on Deformation and Damage in Fibre-Reinforced Composites: A Review / J.I. Perry, S.M. Walley // Journal of Dynamic Behavior of Materials. – 2022. – Vol. 8, no. 2. – P. 178–213. DOI: 10.1007/s40870-022-00331-0
  • Davies, E.D.H. The dynamic compression testing of solids by the method of the split Hopkinson pressure bar / E.D.H. Davies, S.C. Hunter // Journal of the Mechanics and Physics of Solids. – 1963. – Vol. 11, no. 3.
  • George T. (Rusty) Gray, I. Classic Split-Hopkinson Pressure Bar Testing / I. George T. (Rusty) Gray // Mechanical Testing and Evaluation. – Ohio: ASM International, 2000. – P. 462–476.
  • A new technique for tensile testing of engineering materials and composites at high strain rates / J. Zhou, A. Pellegrino, U. Heisserer [et al.] // Proceedings of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences. – 2019. – Vol. 475, no. 2229. – P. 20190310.
  • Blitterswyk, J. Van. High-Strain Rate Interlaminar Shear Testing of Fibre-Reinforced Composites Using an Image-Based Inertial Impact Test / J. Van Blitterswyk, L. Fletcher, F. Pierron // Conference Proceedings of the Society for Experimental Mechanics Series / 2019. – Vol. 1. – P. 279–281.
  • Fletcher, L. A Novel Image-Based Inertial Impact Test (IBII) for the Transverse Properties of Composites at High Strain Rates / L. Fletcher, J. Van-Blitterswyk, F. Pierron // Journal of Dynamic Behavior of Materials. – 2019. – Vol. 5, no. 1. – P. 65–92.
  • Blitterswyk, J. Van. Characterisation of the Interlaminar Properties of Composites at High Strain Rates: A Review / J. Van Blitterswyk, L. Fletcher, F. Pierron // Advanced Experimental Mechanics. – 2017. – Vol. 2. – P. 3–28.
  • Blitterswyk, J. Van. Image-Based Inertial Impact Test for Composite Interlaminar Tensile Properties / J. Van Blitterswyk, L. Fletcher, F. Pierron // Journal of Dynamic Behavior of Materials. – 2018. – Vol. 4, no. 4. – P. 543–572.
  • Stress-strain synchronization for high strain rate tests on brittle composites / S.W.F. Spronk, E. Verboven, F.A. Gilabert [et al.]. // Polymer Testing. – 2018. – Vol. 67, no. December 2017. – P. 477–486. DOI: 10.1016/j.polymertesting.2018.02.008
  • Hsiao, H.M. Strain Rate Effects on the Transverse Compressive and Shear Behavior of Unidirectional Composites / H.M. Hsiao, I.M. Daniel, R.D. Cordes // Journal of Composite Materials. – 1999. – Vol. 33, no. 17. – P. 1620–1642.
  • Duan, S. Experimental study on strain-rate-dependent behavior and failure modes of long glass fiber-reinforced polypropylene composite / S. Duan, X. Yang, Y. Tao // Journal of Reinforced Plastics and Composites. – 2015. – Vol. 34, no. 15. – P. 1261–1270.
  • Kolsky, H. An Investigation of the Mechanical Properties of Materials at very High Rates of Loading / H. Kolsky // Proceedings of the Physical Society. Section B. – 1949. – Vol. 62, no. 11.
  • Gama, B.A. Hopkinson bar experimental technique: A critical review / B.A. Gama, S.L. Lopatnikov, J.W. Gillespie // Applied Mechanics Reviews. – 2004. – Vol. 57, no. 4. – P. 223–250.
  • Matthews, F.L. Compression / F.L. Matthews // Mechanical Testing of Advanced Fibre Composites. – Woodhead Publishing, 2000. – P. 75–99.
  • Mostapha, T. Experimental Investigation of Dynamic Compression and Damage Kinetics of Glass/Epoxy Laminated Composites under High Strain Rate Compression [Электронный ресурс] / T. Mostapha // Advances in Composite Materials – Ecodesign and Analysis. – InTech, 2011. – URL: https://www.intechopen.com/state.item.id (дата обращения: 06.10.2022).
  • Kuhn, P. Characterization of unidirectional carbon fiber reinforced polyamide-6 thermoplastic composite under longitudinal compression loading at high strain rate [Электронный ресурс] / P. Kuhn, M. Ploeckl, H. Koerber. – 2015. – Vol. 94. – P. 1041. – URL: https://www.researchgate.net/publication/281743559 (дата обращения: 16.02.2023).
  • A dynamic test methodology for analyzing the strain-rate effect on the longitudinal compressive behavior of fiber-reinforced composites / M. Ploeckl, P. Kuhn, J. Grosser [et al.] // Composite Structures. – 2017. – Vol. 180. – P. 429–438. DOI: 10.1016/j.compstruct.2017.08.048
  • Lee, J. A study on the compressive strength of thick carbon fibre–epoxy laminates / J. Lee, C. Soutis // Composites Science and Technology. – 2007. – Vol. 67, no. 10. – P. 2015–2026.
  • Strain-Rate Dependency of a Unidirectional Filament Wound Composite under Compression / S. Konev, V.A. Eremeyev, H.M. Sedighi [et al.] // Computer Modeling in Engineering & Sciences. – 2023. – Vol. 137, no. 3. – P. 2149–2161.
  • Staab, G.H. High Strain Rate Response of Angle-Ply Glass/Epoxy Laminates / G.H. Staab, A. Gilat // Journal of Composite Materials. – 1995. – Vol. 29, no. 10. – P. 1308–1320.
  • The strain rate dependent material behavior of S-GFRP extracted from GLARE / R. Gerlach, C.R. Siviour, J. Wiegand, N. Petrinic // Mechanics of Advanced Materials and Structures. – 2013. – Vol. 20, no. 7. – P. 505–514.
  • Taniguchi, N. Tensile strength of unidirectional CFRP laminate under high strain rate / N. Taniguchi, T. Nishiwaki, H. Kawada // Advanced Composite Materials: The Official Journal of the Japan Society of Composite Materials. – 2007. – Vol. 16, no. 2. – P. 167–180.
  • Daniel, I.M. New method for testing composites at very high strain rates / I.M. Daniel, R.H. LaBedz, T. Liber // Experimental Mechanics. – 1981. – Vol. 21, no. 2. – P. 71–77.
  • Филиппов, А.Р. Методика динамических испытаний высокопрочных композитов на растяжение / А.Р. Филиппов // Проблемы прочности и пластичности. – 2024. – Vol. 86, no. 1. – P. 106–119.
  • Harding, J. A tensile testing technique for fibre-reinforced composites at impact rates of strain / J. Harding, L.M. Welsh // Journal of Materials Science. – 1983. – Vol. 18, no. 6. – P. 1810–1826.
  • Exploding wire method for the characterization of dynamic tensile strength of composite materials / A. Fedorenko, Y. Sudenkov, S. Konev, I. Sergeichev // International Journal of Impact Engineering. – 2023. – Vol. 180, no. June. – P. 104704.
  • Elamin, M. Plate impact method for shock physics testing / M. Elamin, J. Varga // Material Science & Engineering International Journal. – 2020. – Vol. 4, no. 1.
  • Брагов, А.М. Установка для исследования механических свойств твердых тел при ударном нагружении / О.Л.К. Брагов А.М., Г.М. Грушевский // Заводская лаборатория. – 1991. – Vol. 7. – P. 50–51.
  • Shear properties of epoxy under high strain rate loading / N.K. Naik, R. Gadipatri, N.M. Thoram [et al.] // Polymer Engineering & Science. – 2010. – Vol. 50, no. 4. – P. 780–788.
  • Lewis, J.L. The development and use of a torsional Hopkinson-bar apparatus / J.L. Lewis, J.D. Campbell // Experimental Mechanics. – 1972. – Vol. 12, no. 11. – P. 520–524.
  • Gilat, A. Torsional split Hopkinson bar tests at strain rates above 104 s-1 / A. Gilat, C.S. Cheng // Experimental Mechanics. – 2000. – Vol. 40, no. 1. – P. 54–59.
  • Dong, L. A single-lap shear specimen for determining the effect of strain rate on the interlaminar shear strength of carbon fibre-reinforced laminates / L. Dong, J. Harding // Composites. – 1994. – Vol. 25, no. 2. – P. 129–138.
  • Bouette, B. Effect of strain rate on interlaminar shear properties of carbon/epoxy composites / B. Bouette, C. Cazeneuve, C. Oytana // Composites Science and Technology. – 1992. – Vol. 45, no. 4. – P. 313–321.
  • Hsiao, H.M. Dynamic compressive behavior of thick composite materials / H.M. Hsiao, I.M. Daniel, R.D. Cordes // Experimental Mechanics. – 1998. – Vol. 38, no. 3. – P. 172–180.
  • Kidane, A. Strain Rate Effects in Polymer Matrix Composites Under Shear Loading: A Critical Review / A. Kidane, H.L. Gowtham, N.K. Naik // Journal of Dynamic Behavior of Materials. – 2017. – Vol. 3, no. 1. – P. 110–132.
  • Werner, S.M. The Dynamic Response of Graphite Fiber- Epoxy Laminates at High Shear Strain Rates / S.M. Werner, C.K.H. Dharan // Journal of Composite Materials. – 1986. – Vol. 20, no. 4. – P. 365–374.
  • Development and Application of Dynamic Integrated DIC Material Parameters Inversion Method for SHPB Tests / S. Cai, J. Zhao, Z. Liu, Y. Fu // Experimental Mechanics. – 2024. – Vol. 64, no. 7. – P. 995–1003.
  • Experimental Learning of a Hyperelastic Behavior with a Physics-Augmented Neural Network / C. Jailin, A. Benady, R. Legroux, E. Baranger // Experimental Mechanics. – 2024. – Vol. 64, no. 9. – P. 1465–1481.
Еще
Статья научная
QR-код для установки приложения SciUp Наведите камеру и скачайте бесплатное приложение SciUp