Экспериментальный метод определения трещиностойкости расщепления полимерных волокнистых композитов
Автор: Полилов А.Н., Чернов Д.В., Власов Д.Д., Плугатарь Т.П., Баландин Т.Д.
Статья в выпуске: 1, 2026 года.
Бесплатный доступ
Исследован метод оценки трещиностойкости полимерных волокнистых композитов в терминах критического коэффициента интенсивности напряжений (КИН) в момент зарождения трещины расщепления у вершины поперечного надреза при четырехточечном изгибе образцов из однонаправленного углепластика. В дополнение к методу анализа нелинейности диаграмм нагружения, принятому в линейной механике разрушения, разработаны методы акустической эмиссии (АЭ), корреляции цифровых изображений (КЦИ) и численной обработки экспериментальной диаграммы, что позволило более корректно определять момент зарождения трещины расщепления. Обработку диаграмм нагружения с целью определения момента локального снижения приложенной нагрузки, соответствующего образованию продольной трещины расщепления, осуществляли методом скользящего окна на основе значения среднеквадратического отклонения нагрузки от аппроксимирующей функции. Этот момент определяли методом АЭ с применением алгоритмов анализа разладки временных рядов. В качестве наиболее информативных АЭ-параметров, используемых для решения поставленной задачи, были выбраны средние значения длительности и удельной энергии зарегистрированных импульсов. В результате разделения критериальной плоскости на три характерных сегмента, каждый из которых был сформирован различными по природе источниками АЭ, определен момент разладки временных рядов, коррелирующий с моментом образования трещины расщепления в композитном образце и с формированием нового сегмента. Для верификации полученных результатов с помощью анализа полей деформаций у вершины надреза использовали метод КЦИ. В результате совместной обработки потока импульсов АЭ, диаграммы деформирования и полей деформаций было определено среднее для серии образцов значение критической нагрузки, соответствующее образованию трещины расщепления в композите, и через эту нагрузку рассчитана трещиностойкость расщепления углепластика в терминах критического КИН у вершины нанесенного надреза.
Полимерные волокнистые композиты, расщепление, трещиностойкость, механика разрушения, акустическая эмиссия, цифровая обработка сигналов, корреляция цифровых изображений
Короткий адрес: https://sciup.org/146283358
IDR: 146283358 | УДК: 539.42 | DOI: 10.15593/perm.mech/2026.1.08
Experimental method for determining the splitting fracture toughness of polymer fiber-reinforced composites
This study evaluates fracture toughness of polymer fiber-reinforced composites in terms of the critical stress intensity factor (SIF) at the onset of the splitting crack initiation at the tip of a transverse notch under four-point bending of unidirectional carbon fiber-reinforced plastic specimens. In addition to the nonlinearity analysis of loading diagrams, as adopted in linear fracture mechanics, advanced techniques including acoustic emission (AE), digital image correlation (DIC), and numerical processing of experimental loading diagrams were developed to more accurately determine the moment of splitting the crack initiation. The loading diagrams were processed to identify the local load reduction, corresponding to the formation of a longitudinal splitting crack. A sliding window method based on the standard deviation of the load from an approximating function was used for processing. This moment was further determined using AE techniques with algorithms for analyzing disruptions in time series data. The most informative AE parameters for this task were identified as the average duration and specific energy of the recorded pulses. By dividing the critical plane into three distinct segments, each associated with different sources of AE, the moment of time series disruption was identified, correlating with the onset of the splitting crack formation in the composite specimen and the emergence of a new segment. For verification, the DIC method was employed to analyze strain fields at the notch tip. Through the integrated processing of AE impulse streams, deformation diagrams, and strain fields, the average critical load was determined for a series of specimens corresponding to the formation of a splitting crack in the composite. This critical load was used to calculate the splitting fracture toughness of the carbon fiber-reinforced composite in terms of the critical SIF at the notch tip.
