Экспресс-оценка усталостной прочности композитных фланцев методом инфракрасной термографии

Экспресс-оценка усталостной прочности композитных фланцев методом инфракрасной термографии

Автор: Нихамкин М.Ш., Соломонов Д.Г.

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

Статья в выпуске: 4, 2024 года.

Бесплатный доступ

При проектировании изделий из полимерных композиционных материалов, работающих в условиях вибраций, приходится проводить специальные трудоемкие и длительные испытания, чтобы получить характеристики сопротивления разрушению вследствие многоцикловой усталости. В ответственных случаях для учета влияния конструктивных и технологических факторов проводят испытания натурных деталей или типовых элементов конструкций. Для ускоренной оценки усталостной прочности материалов активно развивается метод инфракрасной термографии, основанный на использовании эффекта саморазогрева, сопровождающего появление и накопление усталостных повреждений. Цель настоящей работы состояла в разработке методики экспресс-оценки предела выносливости фланцев из слоистого полимерного композиционного материала с использованием метода инфракрасной термографии. Объектом исследования является образец, вырезанный из натурной композитной оболочки с фланцем. Разработана методика исследования, основанная на блочном циклическом нагружении образцов на электродинамическом вибростенде. В процессе нагружения поддерживается постоянной амплитуда деформаций образца в каждом блоке, регистрируется поле температур на его поверхности с помощью инфракрасной камеры. Для оценки предела выносливости были использованы два параметра, характеризующие саморазогрев образца в каждом блоке нагружения: скорость нагрева в начале блока и значение стабилизационной температуры в конце блока. Их определяли по термограммам и осредняли по наиболее нагруженной зоне образца. Скорость нагрева в начале блока и стабилизационная температура в конце блока резко возрастают, когда амплитуда деформации в блоке нагружения превышает предел выносливости. Полученные по обоим этим параметрам значения предела выносливости согласуются между собой и с результатами стандартных усталостных испытаний. Разработанная методика позволяет получить приближенную экспресс-оценку предела выносливости типовых элементов композитных конструкций в условиях многоцикловой усталости.

Еще

Полимерные композиционные материалы, углепластик, фланцевое соединение, многоцикловая усталость, инфракрасная термография, предел выносливости, экспериментальная механика

Короткий адрес: https://sciup.org/146283044

IDR: 146283044   |   DOI: 10.15593/perm.mech/2024.4.03

Список литературы Экспресс-оценка усталостной прочности композитных фланцев методом инфракрасной термографии

  • Келли, А. Инженерный триумф углеволокон. Композиты и наноструктуры / А. Келли. – 2009. – № 1. – С. 38–49.
  • Каблов, Е.Н. ВИАМ: материалы нового поколения для ПД-14 / Е.Н. Каблов // Крылья Родины. – 2019. – С. 54–58.
  • Scientific Advancements in Composite Materials for Aircraft Applications: A Review / B. Parveez, M.I. Kittur, I.A. Badruddin, S. Kamangar, M. Hussien, M.A. Umarfarooq // Polymers. – 2022. – Vol. 14. – P. 1–12.
  • Колобков, А.С. Полимерные композиционные материалы для различных конструкций авиационной техники (обзор) / А.С. Колобков // Труды ВИАМ. – № 6-7 (89). – 2020. – С. 38–44.
  • Каримбаев, Т.Д. Рабочие лопатки вентиляторов из углепластика для перспективных двигателей. Достижения и проблемы / Т.Д. Каримбаев, А.А. Луппов, Д.В. Афанасьев // Двигатель. – 2011. – № 6 (78). – С. 2–7.
  • Путилина, П.М. Полимерные композиционные материалы на основе углеродных и стеклянных волокон для изготовления деталей беспилотных летательных аппаратов и перспективы их развития / П.М. Путилина, К.Е. Куцевич, А.Ю. Исаев // Труды ВИАМ. – 2023. – № 8 (126). – С. 8.
  • Стрижиус, В.Е. Оценка усталостной долговечности слоистых композитов с использованием нормализованных кривых усталости / В.Е. Стрижиус // Материаловедение. Энергетика. – Т. 26, № 3. – 2020. – С. 20–32.
  • The fatigue of carbon fibre reinforced plastics – a review / P. Alam, D. Mamalis, C. Robert, C. Floreani, C.M.Ó. Brádaigh // Composites Part B. – 2019. – P. 555–579.
  • Sevenois, R.D.B. Fatigue damage modeling techniques for textile composites: review and comparison with unidirectional composite modeling techniques / R.D.B. Sevenois, W. Van Paepegem // Applied Mechanics Reviews. – 2015. – Vol. 67, iss. 2. – 020802.
  • Talreja, R. Damage Mechanics and Fatigue Life Assesment of Composite Materials / R. Talreja // International Journal of Damage Mechanics. – 1999. – Vol. 8. – P. 339–354.
  • Adrdte, S. Matrix cracking in laminated composites: a review / S. Adrdte // Composites Engineering. – 1991. – Vol. 1, no. 6. – P. 337–353.
  • Degrieck, J. Fatigue Damage Modelling of Fibre-Reinforced Composite Materials: Review / J. Degrieck, W. Van Paepegem // Applied Mechanics Reviews. – 2001. – Vol. 54, iss.4. – P. 279–300.
  • Каримбаев, Т.Д. Оценка усталостной долговечности изделий из композиционных материалов / Т.Д. Каримбаев // Авиационные двигатели. – 2020. – № 4(9). – С. 75–93.
  • ГОСТ 57143-2016. Композиты полимерные. Метод испытания на усталость при циклическом растяжении. – М.: Стандартинформ, 2016. – 16 с.
  • ASTM Standard D 3479/D 3479M–96 (2007). Test Method for Tension-Tension Fatigue of Polymer Matrix Composite Materials // ASTM International. – 2007. – 6 p.
  • РД 50-686-89. Методические указания. Надежность в технике. Методы ускоренных испытаний на усталость для оценки выносливости. – М.: Госстандарт, 1990. – 19 с.
  • Степнов, М.Н. Прогнозирование характеристик сопротивления усталости материалов и элементов конструкций / М.Н. Степнов, А.В. Зинин. – М.: Инновационное машиностроение, 2016. – 391с.
  • Коллинз, Д.А. Повреждение материалов в конструкциях. Анализ, предсказание, предотвращение / Д.А. Коллинз. – М.: Мир, 1984. – 624 с.
  • Трощенко, В.Т. Сопротивление усталости металлов и сплавов / В.Т. Трощенко, Л.А. Сосновский. – Киев: Наковадумка, 1987. – T. 1. – 505 с.
  • Трощенко, В.Т. Об энергетических критериях усталостного разрушения / В.Т. Трощенко // Заводская лаборатория. – 1967. – № 9. – С. 1126–1128.
  • La Rosa, G. Thermographic methodology for rapid determination of the fatigue limit of materials and mechanical components / G. La Rosa, A. Risitano // International Journal of Fatigue. – 2000. – Vol. 22. – P. 65–73.
  • Luong, M.PP. Infrared thermographic scanning of fatigue in metals / M.PP. Luong // Nuclear Engineering and Design. – 1995. – Vol. 158. – P. 363–376.
  • Cura, F. A new iteration method for the thermographic determination of fatigue limit in steels / F. Cura, G. Curti, R. Sesana // International Journal of Fatigue. – 2005. – Vol. 27. – P. 453–459.
  • Куриленко, Г.А. Термографический метод определения индивидуальных пределов выносливости деталей приборов / Г.А. Куриленко, М.Б. Устюгов // Гео-Сибирь. – 2007. – Т. 4, № 1. – С. 242–246.
  • Разработка метода оценки предела выносливости материала по данным инфракрасной термографии / А.И. Терехина, А.Ю. Федорова, М.В. Банников, О.А. Плехов // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. – 2012. – № 4. – С. 115–127.
  • Colombo, C. Thermographic applications for the rapid estimation of fatigue limit / C. Colombo, L. Vergani // Procedia Structural Integrity. – 2019. – Vol. 24. – P. 658–666.
  • Investigation of self-heating and life prediction in CFRP laminates under cyclic shear loading condition based on the infrared thermographic data / J. Huang, C. Garnier, M.-L. Pastor, X.J. Gong // International Journal of Fatigue. – 2019. – Vol. 120. – P. 87–95.
  • Montesano, J. Use of infrared thermography to investigate the fatigue behavior of a carbon fiber reinforced polymer composite / J. Montesano, Z. Fawaz, H. Bougherara // Composite Structures. – 2013. – Vol. 97. – P. 76–83.
  • Effect of delamination on the fatigue life of GFRP: A thermographic and numerical study / C. Colombo, T. Bhujangrao, F. Libonati, L. Vergani // Composite Structures. – 2019. – Vol. 218. – P. 152–161.
  • Investigation of self-heating and damage progression in woven carbon fibre composite materials, following the fibres direction, under static and cyclic loading / L. Muller, J.-M. Roche, A. Hurmane, F.-H. Leroy, C. Peyrac, L. Gornet // Journal of Composite Materials. – 2021. – Vol. 55(26). – P. 3909–3924.
  • Li, A. Enabling rapid fatigue life prediction of short carbon fiber reinforced polyetherether-ketone using a novel energy dissipation–based model / A. Li, J. Huang, C. Zhang // Composite structures. – 2021. – Vol. 272. – P. 1–36.
  • Sharba, M.J. Fatigue strength prediction of hybrid composites via IR thermography and energy loss methods / M.J. Sharba // Journal of Industrial Textile. – 2022. – Vol. 51. – P. 4184–4199.
  • Toubal, L. Damage evolution and infrared thermography in woven composite laminates under fatigue loading / L. Toubal, M. Karama, B. Lorrain // International Journal of Fatigue. – 2006. – Vol. 28. – P. 1867–1872
  • On the fatigue response of a bonded repaired aerospace composite using thermography / S.A. Grammatikos, E.Z. Kordatos, T.E. Matikas, A.S. Paipetis // Composite Structures. – 2018. – Vol. 188. – P. 461–469.
  • Full-field monitoring methods for damage analysis on aeronautical CFRP specimens under fatigue loads / R. Nobile, F.W. Panella, A. Pirinu, A. Saponaro // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. – 2022. – Vol. 1214. – P. 1–12.
  • Fan, J. Quantitative thermography for fatigue damage assessment and life prediction of welded components / J. Fan, Y. Zhao // Mechanics of Materials. – 2022. – P. 1–11.
  • Rapid fatigue life prediction of butt joint using energy dissipation / W. Wei, Y. Sun, M. Chen, X. Zhao, Y. Tang, L. Zou, X. Yang // International Journal of Mechanical Sciences. – 2023. – Vol. 245. – P. 1–12.
  • The fatigue of carbon fibre reinforced plastics – a review / P. Alam, D. Mamalis, C. Robert, C. Floreani, C.M.Ó. Brádaigh // Composites Part B 166. – 2019. – P. 555–579.
  • Wang, Y. A Finite Element and Experimental Analysis of Composite T-Joints Used in Wind Turbine Blades / Y. Wang, C. Soutis // Applied Composite Materials. – 2018. – Vol. 25. – P. 953–964.
  • Quasi-UD glass fibre NCF composites for wind energy applications: a review of requirements and existing fatigue data for blade materials / K. Vallons, G. Adolphs, PP. Lucas, S.V. Lomov, I. Verpoest // Mechanics & 26Industry. – 2013. – Vol. 14. – P. 175–189.
  • Fatigue behavior of composite girders with concretefilled tubular flanges and corrugated webs–experimental study / Z.Y. Wang, X.F. Zhou, Z.F. Liu, Q.Y. Wang // Engineering Structures. – 2021. – Vol. 241. – P. 1–12.
  • Расчетно-экспериментальное исследование влияния виброакустических нагрузок на прочность композитного соединения / С.В. Дубинский, Ф.С. Севастьянов, А.Ю. Голубев, С.Л. Денисов, В.М. Костенко, И.А. Жаренов // Акустический журнал. – 2019. – T. 65, № 4. – C. 460–470.
  • Dávila, C.G. Fatigue life and damage tolerance of postbuckled composite stiffened structures with indentation damage / C.G. Dávila, C. Bisagni // Journal of Composite Materials. – 2018. – Vol. 52:7. – P. 931–943.
  • Соломонов, Д.Г. Выбор конструктивно-подобных элементов для испытаний на усталость авиационных конструкций из полимерных композиционных материалов / Д.Г. Соломонов, М.Ш. Нихамкин, А.В. Торопицина // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Аэрокосмическая техника. – 2022. – № 69. – С. 62–70.
  • Testing and analysis of a highly loaded composite flange / N.E. Jansson, A. Lutz, M. Wolfahrt, A. Sjunnesson // ECCM13: 13th European Conference on Composite Materials. – Stockholm. – 2008. – 8 p.
  • Аношкин, А.Н. Прогнозирование несущей способности композитных фланцев корпусных деталей авиадвигателей / А.Н. Аношкин, А.А. Ташкинов. – Пермь: Пермский гос. техн. ун-т, 1998. – 101 с.
  • Закономерности усталостного разрушения типового композитного фланца / Д.Г. Соломонов, Н.А. Саженков, И.П. Конев, А.В. Торопицина, М.Ш. Нихамкин // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. – Механика. – 2023. – № 3. – С. 145–153.
  • Макарова, Н.В. Статистика в Excel / Н.В. Макарова, В.Я. Трофимец. – М.: Финансы и статистика, 2002. – 368 с.
Еще
Статья научная
QR-код для установки приложения SciUp Наведите камеру и скачайте бесплатное приложение SciUp