Комплекс испытаний для определения влияния напряженного состояния на прочность металлополимерных адгезионных соединений

Комплекс испытаний для определения влияния напряженного состояния на прочность металлополимерных адгезионных соединений

Автор: Смирнов С.В., Веретенникова И.А., Мясникова М.В., Вичужанин Д.И.

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

Статья в выпуске: 5, 2024 года.

Бесплатный доступ

Расширение области использования металлополимерных адгезионных соединений является перспективным направлением создания композиционных материалов, сотовых и слоистых силовых конструкций, сочетающих высокую прочность и малый вес. Для адекватного проектирования металлополимерных соединений с использованием современных систем инженерного анализа необходимо иметь сведения о предельных механических свойствах адгезионных соединений при напряженном состоянии, которое может быть реализовано в проектируемых элементах конструкций в процессе эксплуатации. В статье описаны особенности использования методик проведения и обработки результатов комплекса механических испытаний на растяжение модифицированных образцов Аркана и поперечное сжатие склеенных цилиндрических BNS -образцов. Для уменьшения концентрации опасных напряжений на краях образцов предложено формировать выступающий за пределы контактной поверхности дополнительный объем адгезива. Для учета особенностей разрушения слоистых металлополимерных соединений предложено проводить испытания многослойных образцов на трехточечный изгиб с одновременной видеофиксацией процесса деформирования образцов. Начальный момент разрушения адгезионного соединения определяется по возникновению относительного сдвига предварительно нанесенных реперных линий. Предложен критерий разрушения адгезионных соединений, основанный на рассмотрении предельного состояния условного выделенного микрообъема, содержащего границу соединения материалов. Приведены аналитические формулы для расчета эффективных значений нормального модуля упругости и коэффициента Пуассона условного выделенного микрообъема. Рассмотрены особенности реализации методик на примерах испытаний металлополимерных адгезионных соединений поверхностей алюминиевых сплавов посредством эпоксидных смол. По результатам проведенных испытаний построены диаграммы предельной плотности энергии деформации, которые могут быть использованы для проектной оценки ресурса адгезионной прочности металлополимерных адгезионных соединений.

Еще

Металлополимерные композиты, адгезионные соединения, напряженное состояние, прочность, разрушение, испытания на адгезионную прочность, модифицированные образцы аркана, многослойные образцы, эпоксидная смола, адгезив

Короткий адрес: https://sciup.org/146283061

IDR: 146283061   |   DOI: 10.15593/perm.mech/2024.5.08

Список литературы Комплекс испытаний для определения влияния напряженного состояния на прочность металлополимерных адгезионных соединений

  • Volinsky, A.A. Interfacial toughness measurements for thin films on substrates / A.A. Volinsky, N.R. Moody, W.W. Gerberich // Acta Materialia. – 2002. – Vol. 50. – P. 441–466. DOI: 10.1016/S1359-6454(01)00354-8
  • ГОСТ ISO 4674-1-2021. Материалы с резиновым или пластмассовым покрытием. Определение сопротивления раздиру. Часть 1. Методы испытания на раздир с постоянной скоростью. – М., 2001.
  • Chandran, S.M. Microbond fibre bundle pullout technique to evaluate the interfacial adhesion of polyethylene and polypropylene self reinforced composites / S. Chandran, K. Padmanabhan, // Applied Adhesion Science. – 2019. – Vol. 7(5) (2019). – P. 1–22. DOI:10.1186/s40563-019-0121-z
  • Handbook of Damage Mechanics. Nano to Macro Scale for Materials and Structures / ed. by George Z. Voyiadjis. – New York: Springer, 2022. – 1386 p. DOI: 10.1007/978-3-030-60242-0
  • Бондарчук, Д.А. Анализ параметров трещиностойкости на свободной границе в слоистых композитах / Д.А. Бондарчук, Б.Н. Федулов, А.Н. Федоренко, Е.В. Ломакин // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. –2020. – № 4. – С. 49–59. DOI: 10.15593/perm.mech/2020.4.05
  • Старостин, И.А. Современное состояние проблемы оценки адгезионного взаимодействия с применением термодинамических характеристик / И.А. Старостин, Н.В. Улитин, О.В. Стоянов // Клеи. Герметики. Технологии. – 2022. – № 1. – C. 8–14. DOI:10.31044/1813-7008-2022-0-1-8-14
  • Silva, L.F.M. Design of Adhesive Joints Under Humid Conditions / L.F.M. Silva, C. Sato // Advanced Structured Materials. – 2013. – Vol. 25. – P. 182. DOI: 10.1007/978-3-642-37614-6
  • Hybrid Adhesive Joints // Advanced Structured Materials / edit. L.F.M. da Silva, A. Pirondi, A. Öchsner. – Germany: Springer, 2011. – 317 p.
  • Banks-Sills, L. Interface Fracture and Delaminations in Composite Materials / L. Banks-Sills. – Cham: Springer, 2018. – 120 p. DOI:10.1007/978-3-319-60327-8
  • Analytical models of adhesively bonded joints – Part I: Literature survey / L.F.M. Silva, P. Neves, R. Adams, J. Spelt // International Journal of Adhesion & Adhesives. – 2009. – Vol. 29. – P. 319–330. DOI: 10.1016/j.ijadhadh.2008.06.005
  • Barberon, E. Determination of Material Properties for ANSYS Progressive Damage Analysis of Laminated Composites / E. Barberon, M. Shahbazi // Composite Structures. – 2017. – Vol. 176. – P. 768–779. DOI: 10.1016/j.compstruct.2017.05.074
  • Chaht, F.L. Using a Hashin Criteria to predict the Damage of composite notched plate under traction and torsion behavior / F.L. Chaht, M. Mokhtari, H. Benzaama. // Frattura ed Integrità Strutturale. – 2019 – Vol. 50. – P. 331–341. DOI:10.3221/IGF-ESIS.50.28
  • Gleich, D.M. Analysis and evaluation of bondline thickness effects on failure load in adhesively bonded structures / D.M. Gleich, M.J. L. Van tooren, A. Beukers // Journal of Adhesion Science and Technology. – 2001. – Vol. 15 (9). – P. 1091–1101. DOI:10.1163/156856101317035503
  • Schwalbe, K.H. Guidelines for Applying Cohesive Models to the Damage Behaviour of Engineering Materials and Structures / K.H. Schwalbe, I. Scheider, A. Cornec. – Berlin: Springer, Heidelberg, 2013. – 89 p. DOI: 10.1007/978-3-642-29494-5
  • Долгих, Д.А. Исследование закономерностей накопления повреждений и развития расслоения в полимерных композиционных материалах на основе двухуровневых моделей разрушения / Д.А. Долгих, М.А. Ташкинов // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. – 2020. – № 4. – С. 74–85. DOI: 10.15593/perm.mech/2020.4.07
  • A review on failure theories and simulation models for adhesive joints / K.I. Tserpes, A. Barroso, P.A. Carraro, V.C. Beber, I.S. Floros, W. Gamon, M. Kozłowski, F. Santandrea, M. Shahverdi, D. Skejic, C. Bedon, V. Rajcic // The Journal of Adhesion. – 2021. – Vol. 98 (12). – P. 1–62. DOI: 10.1080/00218464.2021.1941903
  • Chen, Z. Prediction of crack initiation and propagation of adhesive lap joints using an energy failure criterion / Z. Chen, R.D. Adams, Lucas F.M. da Silva // Engineering Fracture Mechanics. – 2011. – Vol. 78(6). – P. 990–1007. DOI: 10.1016/j.engfracmech.2010.12.004
  • Arcan, L. SEM fractography of pure and mixed Mode interlaminar fracture in Graphite/Epoxy composites / L. Arcan, M. Arcan, L. Daniel // ASTM International. – 1987. – P. 41–67. DOI: 10.1520/STP25614S
  • Development of an improved adhesive test method for composite assembly design / J.Y. Cognard, P. Davies, B. Gineste, L. Sohier // Compos. Sci. Technol. – 2005. – Vol. 65(3). – P. 59–68. DOI: 10.1016/j.compscitech.2004.09.008
  • A stress concentration-free bonded arcan tensile compression shear test specimen for the evaluation of adhesive mechanical response / R. Créac'hcadec, L. Sohier, C. Cellard, B. Gineste // International Journal of Adhesion & Adhesives. – 2015. – Vol. 61. – P. 81–92. DOI: 10.1016/j.ijadhadh.2015.05.003
  • Effect of liquid nitrogen cooling on mechanical characteristics and fracture morphology of layer coal under Brazilian splitting test / P. Hou, Y. Xue, F. Gao, F. Dou, S. Su, C. Cai, C. Zhu // Int. J. Rock Mech. Min. Sci. – 2022. – Vol. 151(19). – P. 105026. DOI: 10.1016/j.ijrmms.2021.105026
  • Povolny, S.J. Numerical Brazilian disk testing of multiscale porous Ultra-High Temperature Ceramics / S.J. Povolny, G.D. Seidel, C. Tallon // Int. J. Solids Struct. – 2002. – Vol. 234– 235(6). – P. 111262. DOI:10.1016/j.ijsolstr.2021.111262
  • Wang, C. Modified Generalized Maximum Tangential Stress Criterion for Simulation of Crack Propagation and Its Application in Discontinuous Deformation / C. Wang, S. Wang // Analysis. Eng. Fract. Mech. – 2022. – Vol. 259. – P. 108159. DOI: 10.1016/j.engfracmech.2021.108159
  • Aliha, M.R.M.: Brittle fracture evaluation of a fine grain cement mortar in combined tensile-shear deformation / M.R.M. Aliha, M.R. Ayatollahi // Fatig. Fract. Eng. Mater. Struct. – 2009. – Vol. 32(12). – P. 987–994. DOI: 10.1111/j.1460-2695.2009.01402.x
  • Chang, X. Cracking behaviours of layered specimen with an interface crack in Brazilian tests / X. Chang, T. Guo, S. Zhang // Eng. Fract. Mech. – 2020. – Vol. 228. – P. 106904. DOI: 10.1016/j.engfracmech.2020.106904
  • Aminzadeh, A. On Brazilian disk test for mixed-mode I/II fracture toughness experiments of anisotropic rocks / A. Aminzadeh, A. Fahimifar, M. Nejati // Theor. Appl. Fract. Mech. – 2019. – Vol. 102. – P. 222–238. DOI: 10.1016/j.tafmec.2019.04.010
  • Smirnov, S.V. Modeling of delamination in multilayer metals produced by explosive welding under plastic deformation / S.V. Smirnov, I.A. Veretennikova, D.I. Vichuzhanin // Comput. Contin. Mech. – 2014. – Vol. 7(4). – P. 398–411. DOI: 10.7242/1999-6691/2014.7.4.38
  • Smirnov, S.V. The Effect of the Stress State, Testing Temperature, and Hardener Composition on the Strength of an AlMg5/Epoxy Metal Polymer Joint / S.V. Smirnov, D.A. Konovalov, D.I. Vichuzhanin, I.A. Veretennikova, A.V. Pestov, V.A. Osipova // Materials. – 2022. – Vol. 15 (20). – P. 7326. DOI: 10.3390/ma15207326
  • Zhang, X.P. Acoustic emission characteristics of the rocklike material containing a single flaw under different compressive loading rates / X.P. Zhang, Q. Zhang, S. Wu // Comput. Geotech. – 2017. – Vol. 83. – P. 83–97. DOI: 10.1016/j.compgeo.2016.11.003
  • Wu, S. Numerical analysis of the flattened Brazilian test: Failure process, recommended geometric parameters and loading conditions / S. Wu, J. Ma, Y. Cheng, M. Xu, X. Huang // Engineering Fracture Mechanics. – 2018. – Vol. 204. – P. 288–305. DOI: 10.1016/j.engfracmech.2018.09.024
  • Тамуж, В.П. Разрушение конструкций из композитных материалов / В.Д. Протасов. – Рига: Зинатне, 1986. – 264 с.
  • Тарнопольский, Ю.М. Методы статических испытаний армированных пластиков / Ю.М. Тарнопольский, Т.Я. Кинцис. – М.: Химия, 1981. – 272 с.
  • Неупругие свойства композиционных материалов. Механика: новое в зарубежной науке / под ред. К. Гераковича, пер. с англ. Н.П. Жмудя, под ред. Ю.М. Тарнопольского. – М.: Мир, 1978. – 295 c.
  • Промышленные деформируемые, спеченные и литейные алюминиевые сплавы / ред. Ф.И. Квасов, И.Н. Фридляндер. – М: Металлургия, 1972. – 551 с.
  • Liechti, K.M. Asymmetric Shielding in Interfacial Fracture Under In-Plane Shear / K.M. Liechti, Y.S. Cha // J. Appl. Mech. – 1992. – Vol. 59. – P. 295–304. DOI: 10.1115/1.2899520
  • Wang, J.-S. Experimental determination of interfacial toughness curves using brazil-nut-sandwiches / J.-S. Wang, Z. Suo // Acta Metall. Mater. – 1990. – Vol. 38 (7). – P. 1279–1290. DOI: 10.1016/0956-7151(90)90200-Z
  • Thouless, M.D. Measurement and analysis of the fracture properties of adhesive joints / M.D. Thouless, Q.D. Yang // Adhesion Science and Engineering. – 2002. – Vol. 2. – P. 235–271. DOI: 10.1016/B978-0-444-51140-9.50034-2
  • Determination of the adhesive strength of a laminated glue material under three-point bending / S.V. Smirnov, I.A. Veretennikova, D.I. Vichuzhanin, A.V. Pestov // Diagnostics, Resource and Mechanics of materials and structures. – 2019. – Iss. 6. – P. 26–36. DOI: 10.17804/2410-9908.2019.6.026-036
Еще
Статья научная
QR-код для установки приложения SciUp Наведите камеру и скачайте бесплатное приложение SciUp