Концентрация напряжений в пластине из слоистого углепластика со свободным отверстием в условиях многоцикловой усталости
Автор: Нихамкин М.Ш., Соломонов Д.Г., Струнгарь Е.М.
Статья в выпуске: 6, 2025 года.
Бесплатный доступ
Отверстия, неизбежные в конструкциях из полимерных композиционных материалов, становятся концентраторами напряжений, снижающими прочность конструкции, особенно в условиях вибраций, когда прочность определяется сопротивлением усталостному разрушению. Для исследования влияния концентрации напряжений на сопротивление многоцикловой усталости слоистого углепластика в настоящей работе применяется метод инфракрасной термографии. Цель работы состояла в разработке ускоренной методики определения предела выносливости образцов с отверстиями в рамках термографического метода, а также получении экспериментальных данных об усталостной прочности и чувствительности к концентрации напряжений таких элементов в условиях многоцикловой усталости. Объектом исследования является изготовленный по технологии RTM углепластика на основе равнопрочной ткани из углеволокна с эпоксидным связующим. Разработка методики состояла в выборе оборудования, количества, амплитуды и продолжительности блоков, зоны и параметров регистрации температуры, методики обработки результатов. Проведен анализ полей температуры саморазогрева образцов в процессе циклического нагружения. Методом цифровой корреляции изображений получены поля деформаций на поверхности образца вблизи отверстия. Установлено, что наиболее активный саморазогрев происходит в Х-образной зоне вблизи отверстия, где максимальны сдвиговые деформации. Это свидетельствует о интенсивном накоплении усталостных повреждений в этой зоне в рассматриваемом углепластике. Получены экспериментальны данные о пределах выносливости образцов с отверстием при одноосном растяжении с коэффициентом асимметрии цикла 0,1. Определены эффективные коэффициенты концентрации напряжений в исследованных образцах и коэффициент чувствительности к концентрации напряжений. Установлено, что для исследованного углепластика характерна низкая чувствительность к концентрации напряжений, наличие отверстия незначительно снижает предел выносливости образцов из углепластика с рассмотренной схемой армирования. Разработанная методика ускоренной оценки влияния концентрации напряжений на сопротивление многоцикловой усталости углепластика методом инфракрасной термографии позволяет многократно снизить количество испытываемых образцов и продолжительность испытаний по сравнению с традиционными усталостными испытаниями с получением кривой усталости.
Полимерные композиционные материалы, углепластик, многоцикловая усталость, инфракрасная термография, предел выносливости, чувствительность к концентрации напряжений, экспериментальная механика
Короткий адрес: https://sciup.org/146283345
IDR: 146283345 | УДК: 620.17 | DOI: 10.15593/perm.mech/2025.6.05
Stress concentration in a laminated carbon fiber plate with a free hole under conditions of multi-cycle fatigue
Holes are inevitable in structures made of polymer composite materials. They become stress concentrators that reduce the strength of the structure. This is especially true in conditions of vibration, where strength is determined by resistance to fatigue failure. The infrared thermography method is used to study the effect of stress concentration on the multi-cycle fatigue resistance of layered carbon fiber. The purpose of the work was to develop an accelerated method for determining the endurance limit of samples with holes using the thermographic method and to obtain experimental data on fatigue strength and sensitivity to stress concentration under conditions of multi-cycle fatigue. The object of research is a carbon fiber composite made using RTM technology based on an equal-strength carbon fiber fabric with an epoxy binder. The development of the methodology involved selecting the equipment, the number, amplitude, and duration of the blocks, the temperature recording zone and parameters, and the methodology for processing the results. The analysis of the temperature fields of self-heating of the samples in the process of cyclic loading was carried out. The fields of deformations on the surface of the sample near the hole were obtained by the method of digital image correlation. It was found that the most active self-heating occurs in the X-shaped zone near the hole, where the shear deformations are maximum. This indicates the intensive accumulation of fatigue damage in this zone in the carbon fiber composite under consideration. Experimental data on the fatigue limits of samples with a hole under uniaxial tension with a cycle asymmetry factor of 0.1 have been obtained. The effective stress concentration factors in the studied samples and the sensitivity factor to stress concentration have been determined. It has been established that the studied carbon fiber has a low sensitivity to stress concentration, and the presence of a hole slightly reduces the endurance limit of carbon fiber samples with the considered reinforcement scheme. The developed method for accelerated assessment of the effect of stress concentration on the resistance of carbon fiber composite to high-cycle fatigue using infrared thermography allows for a significant reduction in the number of samples tested and the duration of tests compared to traditional fatigue tests that produce a fatigue curve.
