Моделирование образования новых материальных поверхностей в процессах адгезионного расслоения композита
Автор: Глаголев В.В., Маркин А.А., Фурсаев А.А.
Статья в выпуске: 1, 2018 года.
Бесплатный доступ
Построена модель адгезионного расслоения композиционного материала. Расслоение рассматривается как термомеханический процесс, в котором напряженное состояние одной из границ адгезионного слоя изменяется до нуля при нарушении связей с соединяемым телом. В результате расслоения прекращается взаимодействие между частью композита, включающей адгезивный слой, и остальным телом. Получена система двух вариационных условий равновесности в скоростях, описывающая докритическое деформирование и процесс расслоения. Осреднение напряженно-деформированного состояния (НДС) адгезионного слоя позволяет избежать сингулярности в тупиковой точке образуемого математического разреза, и продвижение по границам слоя поверхности разрыва не приводит к ее образованию. При решении задачи докритического деформирования выделяется малая δ-поверхность на границе адгезива, где достигнут критерий отслоения. Распределение нагрузки (узловых сил) на δ-поверхности определяется путем повторного решения задачи докритического деформирования с известным из первоначального решения законом движения границы адгезивного слоя. Решается задача при простой разгрузке δ-поверхности тела и сохранении внешней нагрузки, соответствующей началу процесса расслоения. В результате НДС тела в момент начала локальной разгрузки отличается от его состояния по окончании δ-разгрузки. Для линейно-упругого материала проведено сравнение решений задачи в рамках данной модели и предложенной ранее модели когезионного расслоения, в которой предполагается полное разрушение связующего слоя. Установлено существенное различие граничных перемещений основных слоев композита в процессе его разрушения при увеличении поверхности разрыва контакта адгезионного слоя и основного материала.
Композит, характерный размер, процесс разрушения, простой процесс, вариационное уравнение, метод конечных элементов
Короткий адрес: https://sciup.org/146211710
IDR: 146211710 | УДК: 539.375 | DOI: 10.15593/perm.mech/2018.1.09
Modelling the formation of new material surfaces during adhesive delamination of a composite
The model of a composite material adhesive delamination is developed. The stress state of an adhesive bound varies to nil, when the bonds with the connected body are broken in the thermodynamic process which represents the delamination. The interaction between the part of the composite including the adhesive layer and the rest of the body is terminated as a result of delamination. We have obtained a system of two variational rate equations of the equilibrium flow of the process to describe the subcritical deformation and delamination. The averaging of the stress-strain state in the adhesive layer allows us to avoid singularity in the dead-end of the formed mathematical cut. The motion along the layer’s bounds of the delamination surface does not lead to singularity uprising. When solving the problem of the subcritical deformation, we have distinguished a small δ-surface on the bound of the adhesive, where the delamination criterion is reached. The load (node forces) distribution on the δ-surface is determined by a repeated solving of the subcritical deformation problem. But the law of motion of the adhesive layer bound at a current stage is known from the initial solution. The problems about simple unloading of the -surface of a body and keeping the external loading value on the level of the delamination start are solved. As a result, the body’s stress strain in the beginning of the local unloading differs from its state, when δ-unloading ends. For the linear elastic problem, we have performed a comparison between the results of the problem solving within the framework of the current model and the results for the model of a cohesive delamination, where a complete destruction of the cohesive layer is assumed. A substantial difference in boundary displacements of main composite layers during the destruction is established after the discontinuity surface’s growth between the adhesive layer and primary material.
Список литературы Моделирование образования новых материальных поверхностей в процессах адгезионного расслоения композита
- Morais A.B. de Cohesive zone beam modelling of mixed-mode I-II delamination//Composites Part A: Applied Science and Manufacturing. -2014. -Vol. 64 -P. 124-131 DOI: org/10.1016/j.compositesa.2014.05.004
- Determination of cohesive parameters for a mixed-mode cohesive zone model/M.J. Lee, T.M. Cho, W.S. Kim, B.C. Lee, J.J. Lee//Int. J. Adhes. Adhes. -2010. -Vol. 30. -No 5. -P. 322-328 DOI: org/10.1016/j.ijadhadh.2009.10.005
- Morais A.B. de Simplified cohesive zone analysis of mixed-mode I-II delamination in composite beams//Polymer Composites. -2013. -Vol. 34. -No 11. -P. 1901-1911 DOI: 10.1002/pc.22597
- Hildebrand M. Non-linear analysis and optimization of adhesively bonded single lap joints between fibre-reinforced plastics and metals//Int. J. Adhes. Adhes. -1994. -Vol. 14. -No 4. -P. 261-267 DOI: 10.1016/0143-7496(94)90039-6
- He X. A review of finite element analysis of adhesively bonded joints//Int. J. Adhes. Adhes. -2011. -Vol. 31. -No 4. -P. 248-264 DOI: 10.1016/j.ijadhadh.2011.01.006
- Enhanced XFEM for crack deflection in multi-material joints/N. Stein, S. Dölling, K. Chalkiadaki, W. Becker, P. Weißgraeberet//Int. J. Fract. -2017. -Vol. 207. -No 2. -P. 193-210 DOI: org/10.1007/s10704-017-0228-9
- Effect of adhesive type and thickness on the lap shear strength/L.F.M. Silva da, T.N.S.S. Rodrigues, M.A.V. Figueiredo, M.F.S.F. Moura de, J.A.G. Chousal//J. Adhes. -2006. -Vol. 82. -No 11. -P. 1091-1115 DOI: 10.1080/00218460600948511
- Modelling adhesive joints with cohesive zone models: effect of the cohesive law shape of the adhesive layer/R.D.S.G. Campilho, M.D. Banea, J.A.B.P. Neto, L.F.M. da Silva//Int. J. Adhes. Adhes. -2013. -Vol. 44. -P. 48-56 DOI: org/10.1016/j.ijadhadh.2013.02.006
- Bianchi F., Zhang X. A cohesive zone model for predicting delamination suppression in z-pinned laminates//Composites Science and Technique. -2011. -Vol. 71. -No. 16. -P. 1898-1907 DOI: org/10.1016/j.compscitech.2011.09.004
- Camanho P., Dávila C.G. Mixed-Mode Decohesion Finite Elements for the Simulation of Delamination in Composite Materials. -NASA/TM, 2002. -211737.
- Remmers J.J.C., Borst R. de Delamination buckling of fibre-metal laminates//Composites Science and Technology -2001. -Vol. 61. -No 15. -P. 2207-2213 DOI: org/10.1016/S0266-3538(01)00114-2
- A non-local fracture model for composite laminates and numerical simulations by using the FFT method/J. Li, S. Meng, X. Tian, F. Song, C. Jiang//Composites: Part B: Engineering. -2012. -Vol. 43. -No. 3. -P. 961-971. DOI: org/10.1016/j.compositesb.2011.08.055
- A continuum damage model for composite laminates: Part I -Constitutive model/P. Maimí, P.P. Camanho, J.A. Mayugo, C.G. Dávila//Mechanics of Materials. -2007. -Vol. 39. -No. 10. -P. 897-908 DOI: org/10.1016/j.mechmat.2007.03.005
- A continuum damage model for composite laminates: Part II -Computational implementation and validation/P. Maimí, P.P. Camanho, J.A. Mayugo, C.G. Dávila//Mechanics of Materials. -2007. -Vol. 39. -No 10. -P. 909-919 DOI: org/10.1016/j.mechmat.2007.03.006
- Park M., Frey K., Simon L. Modeling and analysis of composite bonded joints//American Journal of Mechanical and Industrial Engineering. -2017. -Vol. 2. -No. 1. -P. 1-7 DOI: 10.11648/j.ajmie.20170201.11
- A cohesive zone model and scaling analysis for mixed-mode interfacial fracture/S. Jain, S.R. Na, K.M. Liechti, R.T. Bonnecaze//International Journal of Solids and Structures. -2017. -Vol. 129. -P. 167-176 DOI: 10.1016/j.ijsolstr.2017.09.002
- Sheinman I., Kardomateas G. Energy release rate and stress intensity factors for delaminated composite laminates//International Journal of Solids and Structures. -1997. -Vol. 34. -No 4. -P. 451-459 DOI: 10.1016/S0020-7683(96)00018-2
- Felger J., Stein N., Becker W. Mixed-mode fracture in open-hole composite plates of finite-width: An asymptotic coupled stress and energy approach//International Journal of Solids and Structures. -2017. -Vol. 122-123. -P. 14-24 DOI: org/10.1016/j.ijsolstr.2017.05.039
- Глаголев В.В., Маркин А.А., Фурсаев А.А. Моделирование процесса разделения композита с адгезионным слоем//Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. -2016. -№ 2. -С. 34-44. 2016.2.03 DOI: 10.15593/perm.mech/
- Морозов Н.Ф., Товстик П.Е., Товстик Т.П. Обобщенная модель Тимошенко-Рейсснера для многослойной пластины//Изв. РАН. МТТ. -2016. -№ 5. -С. 22-35.
- Морозов Н.Ф., Товстик П.Е. Изгиб двуслойной балки с нежестким контактом между слоями//Прикладная математика и механика. -2011. -Т. 75, № 1. -С. 112-121.
- Болотин В.В., Новичков Ю.Н. Механика многослойных конструкций. -М.: Машиностроение, 1980. -375 с.
- ANSYS. User's Guide, Release 11.0. -Pennsylvania, USA: ANSYS Inc, 2006.
- De Moura MFSF., Gonçalves JPM. Cohesive zone model for high-cycle fatigue of adhesively bonded joints under mode I loading.//International Journal of Solids and Structures. -2014. -Vol. 51. -No. 5. -P. 1123-1131 DOI: org/10.1016/j.ijsolstr.2013.12.009
- Finite element simulation of single carbon nanotube pull-outs from a cementitious nanocomposite material using an elastic-plastic-damage and cohesive surface models/Rashid K. Abu Al-Rub, Sun-Myung Kim, Khaldoon A. Bani-Hani, Nasser Al-Nuaimi, Ahmed Senouci//Int. J. Theoretical and Applied Multiscale Mechanics. -2014. -Vol. 3. -No 1. -P. 31-57 DOI: 10.1504/IJTAMM.2014.069448
- Zhang J., Xu W., Yao X.F. Load detection of functionally graded material based on coherent gradient sensing method//Journal of Mechanics. -2016. -P. 1-12 DOI: org/10.1017/jmech.2016.114
- Mackerle J. Finite element analysis and simulation of adhesive bonding, soldering and brazing-an addendum: a bibliography (1996-2002)//Modelling and Simulation in Materials Science and Engineering. -2002. -Vol. 10. -No. 6. -P. 637-671 DOI: org/10.1088/0965-0393/10/6/304
- Baldan A. Adhesively-bonded joints and repairs in metallic alloys, polymers and composite materials: Adhesives, adhesion theories and surface pretreatment//Journal of Materials Science. -2004. -Vol. 39. -No. 1. -P. 1-49 DOI: org/10.1023/B:JMSC.0000007726.58758.e4
- Baldan A. Adhesively-bonded joints in metallic alloys, polymers and composite materials: Mechanical and environmental durability performance//Journal of Materials Science. -2004. -Vol. 39. -No. 15. -P. 4729-4797 DOI: org/10.1023/B:JMSC.0000035317.87118.ab
- An updated review of adhesively bonded joints in composite materials/S. Budhe, M.D. Banea, S. Barros, L.F.M. Silva//International Journal of Adhesion and Adhesives. -2017. -Vol. 72 -P. 30-42 DOI: org/10.1016/j.ijadhadh.2016.10.010
- Астапов Н.С., Корнев В.М., Кургузов В.Д. Модель расслоения разномодульного биматериала с трещиной//Физическая мезомеханика. -2016. -Т. 19, № 4. -С. 49-57.
- Sun C. T., Jih C. J. On strain energy release rates for interfacial cracks in bi-material media//Engineering Fracture Mechanics. -1987. -Vol. 28. -No 1. -P. 13-20. https://doi.org/10.1016/0013-7944(87)90115-9
- Глаголев В.В., Маркин А.А., Фурсаев А.А. Моделирование образования новых материальных поверхностей в процессах когезионного разрушения композита с адгезионным слоем//Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. -2017. -№ 2. -С. 45-59 DOI: 10.15593/perm.mech/2017.2.03
- Маркин А.А., Соколова М.Ю. Термомеханика упругопластического деформирования. -М.: Физматлит, 2013. -320 с.
- Новожилов В.В. О необходимом и достаточном критерии хрупкой прочности//ПММ. -1969. -Т. 33, № 2. -С. 212-222.
