Моделирование технологических дефектов и оценка их влияния на статическую прочность композитных фланцев
Автор: Аношкин А.Н., Зуйко В.Ю., Осокин В.М., Третьяков А.А., Писарев П.В.
Статья в выпуске: 2, 2016 года.
Бесплатный доступ
Предложена приближенная методика оценки влияния дефектов на статическую прочность композитных фланцев для высоконагруженных корпусных деталей и узлов авиационной техники из полимерных композиционных материалов (ПКМ), основанная на современных методах численного моделирования. В процессе формования фланцев в зонах перегиба возможно появление различных дефектов: искривление слоев, смоляные карманы, поры, расслоения и т.п. Таким образом, задача оценки влияния технологических дефектов на прочность данного изделия является актуальной. Определены основные типы дефектов в слоистых композитах, а также проведен обзор основных работ, посвященных исследованию вопросов прочности слоистых конструкций из ПКМ с дефектами. С использованием двумерной осесимметричной модели в среде конечно-элементного анализа ANSYS проведено численное моделирование механического поведения стеклопластикового фланца с основными типами дефектов при силовом нагружении. Задача решалась в упругой постановке с учетом анизотропии механических свойств материала. В разработанной модели предполагается параметризация размеров и конфигурации дефектов, а также возможная вариация места расположения дефектов по выбранной подобласти композиционного материала. Для сохранения исходного контура конструкции общая толщина пакета слоев в локальной зоне дефекта уменьшалась на величину дефекта. Таким образом, оценка прочности конструкции с дефектом осуществлялась с запасом. Оценка запаса статической прочности рассматриваемого фланца проводилась по компонентам напряжений с использованием критерия максимальных напряжений. Модель позволяет анализировать как нормальные напряжения в плоскости слоя, так и межслоевые отрывные и сдвиговые напряжения. Сравнение полученных значений с результатами для неповрежденной конструкции фланца позволяет сделать вывод о степени влияния рассматриваемого дефекта или их сочетаний на статическую прочность изделия.
Полимерные композиционные материалы, стеклопластик, напряженно-деформированное состояние, метод конечных элементов (мкэ), дефект, расслоение, схема армирования, жесткость, прочность, численное моделирование
Короткий адрес: https://sciup.org/146211613
IDR: 146211613 | УДК: 534.28 | DOI: 10.15593/perm.mech/2016.2.01
Manufacturing defects in composite flanges: modelling and analysis of influence on static strength
This work presents an approximate methodology based on the numerical simulation aimed at assessing how defects affect static strength of polymer composite flanges in load bearing elements used in aeronautical engineering. Various defects may occur in the process of flange forming in the areas of bending, e.g. curvature of the layers, resin pockets, voids, delamination and others. Thus, there is an actual problem of assessing how technological defects affect the strength of this part. The main defects in composite laminates are defined and a review of literature related to strength problems for such structures are presented in this work. The numerical stress-strain analysis of composite flange with main types of defects under force loading condition was carried out with ANSYS software. A two - dimensional axisymmetric finite element model was used. For the development of the structural model a parametric modelling approach was applied, including defect size, configuration and location parameters. The problem was solved in a general statement for an anisotropic elastic body. In order to keep the original part profile, we reduced the overall thickness of the layers in the local area near the defect by the size of the defect, so the overstated value of structural strength was obtained in simulation. The safety factor of the flange was estimated by stress components using the maximum stress criterion. The stresses in the material principal directions and interlaminar shear and normal stresses were determined for analysis. A comparison of the obtained data with the results for a defect-free flange allows estimating the impact of each defect or its combination on the static strength of flange.
Список литературы Моделирование технологических дефектов и оценка их влияния на статическую прочность композитных фланцев
- Сапожников C.Б. Дефекты и прочность армированных пластиков/Челяб. гос. техн. ун-т. -Челябинск, 1994. -C. 162.
- Defects in Composite Structures: Its effects and prediction methods -A comprehensive review/K. Senthil, A. Arockiarajan, R. Palaninathan, B. Santhosh, K.M. Usha//Composite Structures. -2013. -Vol. 106. -P. 139-149 DOI: 10.1016/j.compstruct.2013.06.008
- Бохоева Л.А. Особенности расчёта на прочность элементов конструкций из изотропных и композиционных материалов с допустимыми дефектами. -Улан-Удэ: Изд-во Вост.-Сиб. технол. ун-та, 2007. -С. 192.
- Болотин В.В. Дефекты типа расслоений в конструкциях из композитных материалов//Механика композитных материалов. -1984. -№ 2. -С. 239-255.
- Болотин В.В. Межслойное разрушение композитов при комбинированном нагружении//Механика композитных материалов. -1988. -№ 3. -С. 410-418.
- Болотин В.В. О динамическом распространении трещин//Прикладная математика и механика. -1992. -Т. 56, № 1-C. 150-162.
- Трошин В.П. Влияние продольного расслоения в слоистой цилиндрической оболочке на величину критического внешнего давления//Механика композитных материалов. -1982. -№ 5. -C. 838-842.
- Трошин В.П. К устойчивости цилиндрических оболочек с расслоениями//Механика композитных материалов. -1981. -№ 4. -C. 729-731.
- Тарнопольский Ю.М. Расслоение сжимаемых стержней из композитов//Разрушение композитных материалов.-1979. -№ 2. -С. 160-166.
- Доан Чак Луат, Лурье С.А., Дудченко А.А. Моделирование деградации свойств композита при растрескивании и расслоении при статическом и циклическом нагружении//Механика композиционных материалов и конструкций. -2008. -T 14, № 4. -С. 623-637.
- Bottega W.J., Maewal A. Delamination buckling and growth in laminates//Journal Applied Mechanics. -1983. -Vol. 50. -No 1. -P. 184-189 DOI: 10.1115/1.3166988
- Chai H., Babcock C.D., Knauss W.G. One dimensional modeling of failure in laminated plates by delamination buckling//International Journal of Solids and Structures. -1981. -Vol. 27. -No. 11. -P. 1069-1083 DOI: 10.1016/0020-7683(81)90014-7
- Chai H., Babcock C.D. Two-dimensional modeling of compressive failure in delaminated laminates//Journal of Composite materials. -1985. -Vol. 19. -No. 1. -P. 67-91. DOI: 10.1177/002199838501900105
- Bolotin V.V. Delaminations in composite structures: its origin, buckling, growth and stability//Composites Part B: Engineering. -1996. -Vol. 27. -No. 2. -P. 129-145 DOI: 10.1016/1359-8368(95)00035-6
- Simitses G.J., Sallam S., Yin W.H. Effect of delamination of axially loaded homogeneous laminated plates//AIAA Journal. -1985. -Vol. 23. -No. 9. -P. 1437-1444 DOI: 10.2514/3.9104
- Muc A, Stawiarski A. Identification of damages in composite multilayered cylindrical panels with delaminations//Composite Structures. -2012. -Vol. 94. -No. 5. -P. 1871-1879. DOI:10.1016/j.compstruct.2011.11.026
- Prediction of flange debonding in composite stiffened panels using an analytical crack tip element-based methodology/Z. Mikulik, D.W. Kelly, B.G. Prusty, R.S. Thomson//Composite Structures. -2008. -Vol. 85. -No. 3. -P. 233-244 DOI: 10.1016/j.compstruct.2007.10.027
- Jian Li. Flange delamination prediction in composite structures with ply waviness//AIAA Journal. -2000. -Vol. 38. -No. 5. -P. 893-897 DOI: 10.2514/2.1044
- Camanho P.P., Davila C.G., Pinho S.T. Fracture analysis of composite co-cured structural joints using decohesion elements//Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures. -2004. -Vol. 27. -No. 9. -P. 745-757 DOI: 10.1111/j.1460-2695.2004.00695.x
- Steeves C.A., Fleck N. A. Compressive strength of composite laminates with terminated internal plies//Composites Part A: Applied Science and Manufacturing. -2005. -Vol. 36. -No. 6. -P. 798-805 DOI: 10.1016/j.compositesa.2004.10.024
- McElroy M., Leone F., Ratcliffe J. Simulation of delamination-migration and core crushing in a CFRP sandwich structure//Composites Part A: Applied Science and Manufacturing. -2015. -Vol. 79. -P. 192-202 DOI: 10.1016/j.compositesa.2015.08.026
- Аношкин А.Н., Ташкинов А.А. Прогнозирование несущей способности композитных фланцев корпусных деталей авиадвигателей/Перм. гос. техн. ун-т. -Пермь, 1998. -С. 101.
- Аношкин А.Н., Ташкинов А.А. Нестационарные процессы накопления повреждений композитных фланцев при циклических нагрузках//Механика композитных материалов. -1997. -Т. 33, № 5. -С. 449-454.
- Аношкин А.Н., Ташкинов А.А., Грицевич А.М. Прогнозирование несущей способности композитных фланцев корпусных деталей авиадвигателей//Механика композитных материалов. -1997. -Т. 33, № 3. -С. 255-262 DOI: 10.1007/s00158-010-0617-4
- Расчет НДС и оценка прочности композитного фланца стеклопластикового кожуха авиационного газотурбинного двигателя/А.Н. Аношкин, М.В. Рудаков, И.С. Страумит, Е.Н. Шустова//Вестн. Уфим. гос. авиац. техн. ун-та. -2011. -Т. 15, № 1 (41). -С. 67-75.
- Repair of damage in aircraft composite sound-absorbing panels/A.N. Anoshkin, V.Y. Zuiko, M.A. Tashkinov, V.V. Silberschmidt//Composite Structures. -2015. -Vol. 120. -P. 153-166 DOI: 10.1016/j.compstruct.2014.10.001
- Experimental-theoretical research of mechanical properties of perforated composite sandwich panels/A.N. Anoshkin, V. Yu. Zuiko, A.V. Tchugaynova, E.N. Shustova//Solid State Phenomena. -2016. -Vol. 243. -P. 1-10 DOI: 10.4028/www.scientific.net/SSP.243.1
