Моделирование ударного разрушения трубчатых образцов из композитного материала, зависящего от скорости нагружения
Автор: Федоренко А.Н., Федулов Б.Н., Ломакин Е.В.
Статья в выпуске: 3, 2021 года.
Бесплатный доступ
Для моделирования ударного разрушения композитных материалов рассмотрена модель, учитывающая зависимость прочностных свойств от скорости повреждения. На основе экспериментальных диаграмм ударного нагружения сжатия и сдвига однонаправленных слоистых композитов, проявляющих нелинейную зависимость от скорости деформаций, определены константы модели материала. Предложенная модель реализована в комплексе конечно-элементного моделирования Abaqus для случая трехмерного напряженного состояния. В качестве объекта численного моделирования рассмотрены трубчатые композитные образцы из углеволокна с эпоксидным связующим со слоями разной ориентации, испытания которых распространены на практике для определения количественных характеристик поглощения ударной энергии. Построены диаграммы ударного нагружения рассматриваемых трубчатых образцов. Исследовано влияние фаски (сужения сечения образца) на крае трубчатого образца, инициирующей разрушение, на диаграмму ударного нагружения в начальной стадии процесса. Предложенный подход позволяет оценивать величину пика амплитуды, связанного с разрушением фаски. Кроме того, на начальном этапе нагружения реализуются максимальные скорости деформации, что влечет за собой наибольшее упрочнение материала, также выраженное на диаграмме нагружения в виде увеличения амплитуды. В расчетах в случае пренебрежения эффектами, связанными со скоростным упрочнением материала и геометрией фаски, результат может выражаться в недооценке реакции, в особенности на начальном этапе процесса. Отсутствие описанных эффектов в модели композитных конструкций может привести к существенно некорректным результатам, вплоть до полного разрушения при отсутствии какой-либо реакции. Разработанный подход эффективен при проектировании и испытаниях демпфирующих элементов из композиционного материала со свойствами, чувствительными к скорости нагружения.
Композитные материалы, поврежденность, критерий разрушения, механические характеристики, параметры поврежденности, ударные нагрузки, демпфирование, скорость деформации, связующее, волокно
Короткий адрес: https://sciup.org/146282372
IDR: 146282372 | DOI: 10.15593/perm.mech/2021.3.09
Список литературы Моделирование ударного разрушения трубчатых образцов из композитного материала, зависящего от скорости нагружения
- The inextensional collapse of grooved thin-walled cylinders of PVC under axial loading / A.G. Mamalis [et al.] // International Journal of Impact Engineering. - 1986. - Vol. 4, no. 1. - P. 41-56.
- Lu G., Yu T. X. Energy absorption of structures and materials. - Elsevier, 2003.
- Boria S., Obradovic J., Belingardi G. Experimental and numerical investigations of the impact behaviour of composite frontal crash structures // Composites Part B: Engineering. - 2015. - Vol. 79. - P. 20-27.
- Fedorenko A.N., Fedulov B.N. Effect of elastic properties dependence of the stress state in composite materials // Aerospace Systems. - 2019. - Vol. 2, no. 2. - P. 105-109.
- Fedorenko A.N., Fedulov B.N., Lomakin E.V. Buckling problem of composite thin-walled structures with properties dependent on loading types // PNRPU Mechanics Bulletin. - 2019. - No. 3. - P. 104-111.
- Kim J.S., Yoon H.J., Shin K.B. A study on crushing behaviors of composite circular tubes with different reinforcing fibers // International Journal of Impact Engineering. - 2011. - Vol. 38, no. 4. - P. 198-207.
- Investigation into laminate design of open carbon-fibre/epoxy sections by quasi-static and dynamic crushing / A. Jackson [et al.] // Composite Structures. - 2011. - Vol. 93, no. 10. - P. 2646-2654.
- David M., Johnson A.F., Voggenreiter H. Analysis of crushing response of composite crashworthy structures // Applied Composite Materials. - 2013. - Vol. 20, no. 5. - P. 773-787.
- Mamalis A.G., Yuan Y.B., Viegelahn G.L. Collapse of thin-wall composite sections subjected to high speed axial loading // International Journal of Vehicle Design. - 1992. - Vol. 13, no. 5-6. - P. 564-579.
- Ataabadi P.B., Karagiozova D., Alves M. Crushing and energy absorption mechanisms of carbon fiber-epoxy tubes under axial impact // International Journal of Impact Engineering. - 2019. - Vol. 131. - P. 174-189.
- Fracture toughness and crack resistance curves for fiber compressive failure mode in polymer composites under high rate loading / P. Kuhn [et al.] // Composite Structures. - 2017. - Vol. 182. - P. 164-175.
- Hsiao H.M., Daniel I.M. Strain rate behavior of composite materials // Composites Part B: Engineering. - 1998. - Vol. 29, no. 5. - P. 521-533.
- Hsiao H.M., Daniel I.M., Cordes R.D. Strain rate effects on the transverse compressive and shear behavior of unidirectional composites // Journal of Composite Materials. - 1999. - Vol. 33, no. 17. - P. 1620-1642.
- Sierakowski R.L. Strain rate effects in composites // Appl. Mech. Rev. - 1997. - Vol. 50. - P. 741-61.
- Strain rate effects on the mechanical properties of polymer composite materials / G.C. Jacob, J.M. Starbuck, J.F. Fellers, S. Simunovic, R.G. Boeman // J. Appl. Polym. Sci. - 2004. - Vol. 94. - P. 296-301.
- Effects of fiber orientation and wall thickness on energy absorption characteristics of carbon-reinforced composite tubes under different loading conditions / Y. Wang [et al.] // Composite Structures. - 2016. - Vol. 153. - P. 356-368.
- Thornton P.H. The crush behavior of pultruded tubes at high strain rates // Journal of Composite Materials. - 1990. - Vol. 24, no. 6. - P. 594-615.
- Farley G.L. The effects of crushing speed on the energy-absorption capability of composite tubes // Journal of Composite Materials. - 1991. - Vol. 25, no. 10. - P. 1314-1329.
- Experimental study on the axial crushing behaviour of pultruded composite tubes / S. Palanivelu [et al.] // Polymer Testing. - 2010. - Vol. 29, no. 2. - P. 224-234.
- Crush responses of composite cylinder under quasi-static and dynamic loading / L.N.S. Chiu [et al.] // Composite Structures. - 2015. - Vol. 131. - P. 90-98.
- Hull D. A unified approach to progressive crushing of fibre-reinforced composite tubes // Composites Science and Technology. - 1991. - Vol. 40, no. 4. - P. 377-421.
- Failure analysis of laminated composites based on degradation parameters / B.N. Fedulov [et al.] // Meccanica. - 2018. - Vol. 53, no. 1-2. - P. 359-372.
- Fedorenko A.N., Fedulov B.N., Lomakin E.V. Failure analysis of laminated composites with shear nonlinearity and strain-rate response // Procedia Structural Integrity. - 2019. - Vol. 18. - P. 432-442.
- Zinoviev P.A. [et al.] The strength of multilayered composites under a plane-stress state // Composites Science and Technology. - 1998. - Vol. 58, no. 7. - P. 1209-1223.
- Nonlinear shear behavior and failure of composite materials under plane stress conditions / B. Fedulov [et al.] // Acta Mechanica. - 2017. - Vol. 228, no. 6. - P. 2033-2040.
- Lomakin E.V., Fedulov B.N., Fedorenko A.N. Nonlinear effects in the behavior and fracture of composite materials // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. - IOP Publishing, 2019. - Vol. 581, no. 1. - P. 012015.
- Koerber H., Xavier J., Camanho P.P. High strain rate characterisation of unidirectional carbon-epoxy IM7-8552 in transverse compression and in-plane shear using digital image correlation // Mechanics of Materials. - 2010. - Vol. 42, no. 11. - P. 1004-1019.
- Experimental characterization and constitutive modeling of the non-linear stress-strain behavior of unidirectional carbon-epoxy under high strain rate loading / H. Koerber [et al.] // Advanced Modeling and Simulation in Engineering Sciences. - 2018. - Vol. 5, no. 1. - P. 1-24.
- Johnson G.R., Cook W.H. Fracture characteristics of three metals subjected to various strains, strain rates, temperatures and pressures // Engineering Fracture Mechanics. - 1985. - Vol. 21, no. 1. - P. 31-48.
- Lomakin E., Fedulov B., Fedorenko A. Strain rate influence on hardening and damage characteristics of composite materials // Acta Mechanica. - 2020. - P. 1-13.
