Определение параметров допустимых дефектов конструкционного стеклопластика на основе теории критических расстояний

Определение параметров допустимых дефектов конструкционного стеклопластика на основе теории критических расстояний

Автор: Муллахметов М.Н., Лобанов Д.С., Мельникова В.А., Янкин А.С.

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

Статья в выпуске: 4, 2023 года.

Бесплатный доступ

В процессе производства изделий из композитных материалов может возникнуть множество дефектов: трещины, сколы, царапины, вмятины, дефекты ударного характера, воздушные макровключения и другие. Такие дефекты могут существенно снизить как статическое, так и усталостное сопротивление конструкций. Целью данной работы является определение размеров дефектов, не влияющих на прочностные характеристики изделий из композитного материала СТЭФ, с использованием точечного и линейного подходов теории критических расстояний. В ходе работы были проведены серии испытаний на растяжение плоских образцов из конструкционного стеклотекстолита электротехнического назначения СТЭФ. Помимо проведенного эксперимента было осуществлено также численное моделирование процессов растяжения данных образцов. Исследуемые образцы представляли собой полоски без концентраторов напряжений и с концентратором в виде V-образных вырезов с различным радиусом скругления в вершине концентратора и глубиной выреза. Полученные результаты использовались для определения констант материала по теории критических расстояний. При этом были использованы два подхода теории критических расстояний: линейный и точечный. Для анализа результатов экспериментов были построены конечно-элементные модели с использованием программного пакета ANSYS и проведено численное моделирование, результатом которого стали полученные линеаризированые максимальные главные напряжения на центральной линии, проходящей через вершину концентратора напряжений. По результатам работы определены значения критических расстояний композита, полученные с использованием точечного и линейного методов. На основе полученных данных установлены размеры допустимых дефектов исследуемого стеклопластика, которые не оказывают влияние на прочностные характеристики материала. Полученные результаты могут быть использованы для прогнозирования прочностных характеристик реальных изделий со сложной геометрией, а также для диагностики повреждённых элементов конструкций.

Еще

Численное моделирование, теория критических расстояний, композиционные материалы, растяжение

Короткий адрес: https://sciup.org/146282740

IDR: 146282740   |   DOI: 10.15593/perm.mech/2023.4.08

Список литературы Определение параметров допустимых дефектов конструкционного стеклопластика на основе теории критических расстояний

  • Tashkinov M.A. Modelling of fracture processes in laminate composite plates with embedded delamination // Frattura ed Integrità Strutturale. – 2017. – Vol. 39. – P. 248–262; DOI: 10.3221/IGF-ESIS.39.23
  • Repair of damage in aircraft composite sound-absorbing panels / A.N. Anoshkin, V.Yu. Zuiko, M.A. Tashkinov, V.V. Silberschmidt // Composite Structures. – 2015. – Vol. 120. – P. 153–166. DOI: 10.1016/j.compstruct.2014.10.001
  • Cantwell W.J., Morton J. The significance of damage and defects and their detection in composite materials: a review // The Journal of Strain Analysis for Engineering Design. – 1992. – Vol. 27(1). – P. 29–42.
  • Armstrong K.B., Cole W., Bevan G. Care and repair of advanced composites. – London: SAE International, 2005.
  • Evaluation of Repair Efficiency in Structures Made of Fibrous Polymer Composite Materials / A.N. Anoshkin [et al.] // Mechanics of Composite Materials. – 2014. – Vol. 50, № 3. – P. 311–316.
  • Strungar E., Lobanov D., Wildemann V. Evaluation of the Sensitivity of Various Reinforcement Patterns for Structural Carbon Fibers to Open Holes during Tensile Tests // Polymers. – 2021. – Vol. 13, № 24. – P. 4287.
  • Neuber H. Theory of notch stresses: principles for exact calculation of strength with reference to structural form and material. 2nd ed. – Berlin: Springer Verlag, 1958.
  • Peterson R.E. Notch sensitivity / Sines G., Waisman J.L., editors // Metal fatigue. – New York: McGraw Hill, 1959. – P. 293–306.
  • Tanaka K. Engineering formulae for fatigue strength reduction due to cracklike notches // Int. J. Fract., 1983. – Vol. 22. – P. 39–45. DOI: 10.1007/BF00942722
  • Lazzarin P., Tovo R., Meneghetti G. Fatigue crack initiation and propagation phases near notches in metals with low notch sensitivity // Int J Fatigue. – 1997. – Vol. 19. – P. 647–57. DOI: 10.1016/S0142-1123(97)00091-1
  • Taylor D. The theory of critical distances: a new perspective in fracture mechanics. – Oxford, UK: Elsevier, 2007. DOI: 10.1016/B978-0-08-044478-9.X5000-5
  • A comparison of the two approaches of the theory of critical distances based on linear-elastic and elasto-plastic analyses IOP Conf. / A.I. Terekhina [et al.] // Ser.: Mater. Sci. Eng. – 2017. – Vol. 208. – P. 012042. DOI: 10.1088/1757-899X/208/1/012042
  • Susmel L., Taylor D. The Theory of Critical Distances to estimate the static strength of notched samples of Al6082 loaded in combined tension and torsion. Part I: Material cracking behavior // Engineering Fracture Mechanics. – 2010. – Vol. 77. – P. 452–469.
  • Susmel L., Taylor D. The Theory of Critical Distances to estimate the static strength of notched samples of Al6082 loaded in combined tension and torsion. Part II: Multiaxial static assessment. Engineering Fracture Mechanics. – 2010. – Vol. 77. – P. 470–478.
  • On the use of the critical distance concept to estimate tensile strength of notched components under dynamic loading and physical explanation theory / A. Vedernikova, A. Kostina, O. Plekhov, A.M. Bragov // Theoretical and Applied Fracture Mechanics. – 2019. – Vol. 103. – P. 102280. DOI: 10.1016/j.tafmec.2019.102280
  • Taylor D. “On the application of the Theory of Critical Distances for prediction of fracture in fibre composites” // Frattura ed Integrità Strutturale. – 2009. – Vol. 4(11). – P. 3–9. DOI: 10.3221/IGF-ESIS.11.01
  • Alanazi N., Susmel L. The Theory of Critical Distances to Predict Static and Dynamic Strength of Notched Plain Concrete under Mixed-Mode I/II Loading // Procedia Structural Integrity. – 2020. – Vol. 28. – P. 886–895.
  • Benedetti M., Santus C. Notch fatigue and crack growth resistance of Ti-6Al-4V ELI additively manufactured via selective laser melting: A critical distance approach to defect sensitivity // Int J Fatigue. – 2019. – Vol. 121. – P. 281–292. DOI: 10.1016/j.ijfatigue.2018.12.020
  • Theory of critical distance combined with the generalized strain energy density criterion for mixed mode fracture assessment of PMMA dental materials / Bahador Bahrami, Majid R. Ayatollahi, Saeid Ghoulia // Procedia Structural Integrity. – 2020. – Vol. 28. – P. 829–835. DOI: 10.1016/j.prostr.2020.10.097
  • Nicholas R. Gates, Ali Fatemi Multiaxial variable amplitude fatigue life analysis using the critical plane approach, Part II: Notched specimen experiments and life estimations // Int J Fatigue. – 2018. – Vol. 106. – P. 56–69. DOI: 10.1016/j.ijfatigue.2017.09.009
  • Lanning D., Nicholas T., Haritos G. On the use of critical distance theories for the prediction of the high cycle fatigue limit stress in notched Ti-6Al-4V // Int J Fatigue. – 2005. – Vol. 27. – P. 45–57. DOI: 10.1016/j.ijfatigue.2004.06.002
  • Lanning D., Nicholas T., Palazotto A. HCF notch predictions based on weakest-link failure models // Int J Fatigue. – 2003. – Vol. 25. – P. 835–841. DOI: 10.1016/S0142-1123(03)00156-7
  • Fatigue life prediction of small notched Ti-6Al-4V specimens using critical distance / Y. Yamashita, Y. Ueda, H. Kuroki, M. Shinozaki // Engineering Fracture Mechanics. – 2010. – Vol. 77(9). – P. 1439–1453. DOI: 10.1016/j.engfracmech.2010.04.001
  • Wang J., Yang X. HCF strength estimation of notched Ti-6Al-4V specimens considering the critical distance size effect // Int J Fatigue. – 2012. – Vol. 40. – P. 97–104. DOI: 10.1016/j.ijfatigue.2011.12.019
  • Susmel L., Taylor D. A novel formulation of the theory of critical distances to estimate lifetime of notched components in the medium-cycle fatigue regime // Fatigue Fract Engng Mater Struct. – 2007. – Vol. 30(7). – P. 567–581. DOI: 10.1111/j.1460-2695.2007.01122.x
  • Taylor D. Applications of the Theory of Critical Distances in Failure Analysis. Engineering Failure Analysis. – 2010. DOI: 10.1016/j.engfailanal.2010.07.002
  • Recent advances on notch effects in metal fatigue: A review / Ding Liao, Shun Peng, Zhu José A.F.O. Correia, Abílio M.P. De Jesus, Filippo Berto // Fatigue Fract Engng Mater Struct. – 2020. – Vol. 43(4). – P. 637–659. DOI: 10.1111/ffe.13195
  • Lobanov D.S., Yankin A.S., Berdnikova N.I. Statistical evaluation of the effect of hygrothermal aging on the interlaminar shear of GFRP // Frattura ed Integrità Strutturale. – 2022. – Vol. 60. – P. 146–157. DOI: 10.3221/IGF-ESIS.60.11
  • Strungar E.M., Lobanov D.S. Mathematical data processing according to digital image correlation method for polymer composites // Frattura ed Integrità Strutturale. – 2020. – Vol. 54. – P. 56–65. DOI: 10.3221/IGF-ESIS.54.04
  • Application of the Theory of Critical Distances to predict the effect of induced and process inherent defects for SLM Ti-6Al-4V in high cycle fatigue / B. Gillham, A. Yankin, F. McNamara, C. Tomonto, D. Taylor, R. Lupoi // CIRP Annals. – 2021. – Vol. 70, iss. 1. – P. 171–174. DOI: 10.1016/j.cirp.2021.03.004
  • The Analysis of Small-Scale Notches on the Fatigue Performance of SLM Ti-6Al-4V; A Theory of Critical Distances Approach / B. Gillham, A. Yankin, H. Shipley, F. McNamara, C. Tomonto, G. O’Donnell, D. Trimble, S. Yin, D. Taylor, R. Lupoi // Key Engineering Materials. – 2022. – Vol. 926. – P. 250–267. DOI: 10.4028/p-h0iapl
Еще
Статья научная
QR-код для установки приложения SciUp Наведите камеру и скачайте бесплатное приложение SciUp