Остаточная прочность и усталостная долговечность слоистого полимерного композита в условиях сжатия после удара

Остаточная прочность и усталостная долговечность слоистого полимерного композита в условиях сжатия после удара

Автор: Староверов О.А., Струнгарь Е.М., Мугатаров А.И., Дубровская М.А.

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

Статья в выпуске: 5, 2024 года.

Бесплатный доступ

Исследуется влияние предварительных динамических воздействий на изменение остаточных прочностных и усталостных характеристик тканевого композита с использованием современного испытательного и диагностического оборудования. Предложена новая методика испытаний слоистых композитов, заключающаяся в проведении предварительного низкоскоростного удара падающим грузом с последующим циклическим сжатием. Проведены серии испытаний на удар падающим грузом в широком диапазоне энергии с последующим квазистатическим и циклическим сжатием поврежденных слоистых стеклопластиковых пластин. Получены опытные зависимости остаточной статической прочности и усталостной долговечности от энергии предварительного динамического воздействия. Выявлено существование порогового значения энергии предварительного удара падающим грузом, ниже которого предварительное динамическое воздействие не оказывает влияния на остаточные механические характеристики. На основе ранее разработанных моделей и их модификаций проведена аппроксимация экспериментальных данных об остаточных свойствах композита. Отмечена высокая описательная способность предложенных моделей. Кинетика процесса разрушения при квазистатическом сжатии проанализирована на основе данных, полученных с применением бесконтактной оптической видеосистемы VIC-3D и метода корреляции цифровых изображений. Отмечен неоднородный характер распределения полей деформаций на поверхности поврежденных образцов. Данные ультразвукового сканирования позволили провести оценку развития эксплуатационных повреждений, образованных в результате предварительных поперечных низкоскоростных ударов. Установлена связь между энергией динамического воздействия, остаточными механическими характеристиками и характерным размером зоны повреждения. Выявлена нелинейность полученных зависимостей. Сделан вывод о необходимости исследования механического поведения полимерных композитов в условиях комбинированных воздействий для обеспечения надежности и безопасности ответственных конструкций.

Еще

Полимерный композиционный материал, сжатие после удара, ударная чувствительность, ультразвуковой контроль, корреляция цифровых изображений

Короткий адрес: https://sciup.org/146283051

IDR: 146283051   |   DOI: 10.15593/perm.mech/2024.5.09

Список литературы Остаточная прочность и усталостная долговечность слоистого полимерного композита в условиях сжатия после удара

  • Past, present and future prospective of global carbon fibre composite developments and applications / J. Zhang, G. Lin, U. Vaidya, H. Wang // Composites Part B: Engineering. – 2023. – Vol. 250. DOI: 10.1016/j.compositesb.2022.110463
  • Chawla, K.K. Composite materials: science and engineering / K.K. Chawla // Springer Science & Business Media, 2012.
  • Fiber-Reinforced Polymer Composites: Manufacturing, Properties, and Applications / D.K. Rajak, D.D. Pagar, P.L. Menezes, E. Linul // Polymers. – 2019. – Vol. 11. DOI: 10.3390/polym11101667
  • Fiber Reinforced Composites – A Review / S. Prashanth, K.M. Subbaya, K. Nithin, S. Sachhidananda // Journal of Material Science & Engineering. – 2017. – Vol. 6. DOI: 10.4172/2169-0022.1000341
  • Numerical investigation of the low-velocity impact damage resistance and tolerance of composite laminates with preloads / D. Zhang, W. Zhang, J. Zhou, X. Zheng, J. Wang, H. Liu // Aerospace Science and Technology. – 2023. – Vol. 142. – Part A. – 108650. DOI: 10.1016/j.ast.2023.108650
  • Multiscale modeling framework to predict the low-velocity impact and compression after impact behaviors of plain woven CFRP composites / Q. Zhao, W. Wang, Y. Liu, Y. Hou, J. Li, C. Li // Composite Structures. – 2022. – Vol. 299. DOI: 10.1016/j.compstruct.2022.116090
  • Experimental study of the importance of fiber breakage on the strength of thermoplastic matrix composites subjected to compression after impact / F. Naya, J. Pernas-Sánchez, C. Fernández, P. Zumel, M. Droździel-Jurkiewicz, J. Bieniaś // Composite Structures. – 2024. – Vol. 342. DOI: 10.1016/j.compstruct.2024.118238
  • Delamination propagation manipulation of composite laminates under low-velocity impact and residual compressive strength evaluation / C. Zhang, E. He, K. Zhu, Y. Li, L. Yan, X. Zheng // Engineering Fracture Mechanics. – 2024. – Vol. 307. DOI: 10.1016/j.engfracmech.2024.110333
  • Low velocity impact and compression after impact of thin and thick laminated carbon fiber composite panels / A. Seamone, P. Davidson, M. Waas, V. Ranatunga // International Journal of Solids and Structures. – 2024. – Vol. 292. DOI: 10.1016/j.ijsolstr.2024.112745
  • Fedulov, B.N. Residual strength estimation of a laminated composite with barely visible impact damage based on topology optimization / B.N. Fedulov, A.N. Fedorenko // Struct Multidisc Optim. – 2020. – Vol. 62. – P. 815–833. DOI: 10.1007/s00158-020-02538-y
  • Rojek, M. Ultrasonic methods in diagnostics of epoxy– glass composites / M. Rojek, J. Stabik, G. Wróbel // Journal of Materials Processing Technology. – 2005. – Vol. 162–163. – P. 121–126. DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2005.02.069
  • Ультразвуковой контроль образцов в процессе разработки и испытаний новых марок углепластика / А.С. Бойчук [и др.] // Труды ВИАМ. – 2021. – № 12 – С. 86–95. DOI: 10.18577/2307-6046-2021-0-12-86-95
  • Бойчук, А.С. Оценка площади ударных повреждений ПКМ различными методами ультразвукового контроля / А.С. Бойчук, И.А. Диков, А.С. Генералов // Труды ВИАМ. – 2022. – № 7 (113). – С. 11. DOI: 10.18577/2307-6046-2022-0-7-125-133
  • Material characterization of GFRP by ultrasonics / C.A. Prakash, R. Gautam, H.N. Ahamed, S. Pranav // Materials Today: Proceedings. – 2022. – Vol. 62, no. 2. – P. 908–914. DOI: 10.1016/j.matpr.2022.04.067
  • Дубровская, М.А. Оценка поврежденности конструкционных материалов на основе данных ультразвукового контроля / М.А. Дубровская // Сборник тезисов работ международной молодежной научной конференции L Гагаринские чтения. – М., 2024. – С. 588–589.
  • Lin, S. Experimental study on the panel size effects of the Low-Velocity Impact (LVI) and Compression After Impact (CAI) of laminated composites, Part I: LVI / S. Lin, V. Ranatunga, A.M. Waas // Composite Structures. – 2022. – Vol. 296. DOI: 10.1016/j.compstruct.2022.115822
  • Закономерности усталостного разрушения типового композитного фланца / Д.Г. Соломонов, Н.А. Саженков, И.П. Конев, А.В. Торопицина, М.Ш. Нихамкин // ВестникПермскогонациональногоисследовательскогополитехнического-университета. Механика. – 2023. – № 3. – С. 137–145. DOI: 10.15593/perm.mech/2023.3.12
  • Характеристики прочности и пластичности ряда металлических сплавов и нержавеющих сталей, созданных проволочно-дуговой наплавкой, в широком диапазоне скоростей деформаций / Ю.В. Баяндин, Д.С. Дудин, А.В. Ильиных, Г.Л. Пермяков, В.В. Чудинов, И.Э. Келлер, Д.Н. Трушников // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. – 2023. – № 1. – С. 33–45. DOI: 10.15593/perm.mech/2023.1.04
  • Анисимов, Г.С. Экспериментальное определение полей у вершины трещины: метод голографической интерферометрии и метод корреляции цифровых изображений / Г.С. Анисимов, Л.В. Степанова // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. – 2024. – № 3. – С. 39–56. DOI: 10.15593/perm.mech/2024.3.03
  • Паньков, А.А. Встраиваемый оптоволоконный механофотолюминесцентный датчик сложного деформированного состояния для мониторинга вибраций полимерных композитных конструкций / А.А. Паньков // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. – 2023. – № 4. – С. 87–100. DOI: 10.15593/perm.mech/2023.4.09
  • Паньков, А.А. Влияние формы пор и начального напряженного состояния на электроупругие свойства пористой пьезокерамики PZT-4 / А.А. Паньков // Изв. РАН. МТТ. – 2024. – № 1. – С. 248–267. DOI: 10.31857/S1026351924010149
  • Струнгарь, Е.М. Развитие метода корреляции цифровых изображений (КЦИ) применительно к механическим испытаниям при повышенных температурах / Е.М. Струнгарь, Д.С. Лобанов // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. – 2022. – № 3. – С. 147–159. DOI: 10.15593/perm.mech/2022.3.15
  • Linke, M. Design and validation of a modified compression- after-impact testing device for thin-walled composite plates / M. Linke, F. Flügge, A.J. Olivares-Ferrer // Journal of Composites Science. – 2020. – Vol. 4. – P. 126. DOI: 10.3390/jcs4030126
  • Evaluation of impact properties and residual strength of quasiisotropic carbon-fiber reinforced laminates using digital image correlation / A. Eremin, M. Burkov, P. Luybutin, A. Bogdanov // Procedia Structural Integrity. – 2023. – Vol. 50. – P. 73–82.
  • Bogenfeld, R. An experimental damage tolerance investigation of CFRP composites on a substructural level / R. Bogenfeld, C. Gorsky, T. Wille // Composites Part C: Open Access. – 2022. – Vol. 8. DOI: 10.1016/j.jcomc.2022.100267
  • Hamdi, K. Digital image correlation, acoustic emission and in-situ microscopy in order to understand composite compression damage behavior / K. Hamdi, G. Moreau, Z. Aboura // Composite Structures. – 2021. – Vol. 258.
  • Experimental and numerical study of impact resistance and compression properties after impact of none-felt needled composites / T. Yao, J. Li, X. Chen, D. Li, L. Jiang // Thin-Walled Structures – 2024. – Vol. 199.
  • Лобанов, Д.С. Оценка влияния термовлажностного старения в агрессивных средах на изменение механического поведения стеклопластика при изгибе короткой балки стеклопластика на основе регистрации сигналов акустической эмиссии / Д.С. Лобанов, Е.М. Лунегова // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. – 2022. – № 4. – С. 42–53. DOI: 10.15593/perm.mech/2022.4.05
  • Определение параметров допустимых дефектов конструкционного стеклопластика на основе теории критических расстояний / М.Н. Муллахметов, Д.С. Лобанов, В.А. Мельникова, А.С. Янкин // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. – 2023. – № 4. – С. 77–86. DOI: 10.15593/perm.mech/2023.4.08
  • Староверов, О.А. Оценка степени поврежденности углепластиковых композиционных материалов при ударном воздействии / О.А. Староверов, А.В. Бабушкин, С.М. Горбунов // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. – 2019. – № 1. – С. 161–172. DOI: 10.15593/perm.mech/2019.1.14
  • ГОСТ Р 55724–2013. Контроль неразрушающий. Соединения сварные Методы ультразвуковые. Утвержден и введен в действие Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 8 ноября 2013 г. N 1410-ст. – М., 2013.
  • Description of fatigue sensitivity curves and transition to critical states of polymer composites by cumulative distribution functions / V.E Wil'deman, O.A. Staroverov, A.S. Yankin, A.I. Mugatarov // Frattura ed Integrità Strutturale. – 2023. – Vol. 17, no. 63. – P. 91–99. DOI: 10.3221/IGF-ESIS.63.09
  • Усталостная чувствительность стеклопластиков в условиях пропорционального циклического растяжения с кручением / В.Э. Вильдеман, О.А. Староверов, А.И. Мугатаров, А.М. Кучуков // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. – 2023. – № 6. – С. 29–40. DOI: 10.15593/perm.mech/2023.6.03
  • Fatigue behavior of pultruded fiberglass tubes under tension, compression and torsion / O. Staroverov, A. Mugatarov, A. Sivtseva, E. Strungar, V. Wildemann // Frattura Ed Integrità Strutturale. – 2024. – Vol. 18, no. 69. DOI: 10.3221/IGF-ESIS.69.09
  • Influence of proportional multiaxial fatigue loading on the residual mechanical properties of glass-reinforced plastic pipes / O. Staroverov, A. Mugatarov, A. Kuchukov, E. Strungar, E. Chebotareva, A. Sivtseva, V. Wildemann // Engineering Failure Analysis. – 2024. – Vol. 163, Part B. DOI: 10.1016/j.engfailanal.2024.108586
  • Sevenois, R.D.B. Fatigue Damage Modeling Techniques for Textile Composites: Review and Comparison With Unidirectional Composite Modeling Techniques / R.D.B. Sevenois, W. Van Paepegem // ASME. Appl. Mech. Rev. – 2015. – Vol. 67(2). DOI: 10.1115/1.4029691
  • Strizhius, V. Predicting the degradation of the residual strength in cyclic loading of layered composites / V. Strizhius // Mechanics of Composite Materials. – 2022. – Vol. 58, no. 4. DOI 10.1007/s11029-022-10047-w
Еще
Статья научная
QR-код для установки приложения SciUp Наведите камеру и скачайте бесплатное приложение SciUp