Прогнозирование усталостного ресурса полимерных композиционных материалов
Журнал: Сибирский аэрокосмический журнал @vestnik-sibsau
Рубрика: Авиационная и ракетно-космическая техника
Статья в выпуске: 3 т.27, 2026 года.
Бесплатный доступ
Конструкции стратосферных беспилотных летательных аппаратов и высотных псевдоспутников, особенно крупногабаритных композитных крыльев, испытывают значительные циклические механические нагрузки во время длительных полетов. Эти нагрузки в сочетании с жесткими ограничениями по массе и размерам, которые не позволяют использовать высокие запасы прочности, создают острую необходимость в надежной оценке усталостного ресурса полимерных композиционных материалов (ПКМ). В данной статье представлены полученные данные ускоренных испытаний образцов ПКМ на усталость и методика, основанная на методе ступенчатого нагружения Locati. Провели циклические испытания однонаправленных образцов, армированных углеродным волокном, с конфигурациями укладки [0]n и [90]n при частоте 1 Гц. Для каждого образца применяли последовательные блоки нагружения по 104 циклов, начиная с низкого уровня напряжения и постепенно увеличивая его вплоть до разрушения. В качестве критерия технического отказа использовали снижение модуля упругости на 10 % для образов со схемой укладки [0]n и разрушение – для образов со схемой укладки [90]n. Построили кривые усталости, используя степенную модель, и рассчитали предел прочности, используя правило линейного накопления повреждений Пальмгрена – Майнера. Кривые демонстрируют монотонное снижение уровня напряжений с увеличением требуемого ресурса, что характерно для усталостного поведения композиционных материалов. Представленные результаты позволяют производить инженерную оценку долговечности для заданной вероятности отказа, что особенно важно для проектирования ответственных конструкций, работающих в условиях циклического нагружения, когда необходим учёт статистической вариативности свойств композиционного материала.
Короткий адрес: https://sciup.org/148334408
IDS: 148334408 | УДК: 678 | DOI: 10.31772/2712-8970-2026-27-3-499-510
Fatigue life prediction of polymer composite materials
The structures of stratospheric unmanned aerial vehicles and high-altitude pseudo-satellites, especially large-sized composite wings, experience significant cyclic mechanical loads during long-term flights. These loads, combined with strict weight and size restrictions that do not allow the use of high safety margins, create an urgent need for a reliable assessment of the fatigue life of polymer composite materials (PCM). This article presents the methodology and data obtained from accelerated fatigue testing of PCM samples based on the Locati step loading method. Cyclic tests of unidirectional carbon fiber reinforced samples with laying configurations [0] n and [90]n at a frequency of 1 Hz were performed. Successive loading blocks of 104 cycles were used for each sample, starting with a low stress level and gradually increasing it until destruction. A decrease in the modulus of elasticity by 10 % for images with a stacking scheme [0] n and the destruction of images for images with a stacking scheme [90]n were used as a criterion for technical failure. Fatigue curves were constructed using a power-law model, and the ultimate strength was calculated using the Palmgren – Miner linear damage accumulation rule, and a calculated dependence was derived to estimate the ultimate strength based on accelerated test data. The curves demonstrate a monotonous decrease in stress levels with an increase in the required resource, which is typical for the fatigue behavior of composite materials. The presented results make it possible to perform an engineering assessment of durability for a given probability of failure. It is important for the design of critical structures operating under cyclic loading conditions, when it is necessary to take into account the statistical variability of the properties of the composite material.
