Расчетно-экспериментальная оценка прочности сегмента композитного шпангоута с применением метода in-situ рентгеновского контроля
Автор: Потрахов Н.Н., Аношкин А.Н., Зуйко В.Ю., Осокин В.М., Писарев П.В., Пеленев К.А.
Статья в выпуске: 1, 2017 года.
Бесплатный доступ
В настоящей работе на примере конструктивно-подобного элемента типа «сегмент шпангоута», имеющего П-образное сечение и выполненного из углепластика по технологии пропитки под давлением (RTM), с использованием метода микрофокусной рентгенографии проведена качественная и количественная оценка микроповреждений, возникающих в конструкции при проведении механических испытаний. В ходе эксперимента были получены рентгенографические изображения образца при фиксированных уровнях растягивающего усилия. Полученные снимки анализировались на предмет появления расслоений как основного вида повреждений, возникающих в микроструктуре испытываемой детали. Были определены места локализации и ориентировочные значения размеров межслоевых трещин при различных уровнях нагрузки. Отмечено, что после снятия нагрузки межслоевые трещины «смыкаются» и с трудом идентифицируются средствами неразрушающего контроля. Для численного анализа напряженно-деформированного состояния (НДС) рассматриваемой конструкции была разработана трехмерная компьютерная модель с явным описанием её слоистой структуры. Такой подход позволил провести оценку межслоевых отрывных и сдвиговых напряжений, которые определяют разрушение конструкции, зафиксированное в эксперименте. Решение данной задачи осуществлялось методом конечных элементов (МКЭ) в пакете ANSYS Workbench с использованием высокопроизводительного вычислительного комплекса. Сравнение результатов численного моделирования механических испытаний и данных рентгенографического контроля показало хорошее качественное совпадение - области локализации максимальных межслоевых напряжений, определяющих характер разрушения детали, возникают в зонах скругления профиля. Отличие оценок несущей способности, полученных экспериментальными и численными методами, составило порядка 23 %, что может быть скорректировано после проведения натурных испытаний серии подобных образцов и уточнения прочности материала на межслойный отрыв.
Рентгеновский контроль, полимерные композиционные материалы, углепластик, эксперимент, механика композиционных материалов, напряженно-деформированное состояние, метод конечных элементов (мкэ), жесткость, прочность, расслоение, шпангоут
Короткий адрес: https://sciup.org/146211658
IDR: 146211658 | DOI: 10.15593/perm.mech/2017.1.08
Список литературы Расчетно-экспериментальная оценка прочности сегмента композитного шпангоута с применением метода in-situ рентгеновского контроля
- Гагауз Ф.М. Проблемы технологии формирования соединительных узлов конструкций летательных аппаратов из композиционных материалов//Вопросы проектирования и производства конструкций летательных аппаратов: сб. науч. тр. Харьк. авиац. ин-та. -2012. -№ 4 (72). -С. 15-20.
- Иноземцев А.А., Нихамкин М.Ш., Сандрацкий В.Л. Основы конструирования авиационных двигателей и энергетических установок. -М.: Машиностроение, 2008. -Т. 2. -368 с.
- Конструкция и прочность авиационных газотурбинных двигателей/Л.П. Лозицкий . -М.: Воздушный транспорт, 1992. -536 с.
- Технологии и задачи механики композиционных материалов для создания лопатки спрямляющего аппарата авиационного двигателя/А.Н. Аношкин, В.Ю. Зуйко, Г.С. Шипунов, А.А. Третьяков//Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. -2014. -№ 4. -С. 5-44 DOI: 10.15593/perm.mech/2014.4.01
- 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
- 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
- Березин А.В., Козинкина А.И. Особенности диагностики повреждений и оценки прочности композита//Механика композиционных материалов и конструкций. -1999. -№ 1. -С. 99-122.
- In-situ damage monitoring of textile composites using x-ray computed tomography/W.J. Na, H.C. Ahn, K.M. Park, H.M. Kang, W.R. Yu//ECCM15: 15th European conference on composite materials. -Italy, Venice, 2012.
- Swygenhoven H., Petegem S. In-situ mechanical testing during X-ray diffraction//Materials Characterization. -2013. -Vol. 78. -P. 47-59 DOI: 10.1016/j.matchar.2012.12.010
- Nishino T., Hirokane D., Nakamae K. X-ray diffraction studies of the environmental deterioration of a transversely loaded carbon-fibre-reinforced composite//Composites Science and Technology. -2001. -Vol. 61. -No. 16. -P. 2455-2459 DOI: 10.1016/S0266-3538(01)00174-9
- Microfocus radiography studies during model interlaminar fracture tests on composites/T. De Kalbermatten, R. Jäggi, P. FLüeler, H.H. Kausch, P. Davies//Journal of Materials Science Letters. -1992. -Vol. 11. -No. 9. -P. 543-546.
- Withers P.J., Preuss M. Fatigue and Damage in Structural Materials Studied by X-Ray Tomography//Annual Reviews. -2012. -Vol. 42. -P. 81-103 DOI: 10.1146/annurev-matsci-070511-15511
- Клюев В.В. Рентгенотехника: справ. -М.: Машиностроение, 1980. -Кн. 2. -383 с.
- Румянцев С.В. Радиационная дефектоскопия. -М.: Атомиздат, 1974. -500 с.
- Артемьев Б.В., Буклей А.А. Радиационный контроль: учеб. пособие//под общ. ред. В.В. Клюева. -2-е изд. -М.: Спектр. 2013. -192 с.
- In-situ Analysis of Laminated Composite Materials by X-ray Micro-Computed Tomography and Digital Volume Correlation/R. Brault, A. Germaneau, C. Dupré, P. Doumalin, S. Mistou, M. Fazzini//Experimental Mechanics. -2013. -Vol. 53. -No. 7. P. 1143-1151 DOI: 10.1007/s11340-013-9730-9
- Потрахов Н.Н. Метод и особенности формирования теневого рентгеновского изображения микрофокусными источниками излучения//Вестник новых медицинских технологий. -2007. -Т. 14, № 3. -С. 167-169.
- Технология оперативного рентгеновского контроля изделий из полимерных композиционных материалов/Н.Н. Потрахов, К.К. Жамова, В.Б. Бессонов, А.Ю. Грязнов, А.В. Ободовский//Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Аэрокосмическая техника. -2015. -№ 4. -С. 97-115 DOI: 10.15593/2224-9982/2015.43.08
- Блинов Н.Н., Леонов Б.И. Рентгеновские диагностические аппараты. -М.: Экран, 2001. -Т. 1. -С. 220.
- Иванов С.А., Щукин Г.А. Рентгеновские трубки технического назначения. -Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-е., 1989. -С. 200.
- Аношкин А.Н., Ташкинов А.А. Прогнозирование несущей способности композитных фланцев корпусных деталей авиадвигателей/Перм. гос. техн. ун-т. -Пермь, 1998. -С. 101.
- Лукина Н.Ф. Клеевые препреги на основе тканей Porcher -перспективные материалы для деталей и агрегатов из ПКМ //Труды ВИАМ. -2014. -№ 6. -URL:http://viam-works.ru/ru/articles?art_id=677 (дата обращения: 03.11.16) DOI: 10.18577/2307-6046-2014-0-6-10-10
- Компьютерное моделирование механического поведения композитной лопатки спрямляющего аппарата авиационного двигателя/М.А. Гринев, А.Н. Аношкин, П.В. Писарев, В.Ю. Зуйко, Г.С. Шипунов//Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. -2015. -№ 3. -С. 38-51 DOI: 10.15593/perm.mech/2015.3.04
- Исследование НДС и оценка прочности композитной лопатки спрямляющего аппарата авиационного двигателя/М.А. Гринев, А.Н. Аношкин, П.В. Писарев, В.Ю. Зуйко, Г.С. Шипунов//Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. -2015. -№ 4. -С. 293-307 DOI: 10.15593/perm.mech/2015.4.17
- Абовский Н.П., Андреев Н.П., Деруга А.П. Вариационные принципы теории упругости и теории оболочек. -М.: Наука, 1978. -287 с.
- Скудра А.М., Булавс Ф.Я., Роценс К.А. Ползучесть и статическая усталость армированных пластиков. -Рига: Зинатне, 1971. -238 с.
