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 | УДК: 629.7.036.34 | DOI: 10.15593/perm.mech/2017.1.08
Numerical and experimental study of composite bulkhead partition strength with in-situ x-ray monitoring
The current work presents a qualitative and quantitative assessment of microdamage occurring in the structure as a result of different loading tests by the example of the "U"-shaped bulkhead segment made of carbon fiber reinforced plastic (CFRP) using microfocus X-radiography. The resin transfer molding (RTM) technology was used to manufacture this structure. X-ray images with the fixed tensile force were made during the sample tests. These images were analyzed in order to reveal a delamination as the basic damage type occurring in the tested part. The areas of interlayer cracks localization and their estimated sizes were identified at the various load levels. It was noted that the cracks were completely closed after unloading; and it was difficult to identify them by any non-destructive testing methods. The three-dimensional computer model was created to carry out the stress-strain analysis of the sample. A detailed ply-by-ply analysis allowed us to estimate the interlaminar normal and shear stresses which determine the structural failure. The numerical simulation of this problem was carried out using the finite element method (FEM) with ANSYS Workbench software. Due to a high dimensionality of the FE model, the high-performance computing complex was used. The numerical simulations results with regard to the mechanical tests of the bulkhead segment were compared with the X-ray radiography results, and a good qualitative correlation was found. Thus, it was shown that the areas of maximal interlaminar stresses are localized in the part’s bending areas. The difference between the experimental and numerical values of the bearing strength was about 23% but it could be corrected after testing a series of similar samples and refining the material interlaminar gap strength.
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.
