Сопоставление результатов экспериментального и расчетного определения эффективных характеристики упругих свойств полимерных слоистых композитов из угле- и стеклотканей
Автор: Муйземнек А.Ю., Иванова Т.Н., Карташова Е.Д.
Статья в выпуске: 2, 2021 года.
Бесплатный доступ
Отличительными чертами полимерных слоистых композиционных материалов является анизотропия механических свойств всего материала и каждого его слоя и то, что процессы производства композиционного материала и детали из него часто совмещены по времени. При этом упругие свойства и прочность материала различны не только по толщине детали, но и в каждой ее точке. Все это приводит к усложнению процесса проектирования, которое обусловлено необходимостью определения упругих свойств и прочности полимерного слоистого композиционного материала с учетом структуры всего материала и каждого его слоя. Целью работы является оценка существующих методов вычисления эффективных характеристик упругих свойств путем сравнения результатов расчета, полученных различными методами, между собой, а также с результатами экспериментального определения упругих свойств полимерных слоистых композиционных материалов из угле- и стеклотканей. Оценка методов вычисления эффективных характеристик упругих свойств композитов выполнена на основе результатов экспериментального определения характеристик упругих свойств полимерных слоистых композиционных материалов из угле- и стеклотканей, различающихся плотностью и типом плетения. Экспериментальные значения эффективных характеристик упругих свойств были определены в результате стандартных испытаний лабораторных образцов на растяжение. В результате исследования установлено, что все рассматриваемые модели и методы дают согласованные результаты при вычислении продольного модуля упругости E 11, результаты вычисления модуля поперечной упругости E 33 и модулей сдвига G 12 и G 23 менее согласованы для всех рассматриваемых материалов. Сопоставление результатов экспериментальных исследований и расчета показало, что модель Чамиса и мостовая модель позволяют лучше других моделей предсказать значения продольного модуля упругости.
Полимерные слоистые композиционные материалы, эффективные характеристики упругих свойств, модели и методы экспериментальных исследований и расчета
Короткий адрес: https://sciup.org/146282057
IDR: 146282057 | УДК: 539.2 | DOI: 10.15593/perm.mech/2021.2.09
A comparison of experimental and computation results of finding effective characteristics of elastic properties of polymer layered composites from carbon and glass fabrics
Anisotropy of mechanical properties of the entire material and each of its layers is characteristic for polymer layered composite materials, as well as the fact that production processes of the composite material and parts from it are often combined in time. In this case, the elastic properties and strength of the material will be different not only in the thickness of the part, but also at each point. All this leads to a complication of the design process, which is due to the need to determine the elastic properties and strength of the polymer layered composite materials, taking into account the structure of the entire material and each of its layers. This work aims at evaluating the existing computational methods of finding effective characteristics of elastic properties by comparing computation results obtained by various methods with each other, as well as with the experimental results related to elastic properties of polymer layered composite materials from carbon and glass fabrics. We estimated the computational methods of finding effective characteristics of the elastic properties of composites based on the experimental results of finding the characteristics of the elastic properties of polymer layered composite materials made of carbon and glass fabrics, differing in density and type of weaving. The experimental values of the effective characteristics of elastic properties were determined as a result of standard tensile tests of laboratory specimens. As a result of the study, it was found that all the considered models and methods give consistent results when calculating the longitudinal modulus of elasticity E 11, the results of calculating shear modulus E 33 and shear moduli G 12 and G 23 are less consistent for all the considered materials. The comparison of the results of the experimental studies and computations showed that the Chamis model and the bridge model are better than other models to predict the values of the longitudinal elastic modulus.
Список литературы Сопоставление результатов экспериментального и расчетного определения эффективных характеристики упругих свойств полимерных слоистых композитов из угле- и стеклотканей
- Voigt W. Uber die Beziehung zwischen den beiden Elas-tizitats konstanten Isotroper Korper // Wied. Ann. - 1889. - Vol. 38. - P. 573-587.
- Reuss A. Berechnung der Fliessgrense von Mischkristallen auf Grund der Plastizitätsbedingung für Einkristalle // Zeitschrift Angewandte Mathematik und Mechanik. - 1929. - No. 9. - P. 49-58.
- Hashin Z., Shtrikman S. A variational approach to the elastic behavior of multiphase minerals // Journal of the Mechanics and Physics of Solids. - 1963. - Vol. 11, no. 2. - P. 127-140.
- Победря Б.Е. Механика композиционных материалов. -М.: Изд-во Моск. ун-та. 1984. - 336 с.
- Comparative Review Study on Elastic Properties Modeling for Unidirectional Composite Materials / R. Younes, A. Hallal, F. Fardoun, F.H. Chehade // Composite Materials Book 1 Chapter August. - 2012. DOI: 10.5772/50362 http://dx.doi.org/10.5772/50362
- Halpin J.C., Kardos J.L. The Halpin-Tsai equations: A review // Polymer Engineering and Science. - 1976. - Vol. 16, no. 5.
- Chamis C.C. Mechanics of composite materials: past, present, and future // Journal of Composites Technology and Research. - 1989. - No. 11. - P. 3-14.
- Hashin Z., Rosen B.W. The elastic moduli of fiber reinforced materials // Journal of Applied Mechanics, Trans ASME. -1964. - No. 31. - P. 223-232.
- Christensen R.M. A critical evaluation for a class of mi-cromechanics models // Journal of Mechanics and Physics of Solids. - 1990. - Vol. 38, no. 3. - P. 379-404.
- Mori T., Tanaka K. Average stress in matrix and average elastic energy of materials with misfitting inclusions // Acta Mettall. - 1973. - No. 21. - P. 571-574.
- Doghri I. Mechanics of deformable solids. Linear, nonlinear, analytical and computational aspects. - Springer, Berlin, 2000.
- Eshelby J.D. The determination of the elastic field of an ellipsoidal inclusion and related problems // Proc. Roy. Soc. London, Ser. A. - 1957. - Vol. 241. - P. 376-396.
- Nemat-Nasser S. and Hori M. Micromechanics: overall properties of heterogeneous solids. - Elsevier Science, 1993.
- Huang Z.M. Simulation of the mechanical properties fibrous composites by the bridging micromechanics model // Composites Part A. - 2001. - Vol. 32. - P. 143-172.
- Huang Z.M. Micromechanical prediction of ultimate strength of transversely isotropic fibrous composites // International Journal of Solids and Structures. - 2001. - Vol. 38. - P. 4147-4172.
- Бахвалов Н.С., Панасенко Г.П. Осреднение процессов в периодических средах // Математические задачи механики композиционных материалов. - М.: Наука, 1984. - 352 с.
- Nou N., Efendiev Y. Multiscale Finite Element Methods: Theory and Applications. B. Springer, 2009. 241 p.
- Shurina E.P., Kutischeva A.Y. Numerical Determination of the Effective Elasticity Tensor of an Heterogeneous Solid // 14th International Scientific - Technical Conference on Actual Problems of Electronic Instrument Engineering (APEIE-2018) -44894: Proceedings. - Novosibirsk, 2018. - Vol. 1, part 4. -P. 294-297.
- Finite element modeling of a multi-physics poro-elastic problem in multiscale media / M.I. Epov, E.P. Shurina, N.B. Itkina, A.U. Kutischeva, S.I. Markov // Journal of Computational and Applied Mathematics. - 2019. - Vol. 352. - P. 1-22.
- Шурина Э.П., Кутищева А.Ю. Вычисление эффективного тензора упругости гетерогенных сред с включениями // Высокопроизводительные вычислительные системы и технологии. - 2018. - Т. 1, № 8. - С. 59-63.
- Abdulle A. The Finite Element Heterogeneous Multiscale Method: a computational strategy for multiscale PDEs // Multiple scales problems in Biomathematics, Mechanics, Physics and Numerics. - 2009. - Vol. 31.
- Baydoun M., Fries T.P. Crack propagation criteria in three dimensions using the XFEM and an explicit-implicit crack description // International Journal of Fracture. - 2012. - Vol. 178, no. 1-2. - P. 51-70.
- Белов Д.А., Боровков А.И., Пальмов В.А. Новый метод восстановления микронапряжений в гомогенизированных композитах // Научно-технические ведомости. СПбГПУ. -2008. - № 6. - C. 50-57.
- Соловьев А.Н., Зиборов Е.Н., Шевцов С.Н. Определение упругих свойств армированных композиционных материалов на основе конечно-элементного моделирования // Наука Юга России (Вестник Южного научного центра). - 2016. - Т. 12, № 2. - C. 3-10.
- Kasiviswanathan V., Arockiarajan A. Analytical, numerical and experimental studies on effective properties of layered (2-2) multiferroiccomposites // Sensors and Actuators. - 2015. -Vol. 236. - P. 380-393.
- Vilchevskaya E., Sevostianov I. Effective elastic properties of a particulate composite with transverselyisotropic matrix // International Journal of Engineering Science. - 2015. - Vol. 94. -P. 139-149.
- Экспериментально-теоретическое исследование механического поведения 3D композитов при квазистационарном разрушении / М.В. Цепенников, А.А. Стром, И.А. Повышев, О.Ю. Сметанников // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. -2016. - № 2. - С. 143-158. DOI: 10.15593/perm.mech/2016.2.10
- Lomov S.V., Ivanov D.S., Verpoest I. Meso-FE modelling of 3-axial braided composites // Proceedings of 8th international conference on textile composites. - Nottingham, 2006, October. -P. 16-18.
- Цепенников М.В., Повышев И.А., Сметанников О.Ю. Численная модель разрушения конструкций из тканых композиционных материалов // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Прикладная математика и механика. - 2012. - № 10. - С. 225.
- Comparative Review Study on Elastic Properties Modeling for Unidirectional Composite Materials / R. Younes, A. Hallal, F. Fardoun, F.H. Chehade // Composites and Their Properties, Chapter 17. - 2012.
- Kouznetsova V., Geers M.G.D., Brekelmans W.A.M. Multi-scale constitutive modelling of heterogeneous materials with a gradient-enhanced computational homogenization scheme // International journal for numerical methods in engineering. -2002. - Vol. 54. - P. 1235-1260. DOI: 10.1002/nme.541
- Композиционные материалы: справочник / В.В. Васильев, В.Д. Протасов, В.В. Болотин и др.; под общ. ред. В.В. Васильева, Ю.М. Тарнопольского. - М.: Машиностроение, 1990. - 512 с.
- Муйземнек A^., Савицкий В.Я., Нестеров CA. Особенности подготовки исходных данных для построения микромеханических моделей слоистых пластиков // Модели, системы, сети в экономике, технике, природе и обществе. - Пенза: ИИЦ ПГУ. - 2015. - № 1. - С. 152-162.
- Муйземнек A^. Савицкий В.Я. Технологическое обеспечение изготовления изделий из слоистых пластиков, армированных волокнами из стекла и углерода // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - Пенза: ИИЦ ПГУ. - 2015. - № 2. - С. 171-181.
- Богомолов A.H, Муйземнек A^., Карташова Е.Д. Модели сопротивления деформированию и разрушению дискретно-тканевых преград при ударном нагружении // Известия вузов. Поволжский регион. Технические науки. - 2018. -№ 2. - С. 154-167.
- Компьютерное моделирование сопротивления деформированию и разрушения дискретно-тканевых оболочек бро-нешлема при высокоскоростном ударе / И.Е. Жуков, A^. Ми-ляев, A^. Муйземнек, A.A. Котосов // Aктуальные проблемы защиты и безопасности: c6. тр. XX Всерос. науч.-практ. конф., 3-6 апреля 2017 года. - 2017, Т. 2. - С. 143-148.
- ГОСТ 25.601-80. Расчеты и испытания на прочность. Методы механических испытаний композиционных материалов с полимерной матрицей (композитов). Метод испытаний плоских образцов на растяжение при нормальной и повышенной температурах.
- Huang Z.M. Micromechanical prediction of ultimate strength of transversely isotropic fibrous composites // International Journal of Solids and Structures. - 2001. - Vol. 38. - P. 4147-4172.
- Shan H.Z., Chou T.W. Transverse elastic moduli of unidirectional fiber composites with fiber/matrix interfacial debonding // Composites Science and Technology. - 1995. - Vol. 53. - P. 383-391.
- Карташова Е.Д., Муйземнек A^. Технологические дефекты полимерных слоистых композиционных материалов // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2017. - № 2. - С. 79-89.
- Карташова Е.Д., Муйземнек A^. Влияние технологических отклонений расположения армирующего в полимерном слоистом композиционном материале на сопротивление деформированию и разрушению // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2017. -№ 3 (43). - С. 134-145.
- Компьютерное моделирование драпировки ткани в процессе производства слоистых композитов / Е.Д. Карташова, A.A. Косова, A.A. Желудкова, A^. Муйземнек // Информационные технологии в науке и образовании. Проблемы и перспективы. (МСНПК-2017). - 2017. - С. 325-327.
