Структурный критерий прочности пространственно армированных углерод-углеродных композиционных материалов

Структурный критерий прочности пространственно армированных углерод-углеродных композиционных материалов

Автор: Магнитский И.В.

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

Статья в выпуске: 3, 2020 года.

Бесплатный доступ

В работе сформулирован структурный критерий прочности углерод-углеродных материалов со схемой армирования 4ДЛ. В этой схеме волокнистый наполнитель состоит из четырех семейств элементов, три из которых располагаются в параллельных плоскостях под углами 120° друг к другу, а четвертое - перпендикулярно им. Рассматривалось первое разрушение материала, соответствующее его пределу пропорциональности, т.е. моменту, когда один из компонентов композита начинает отклоняться от линейно-упругого поведения. Композиционный материал считался структурно-неоднородным, состоящим из матрицы и армирующих элементов - стержней. Стержни, в свою очередь, представляли собой однонаправленный композит. Для исследования напряженно-деформированного состояния отдельных компонентов материала была построена его трехуровневая упругая модель, использующая на микроуровне аналитический подход, а на высоких уровнях - метод конечных элементов. Для проведения численных расчетов была выделена структурная ячейка материала. Граничные условия обеспечивали пренебрежимо малое влияние краевых эффектов, что имитировало поведение массива материала. Для компонентов материала были введены локальные критерии прочности, причем поля критериальных величин осреднялись по объему структурной ячейки. Получена поверхность прочности материала, соответствующая его первому разрушению, сделан вывод об удовлетворительном соответствии разработанного критерия имеющимся данным о характеристиках типичного углерод-углеродного композита. На основе расчетных зависимостей пределов пропорциональности материала от направления нагружения предложена схема идентификации параметров построенной модели, основанная на анализе характера разрушения материала при стандартных испытаниях на растяжение и сжатие. Приведены оценки отклонения результатов расчета по предложенному критерию от таковых при использовании критерия максимальных напряжений для двухосных напряженных состояний. Показано, что разница может достигать десятков процентов, причем в ряде случаев прочность материала возрастает по сравнению с одноосным напряженным состоянием. Результаты работы подлежат экспериментальной апробации с целью верификации модели на современных пространственно армированных углерод-углеродных композиционных материалах.

Еще

Углерод-углеродный композиционный материал, критерий прочности, предел пропорциональности, разрушение, структурная модель, предельная поверхность, осреднение

Короткий адрес: https://sciup.org/146282004

IDR: 146282004   |   DOI: 10.15593/perm.mech/2020.3.06

Список литературы Структурный критерий прочности пространственно армированных углерод-углеродных композиционных материалов

  • Тарнопольский Ю.М., Жигун И.Г., Поляков В.А. Пространственно-армированные композиционные материалы: справочник. – М.: Машиностроение, 1987. – 224 с.
  • Пластинки и оболочки из углепластиков: учеб. пособие для вузов / В.Л. Бажанов [и др.] / под ред. И.И. Гольденблат. – М.: Высшая школа, 1970. – 408 с.
  • Победря Б.Е. О критериях разрушения структурнонеоднородных материалов // Пластичность и разрушение твердых тел: сб. науч. тр. – М.: Наука, 1988. – С. 170–175.
  • Wolfe W.E., Butalia T.S. A Strain-Energy Based Failure Criterion for Non-Linear Analysis of Composite Laminates Subjected to Biaxial Loading // Composites Science and Technology. – 1998. – Vol. 58. – P. 1107–1124. DOI: 10.1016/S0266-3538(96)00145-5
  • Davy C., Marquis D. A multiaxial failure criterion for a brittle orthotropic composite // Materials & Design. – 2003. – Vol. 24. – P. 15–24. DOI: 10.1016/S0261-3069(02)00087-0
  • Li Sh., Sitnikova E. A critical review on the rationality of popular failure criteria for composites // Composites Communications. – 2018. – Vol. 8. – P. 7–13. DOI: 10.1016/j.coco.2018.02.002
  • The Tsai-Wu failure criterion rationalised in the context of UD composites / Sh. Li [et al.] // Composites Part A: Applied Science and Manufacturing. – 2017. – Vol. 102. – P. 207-217. DOI: 10.1016/j.compositesa.2017.08.007
  • Three-dimensional invariant-based failure criteria for fibrereinforced composites / P.P. Camanho [et al.] // International Journal of Solids and Structures. – 2015. – Vol. 55. – P. 92-107. DOI: 10.1016/j.ijsolstr.2014.03.038
  • Tsai S.W., Melo J.D.D. A unit circle failure criterion for carbon fiber reinforced polymer composites // Composites Science and Technology. – 2016. – Vol. 123. – P. 71–78. DOI: 10.1016/j.compscitech.2015.12.011
  • Yang Ch., Jiao G., Guo H. Failure criteria for C/SiC composites under plane stress state // Theoretical and Applied Mechanics Letters. – 2014. – Vol. 4. – P. 021007. DOI: 10.1063/2.1402107
  • Optimization of the Layers of Composite Materials from Neural Networks with Tsai–Wu Failure Criterion / C.A. Diniz [et al.] // Journal of Failure Analysis and Prevention. – 2019. – Vol. 19. – P. 709–715. DOI: 10.1007/s11668-019-00650-w
  • Kaddour A.-S., Hinton M.J. Failure Criteria for Composites // Comprehensive Composite Materials II / Ed. by P.W.R. Beaumont, C.H. Zweben. – Oxford: Elsevier, 2018. – P. 573-600. DOI: 10.1016/B978-0-12-803581-8.10354-6
  • Ван Фо Фы Г.А. Теория армированных материалов с покрытиями. – Киев: Наукова думка, 1971. – 232 с.
  • Hashin Z. Analysis of Composite Materials – A Survey // Journal of Applied Mechanics. –1983. – Vol. 50. – P. 481–505. DOI: 10.1115/1.3167081
  • Kwon Y.W., Darcy J. Further discussion on newly developed failure criteria for fibrous composites // Multiscale and Multidisciplinary Modeling, Experiments and Design. – 2018. – Vol. 1. – P. 307–316. DOI: 10.1007/s41939-018-0022-z
  • Gu J., Chen P. Some modifications of Hashin’s failure criteria for unidirectional composite materials // Composite Structures. – 2017. – Vol. 182. – P. 143–152. DOI: 10.1016/j.compstruct.2017.09.011
  • Comparison of stress-based failure criteria for prediction of curing induced damage in 3D woven composites / B. Drach [et al.] // Composite Structures. – 2018. – Vol. 189. – P. 366-377. DOI: 10.1016/j.compstruct.2018.01.057
  • Orthotropic criteria for transverse failure of non-crimp fabric-reinforced composites / H. Molker [et al.] // Journal of Composite Materials. – 2016. – Vol. 50. – P. 2445–2458. DOI: 10.1177/0021998315605877
  • A new stress-based multi-scale failure criterion of composites and its validation in open hole tension tests / X. Li [et al.] // Chinese Journal of Aeronautics. – 2014. – Vol. 27. – P. 1430-1441. DOI: 10.1016/j.cja.2014.10.009
  • Christensen R.M., Lonkar K. Failure Theory / Failure Criteria for Fiber Composite Laminates // Journal of Applied Mechanics. – 2016. – Vol. 84. – 021009. DOI: 10.1115/1.4035119
  • Failure criteria of unidirectional carbon fiber reinforced po lymer composites informed by a computational micromechanics model / Q. Sun [et al.] // Composites Science and Technology. – 2019. – Vol. 172. – P. 81–95. DOI: 10.1016/j.compscitech.2019.01.012
  • Shi Y.Zh., Pu X. New Two-Dimensional Polynomial Failure Criteria for Composite Materials // Advances in Materials Science and Engineering. – 2014. – Vol. 2014. – P. 503483. DOI: 10.1155/2014/503483
  • The strength of multilayered composites under a planestress state / P.A. Zinoviev [et al.] // Composites Science and Technology. – 1998. – Vol. 58. – P. 1209–1223. DOI: 10.1016/S0266-3538(97)00191-7
  • Yudhanto A., Tay T.E., Tan V.B.C. Micromechanical Characterization Parameters for a New Failure Criterion for Composite Structures // Fracture and Strength of Solids VI. – Vol. 306 of Key Engineering Materials. – 2006. – P. 781–786. DOI: 10.4028/www.scientific.net/KEM.306-308.781
  • Predicting matrix failure in composite structures using a hybrid failure criterion / N.T. Chowdhury [et al.] // Composite Structures. – 2016. – Vol. 137. – P. 148–158. DOI: 10.1016/j.compstruct.2015.11.019
  • Rotem A. The Rotem failure criterion for fibrous laminated composite materials: Three-dimensional loading case // Journal of Composite Materials. – 2012. – Vol. 46. – P. 2379-2388. DOI: 10.1177/0021998312449677
  • Exploiting the structural reserve of textile composite structures by progressive failure analysis using a new orthotropic failure criterion / R. Rolfes [et al.] // Computers & Structures. – 2011. – Vol. 89. – P. 1214–1223. DOI: 10.1016/j.compstruc.2010.09.003
  • A consistent anisotropic damage model for laminated fiberreinforced composites using the 3D-version of the Puck failure criterion / J. Reinoso [et al.] // International Journal of Solids and Structures. – 2017. – Vol. 126–127. – P. 37–53. DOI: 10.1016/j.ijsolstr.2017.07.023
  • Evaluations of failure initiation criteria for predicting damages of composite structures under crushing loading / H. Jiang [et al.] // Journal of Reinforced Plastics and Composites. – 2018. – Vol. 37. – P. 1279–1303. DOI: 10.1177/0731684418783847
  • Gadade A., Lal A., Singh B. Stochastic progressive failure analysis of laminated composite plates using Puck’s failure criteria // Mechanics of Advanced Materials and Structures. – 2015. – Vol. 23. – P. 739–757. DOI: 10.1080/15376494.2015.1029163
  • Технология и проектирование углерод-углеродных композитов и конструкций / Ю.В. Соколкин [и др.]. – М.: Наука, 1996. – 236 с.
  • Проблемы и задачи неразрушающего контроля деталей, узлов и сборочных единиц из углерод-углеродных и керамоматричных композиционных материалов нового поколения / В.П. Вагин [и др.] // Неразрушающий контроль композиционных материалов: сб. тр. 1-й дистанц. науч.-техн. конф. НККМ-2014 «Приборы и методы неразрушающего контроля качества изделий и конструкций из композиционных и неоднородных материалов». – СПб.: Свен, 2015. – С. 45–56.
  • Сарбаев Б.С. Деформирование упругих многослойных композиционных материалов при трехосном напряженном состоянии // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Серия «Машиностроение». – 2005. – С. 63–81.
  • Победря Б.Е. Механика композиционных материалов. – М.: Изд-во Моск. ун-та, 1984. – 335 с.
  • Писаренко Г.С., Лебедев А.А. Деформирование и прочность материалов при сложном напряженном состоянии. – Киев: Наукова думка, 1976. – 416 с.
  • Работнов Ю.Н. Сопротивление материалов. – М.: Физматгиз, 1962. – 456 с.
  • Morgan P. Carbon Fibers and their Composites. – Boca Raton: CRC Press, 2005. – 1131 p. DOI: 10.1201/9781420028744
  • Свойства конструкционных материалов на основе углерода / под ред. В.П. Соседова. – М.: Металлургия, 1975. – 336 с.
  • Магнитский И.В. О численном моделировании упругих свойств объемно армированных композиционных материалов. // Новые технологии: материалы X Всерос. конф. – М.: РАН, 2013. – Т. 2. – С. 21–32.
  • Ponomarev K.A., Magnitskiy I.V. Investigation of the scale factor and deformation features during compression of a spatially reinforced carbon composite material // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. – 2019. – Vol. 683. – P. 012053. DOI: 10.1088/1757-899X/683/1/012053
Еще
Статья научная
QR-код для установки приложения SciUp Наведите камеру и скачайте бесплатное приложение SciUp