Валидация моделирования процесса расслоения композитных панелей силовых элементов конструкций летательных аппаратов
Автор: И. С. Белоусов
Журнал: Космические аппараты и технологии.
Рубрика: Новые материалы и технологии в космической технике
Статья в выпуске: 4, 2024 года.
Бесплатный доступ
Как при изготовлении, так и при эксплуатации элементов конструкций, выполненных из многослойных композитных материалов, возможно появление межслойных дефектов при ударе в результате эксплуатации или при нарушении технологии изготовления, что существенно снижает прочностные характеристики таких конструкций. Поэтому учет влияния таких дефектов на прочность является актуальной задачей. Основная цель данной работы – представление результатов валидации расчетных конечно-элементных моделей процесса деформирования элементов конструкций из многослойных композитов с межслойными дефектами. В работе рассматриваются два типа образцов: образцы в виде полосы с предварительным сквозным непроклеем и пластины с предварительным круглым непроклеем. Предварительный дефект создавался путем добавления в композитный пакет тонкой фторопластовой пленки необходимого размера. Проведены испытания таких образцов на сжатие, получены данные о росте межслойных дефектов. Построены конечно-элементные модели с учетом роста межслойных дефектов в процессе сжатия. С использованием построенных моделей решалась нелинейная статическая задача, учитывающая местную потерю устойчивости образца в области дефекта и дальнейшее его закритическое поведение, сопровождающееся ростом межслойного дефекта. Проведено сравнение экспериментальных и расчетных данных. Показано влияние межслойных характеристик разрушения на процесс расслоения.
Многослойные композиты, межслойный дефект, процесс расслоения, метод конечных элементов, закритическое поведение
Короткий адрес: https://sciup.org/14132261
IDR: 14132261 | УДК: 629.7.023
Validation of modeling the delamination process of composite panels of load-bearing elements of aircraft structures
Both in the manufacture and operation of structural elements made of layered composite materials, interlayer defects may occur upon impact as a result of operation or violation of manufacturing technology, which significantly reduces the strength characteristics of such structures. Therefore, taking into account the effect of such defects on strength is an urgent task. The main purpose of this work is to present the results of validation of finite element models of the deformation process of structural elements made of layered composites with interlayer defects. Two types of specimens are considered in the work: samples in the form of a strut with a wide through embedded delamination and plates with a round embedded delamination. The embedded delamination was created by adding a thin fluoroplastic film of the required size to the composite package. Compression tests of such specimens were carried out, and data on the growth of interlayer defects were obtained. Finite element models are constructed taking into account the growth of interlayer defects during compression. Using the constructed models, a nonlinear static problem was solved, taking into account the local buckling of the specimen in the defect area and its further post buckling behavior, accompanied by an increase in the interlayer defect. The experimental and calculated data are compared. The influence of interlayer fracture characteristics on the stratification process is shown.
Список литературы Валидация моделирования процесса расслоения композитных панелей силовых элементов конструкций летательных аппаратов
- Максименко В.Н., Олегин И. П., Пустовой Н. В. Методы расчёта на прочность и жёсткость элементов конструкций из композитов. Новосибирск, Изд-во НГТУ. 2015. 424 с.
- Гришин В.И., Дзюба А. С., Дударьков Ю. И. Прочность и устойчивость элементов и соединений авиационных конструкций из композитов. Москва: Физмалит. 2013. 272 с.
- Рана С., Фангейру Р. Современные композиционные материалы для аэрокосмической техники: обработка, свойства и применение. Кембридж, Великобритания, издательство Woodhead Publishing, 2016. 496 с.
- Чавла К. К. Композитные материалы: наука и техника. Бирмингем, Алабама, США, Springer Science & Business Media. 2019. 560 с.
- Чермошенцева А. С. Разработка методики повышения прочности тонкостенных элементов конструкций из композитных материалов с дефектами типа расслоения: дис. …канд. техн. наук: 01.02.04. Чермошенцева Анна Сергеевна; МГТУ. Москва, 2018. 168 с.
- Ван К., Чжао Л., Хонг Х., Гун Ю., Чжан Дж., Нин Х. Аналитическая модель для оценки потери устойчивости, распространения расслаивания и разрушения расслаивающихся композитов при одноосном сжатии. Композитные конструкции. 2019. Т. 223. С. 1–9.
- Ван К., Чжао Л., Хонг Х., Гун Ю., Чжан Дж., Нин Х. Исследование параметров и принципы оценки повреждений от расслаивания в слоистых композитах. Китайский журнал аэронавтики. 2021. Т. 37(7). С. 32–72.
- Крюгер Р. Метод виртуального закрытия трещин: история, подход и применение. Приложение. Механический выпуск. 2004. Т. 57(2). С. 109–143.
- Крюгер Р., О’ Брайен К. Методика оболочечного 3D-моделирования для анализа расслаивающихся композитных ламинатов. Журнал AIAA.2000. Т. 37. № 6. С. 25–44.
- Ирвин Г. Анализ напряжений и деформаций вблизи вершины трещины, пересекающей пластину. Журнал прикладной механики. 1957. Т. 24. С. 361–364.
- Дагдейл Д. С. Текучесть стальных листов с прорезями. Журнал механики и физики твердого тела. 1960. Т. 8(2). С. 100–104.
- Баренблатт Г. И. Математическая теория равновесных трещин при хрупком разрушении. Достижения в области прикладной механики. 1962. Т. 7. С. 55–129.
- Сюй Х.-П., Нидлман А. Численное моделирование быстрого роста трещин в хрупких твердых телах. Журнал механики и физики твердого тела. 1994. Т. 42. 1397–1434.
- Шабош Ж. Л., Жирар Р., Шафф А. Численный анализ композитных систем с использованием моделей взаимодействия фаз/интерфейсов. Вычислительная механика. 1997. Т. 20. С. 3–11.
- Альфано Г., Крисфилд М. Конечно-элементные модели интерфейсов для анализа расслаивания слоистых композитов: механические и вычислительные проблемы. Численные методы в инженерии, англ. 2001. Т. 50. С. 1701–1736.
- Каманьо П. П., Давила К. Г., Де Мура М. Ф. Численное моделирование прогрессирующего расслаивания смешанного типа в композиционных материалах. Композиционные материалы. 2003. Т. 37. С. 1415–1438.
- Гоял В.К., Джонсон Э. Р., Давила К. Г. Необратимый определяющий закон для моделирования процесса расслаивания с использованием неоднородностей межфазной поверхности. Композитные конструкции. 2004. Т. 65. С. 289–305.
- Мео М., Тийло Э. Моделирование расслоения в двойной консольной балке. Композитные конструкции. 2005. Т. 71. С. 429–434.
- Тайрон А., Давила К. Г., Каманьо П. П., Коста Дж. Инженерное решение для учета влияния размера конечного элемента при моделировании расслоения с использованием моделей когезионной зоны. Инженерная механика разрушения. 2007. Т. 74(10). С. 1665–1682.
- Тайрон А., Гонсалес Э. В., Саррадо С., Гийамет Г., Майми П. Точное моделирование расслоения при смешанном режиме нагружения с использованием модели когезионной зоны с зависящей от режима жесткостью. Композитные конструкции. 2018. Т. 184. С. 506–511.
- Белоусов И.С., Беспалов В. А. Экспериментальное определение вязкости межслойного разрушения композитного материала. Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2023. Т. 8. С. 81–87.
- ASTM D 7137/D 7137M, 2007. Стандартный метод определения остаточной прочности при сжатии поврежденных композитных плит с полимерной матрицей. Стандарт. Американское общество по испытаниям и материалам. Уэст-Коншохокен, Пенсильвания, США.
- Достижения в области применения ультразвуковых технологий с фазированными антенными решетками: Olympus NDT, США, Waltham, 2007. 491 с.
- Чернякин С.А., Скворцов Ю. В. Анализ роста расслоений в композиционных конструкциях. Вестник СибГАУ. 2014. № 4(56). С. 249–255.
