Закономерности усталостного разрушения типового композитного фланца
Автор: Соломонов Д.Г., Саженков Н.А., Конев И.П., Торопицина А.В., Нихамкин М.Ш.
Статья в выпуске: 3, 2023 года.
Бесплатный доступ
Одной из важнейших задач, возникающих при разработке авиационных конструкций из полимерных композиционных материалов, является обеспечение усталостной прочности. Известно, что поведение при циклическом нагружении деталей и стандартных образцов неодинаково. Проблема переноса результатов стандартных испытаний на натурное изделие особенно остра из-за многообразия схем армирования, влияния технологических и конструктивных факторов. Это заставляет прибегать к испытаниям натурных изделий или конструктивно-подобных элементов. Настоящая работа посвящена исследованию закономерностей усталостного разрушения типового элемента оболочечных авиационных конструкций - Г-образного фланца из слоистого углепластика. Разработана методика усталостных испытаний критической зоны фланца, воспроизводящая условия его нагружения в эксплуатационных условиях. Усталостное нагружение образца производится силами инерции закрепленного на нем груза при резонансных гармонических колебаниях на вибростенде по изгибной форме. Экспериментальная установка обеспечивает постоянное поддержание резонансного режима, а также непрерывный контроль деформации, резонансной частоты колебаний образца и поля температуры на его поверхности. Установлены характерные закономерности развития усталостных повреждений фланца. Основным механизмом разрушения является появление и развитие расслоений как в собственно фланце, так и в области его соединения с оболочкой. Усталостное разрушение сопровождается падением резонансной частоты колебаний образца, обусловленным снижением его жесткости. Полученные в работе типичные зависимости падения резонансной частоты от относительной усталостной наработки отражают скачкообразное изменение жесткости образца. Установленные закономерности процесса накопления усталостных повреждений подтверждаются анализом теплового состояния образца в процессе испытаний, которое изменяется в результате его разогрева при циклическом нагружении. Полученные экспериментальные данные могут быть использованы при разработке конструкции фланцев из ПКМ и разработке моделей прогнозирования их усталостного ресурса.
Полимерные композиционные материалы, слоистый углепластик, фланцевое соединение, многоцикловая усталость, накопление повреждений, термография, кривая усталости, экспериментальная механика
Короткий адрес: https://sciup.org/146282673
IDR: 146282673 | УДК: 620.17 | DOI: 10.15593/perm.mech/2023.3.12
Regularities of fatigue failure typical composite flange
One of the most important tasks in the development of aircraft structures from polymer composite materials is to ensure fatigue strength. It is known that the behaviour under cyclic loading of parts and standard samples is not the same. The problem of transferring the results of standard tests to a full-scale product is especially acute due to the variety of reinforcement schemes, the influence of technological and design factors. This forces us to test full-scale products or structurally similar elements. This work is devoted to the study of the patterns of fatigue failure of a typical element of shell aircraft structures - an L-shaped flange made of laminated carbon fibre. A method of fatigue testing of the critical zone of the flange has been developed. It reproduces the operational conditions of flange loading. The fatigue loading of the sample is carried out by the inertia forces of the load attached to it. The tests were carried out with resonant harmonic vibrations on a vibration stand in a bending shape. The experimental setup ensures constant maintenance of the resonant mode. The experimental setup ensures continuous monitoring of deformation, the resonant frequency of vibrations of the sample and the temperature field on its surface. The characteristic patterns of the development of fatigue damage of the flange are established. The main mechanism of destruction is the appearance and development of delaminations in the flange and in the area of its connection with the shell. Fatigue failure is accompanied by a drop in the resonant frequency of vibrations of the sample, due to a decrease in its rigidity. The typical dependences of the resonant frequency drop on the relative fatigue time reflect an abrupt change in the stiffness of the sample. The established regularities of the fatigue damage accumulation process are confirmed by the analysis of the thermal state of the sample during testing, which changes as a result of its self-heating during cyclic loading. The experimental data can be used in the development of the design of flanges made of CFRP and in the development of models for predicting their fatigue life.
Список литературы Закономерности усталостного разрушения типового композитного фланца
- Келли А. Инженерный триумф углеволокон // Композиты и наноструктуры. - 2009. - № 1. - С. 38-49.
- Каблов Е.Н. ВИАМ: материалы нового поколения для ПД-14 // Крылья Родины. - 2019. - № 7-8. - С. 54-58.
- Иноземцев А.А., Нихамкин М.Ш., Сандрацкий В.Л. Основы конструирования авиационных двигателей и энергетических установок. - М.: Машиностроение, 2008. - Т. 2. - 368 с.
- Колобков А. С. Полимерные композиционные материалы для различных конструкций авиационной техники (обзор) // Труды ВИАМ. - 2020. - № 6-7 (89). - С. 38-44. DOI: 10.18577/2307-6046-2020-0-67-38-44
- Стрижиус В.Е. Некоторые закономерности усталостного разрушения элементов композитных авиаконструкций // Композиты и наноструктуры. - 2016. - Т. 8, № 4. - С. 265-271.
- Каримбаев Т.Д. Оценка усталостной долговечности изделий из композиционных материалов // Авиационные двигатели. - 2020. - № 4 (9). - С. 75-93.
- The fatigue of carbon fibre reinforced plastics - a review / P. Alam, D. Mamalis, C. Robert, C. Floreani, C.M.O. Bradaigh // Composites Part B. - 2019. - Vol. 166. - P. 555-579.
- Degrieck J., Van Paepegem W. Fatigue Damage Modelling of Fibre-Reinforced Composite Materials: Review // Applied Mechanics Reviews. - 2001. - Vol. 54, iss. 4. - P. 279-300.
- Sevenois R.D.B., Van Paepegem W. Fatigue Damage Modeling Techniques for Textile Composites: Review and Comparison with Unidirectional Composite Modeling Techniques // Applied Mechanics Reviews. - 2015. - Vol. 67, iss. 2. - P. 020802.
- Kulkarni P.V., Sawant P.J., Kulkarni V.V. Fatigue life prediction and modal analysis of carbon fiber reinforced composites // Advances in Materials and Processing Technologies. - 2018. - Vol. 4, iss. 4. - P. 651659.
- Abo-Elkhier M., Hamada A.A. El-Deen B. Prediction of fatigue life of glass fiber reinforced polyester composites using modal testing // International Journal of Fatigue. - 2014. -Vol. 69. - P. 28-35.
- Experimental study on high-cycle fatigue behavior of GFRP-steel sleeve composite cross arms / J. Wang, N. Tan, S. Zhou, Q. Sun // Advances in civil engineering. - 2018. -Vol. 2018. - Article ID 6346080. - 12 p.
- Fatigue life evaluation for carbon/epoxy laminate composites under constant and variable block loading / P.N.B. Reis, J.A.M. Ferreira, J.D.M. Costa, M.O.W. Richardson // Composites Science and Technology. - 2009. - Vol. 69. - P. 154-160.
- Nikhamkin M.Sh., Solomonov D.G. Change of the elastic characteristics of a fiber-reinforced laminate as a result of progressive fatigue damage// Solid State Phenomena. - 2021. -Vol. 316. - P. 955-960.
- Nikhamkin M.S., Solomonov D.G., Voronkov A.A. Experimental study of fatigue damage accumulation in laminated carbon reinforced fiber plastics // Journal of Physics: Conference Series 22. "XXII Winter School on Continuous Media Mechanics, WSCMM 2021". - 2021. - P. 012040.
- Нихамкин М.Ш., Соломонов Д.Г., Зильбершмидт В.В. Идентификация характеристик упругости композита по экспериментальным данным о модальных характеристиках образцов // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. - 2019. - № 1. - С. 108-120.
- Nikhamkin M.S., Solomonov D.G. Degradation of elastic characteristics of the CFRP used in the design of a gas turbine engine as a result of high-cycle fatigue damage // Journal of Physics: Conference Series. Сер. "International Conference on Aviation Motors, ICAM 2020". - 2021. - P. 012033
- ГОСТ 57143-2016. Композиты полимерные. Метод испытания на усталость при циклическом растяжении. - М.: Стандартинформ, 2016. - 16 с.
- ASTM Standard D 3479/D 3479M-96 (2007). Test Method for Tension-Tension Fatigue of Polymer Matrix Composite Materials // ASTM International. - 2007. - 6 p.
- Quasi-UD glass fibre NCF composites for wind energy applications: a review of requirements and existing fatiguedata for blade materials / K. Vallons, G. Adolphs, P. Lucas, S.V. Lomov, I. Verpoest // Mechanics &26Industry. - 2013. - Vol. 14. - P. 175-189.
- Каримбаев Т.Д., Луппов А.А., Афанасьев Д.В. Рабочие лопаткивентиляторов из углепластика для перспективных двигателей. Достижения и проблемы // Двигатель. - 2011. -№ 6 (78). - С. 2-7.
- 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 ПНИПУ. Механика. - 2015. - № 4. -С. 293-307.
- Guseinov K., Kudryavtsev O.A., Sapozhnikov S.B. Effectiveness of 2-D and 3-D modelling of dovetail joint of composite fan blade for choosing rationalreinforcement schemes // PNRPU mechanics bulletin. - 2021. - No. 1. - Р. 5-11.
- Расчетно-экспериментальное исследование влияния виброакустических нагрузок на прочность композитного соединения / С.В. Дубинский, Ф.С. Севастьянов, А.Ю. Голубев, С.Л. Денисов, В.М. Костенко, И.А. Жаренов // Акустический журнал. - 2019. - Т. 65, № 4. - С. 460-470.
- Wang Y., Soutis C. A Finite Element and Experimental Analysis of Composite T-Joints Used in Wind Turbine Blades // Applied Composite Materials. - 2018. - Vol. 25. -P. 953-964.
- Testing and analysis of a highly loaded composite flange / N.E. Jansson, A. Lutz, M. Wolfahrt, A. Sjunnesson // ECCM13: 13th European Conference on Composite Materials. -Stockholm, 2008. - 8 p.
- Расчет НДС и оценка прочности композитного фланца стеклопластикового кожуха авиационного газотурбинного двигателя / А.Н. Аношкин, М.В. Рудаков, И.С. Страумит, Е.Н. Шустова // Вестник Уфим. гос. авиац. техн. ун-та. - 2011. - Т. 15, № 1(41). - С. 67-75.
- Расчет напряженно-деформированного состояния фланца из полимерных композиционных материалов с дефектом в виде расслоения / А.Н. Аношкин, Д.И. Федоровцев, П.В. Писарев, В.М. Осокин // Вестник ПНИПУ. Аэрокосмическая техника. - 2015. - № 43. - С. 116-130.
- Fatigue behaviour of composite girders with concrete-filled tubular flanges and corrugated webs—experimental study / Wang Z.Y., Zhou X.F., Liu Z.F., Wang Q.Y. // Engineering Structures. - 2021. - Vol. 241. - Vol. 15. - P. 112416.
