Full Text

Введение Использование композитов позволяет уменьшить массу конструкции при сохранении или улучшении ее механических характеристик. Композитные материалы широко используются в авиационной и космической технике в деталях, подвергающихся переменным нагрузкам [1]. В ходе эксплуатации конструкций из композитов неизбежно возникают различные дефекты, при этом актуальными становятся исследования возможности локального ремонта конструкций в полевых условиях. Объектами исследования являются конструктивно-подобные элементы, образцы звукопоглощающих панелей (панели ЗПК) с искусственно нанесенным дефектом типа сквозного пробоя, после локального ремонта. Сквозной пробой оболочки характеризуется повреждением всех армирующих слоев детали, возникшим в результате эксплуатации. Принцип локального ремонта заключается в удалении и послойном замещении поврежденных слоев материала на ремонтные с соблюдением направления основы, а также добавлением двух дополнительных слоев поверх ремонтных с обеих сторон образца. Поврежденный заполнитель не восстанавливается, а заполняется специальным составом. Более подробно о технологии ремонта и методиках механических испытаний панелей ЗПК изложено в работах [2-5]. Исследования, связанные с циклическим нагружением, прогнозированием остаточного ресурса, зарождением и распространением усталостных трещин, являются актуальными. Метод инфракрасной термографии широко применяется при проведении механических исследований с целью получения детальной информации о закономерностях накопления энергии в процессе деформирования металлов [6-10]. Ранее исследования с помощью термографии осуществлялись на однородных материалах, но с развитием технологий и появлением современного оборудования этот метод был применен также к композитам [11-13]. Более подробные исследования поведения композитов при циклическом нагружении с помощью традиционных методов и подходов являются недостаточными. Для исследования дефектов, трещин, отслоений наиболее часто применяются на практике такие методы, как ультразвуковая дефектоскопия, рентген, термография, акустическая эмиссия и оптический метод корреляции цифровых изображений. Перспективным направлением экспериментальной механики является комбинированное использование вышеперечисленных методов. В работах [14-18] показана возможность совместного использования акустической эмиссии, инфракрасной тепловизионной и бесконтактной оптической системы анализа полей деформаций при различных видах испытаний. 1. Методики экспериментальных исследований Экспериментальные исследования проводились в Центре экспериментальной механики Пермского национального исследовательского политехнического университета. Программа исследований включала в себя проведение механических испытаний на растяжение образцов-панелей размером 150×350 мм по ранее предложенным методикам [3, 4, 19, 20] при статическом и циклическом нагружении с использованием бесконтактной оптической видеосистемы Vic-3D и инфракрасной тепловизионной системы FLIR для контроля внутренней структуры образца, включая ремонтную зону (рис. 1). Дефект расположен в центральной части образца-панели. Для проведения исследований был выбран наиболее сложный для реализации ремонта дефект - сквозной пробой конструкции. Размер дефекта выбран из расчета, что длина дефекта равнялась половине ширины образца-панели (l = 70 мм). Для снижения концентрации напряжений на краях дефекта выполнен радиус R = 7,5 мм. а б Рис. 1. Образы-панели при испытаниях в электромеханической системе Instron 5982 при статическом растяжении (а) и в сервогидравлической системе Instron 8801 при циклических испытаниях (б) Статические испытания проводились на универсальной электромеханической испытательной системе Instron 5982. Данная установка предназначена для квазистатических испытаний при растяжении, сжатии, изгибе с нагрузкой до 100 кН и скоростью нагружения от 0,001 до 500 мм/мин; более полное описание и технические характеристики приведены в работе [5, 21]. Подготовка испытаний заключалась в настройке параметров испытательного и измерительного оборудования при помощи специализированного программного обеспечения, синхронизации испытательной машины с видеосистемой и тепловизором, подготовке и установке образца. Были заданы следующие параметры испытаний: скорость перемещения подвижной траверсы при растяжении 5 мм/мин; скорость съемки видеосистемой - 15 кадров в секунду; основные параметры корреляционной обработки: локальная область (подмножество) 59´59 пикселей, шаг 4 пикселя (subset 59, step 4); частота съемки инфракрасной тепловизионной системы 100 Гц. Метод корреляции цифровых изображений (Digital Image Correlation - DIC) - это эффективный бесконтактный метод измерения деформаций на поверхности исследуемых объектов путем сравнения цифровых фотографий, снятых в процессе нагружения [22]. Первоначально осуществляется построение полей перемещений, затем следует вычисление компонент деформации. С помощью метода DIC можно анализировать изменение полей деформаций по контрастному рельефу образца, а также оценить степень деформации, момент и место ее локализации на макроуровне. Для анализа полей перемещений методом DIC требуется предварительная подготовка поверхности исследуемых объектов [22-24], в связи с чем на поверхность образца нанесено контрастное мелкодисперсное покрытие, далее образец устанавливался в специальную оснастку для испытаний (см. рис. 1). Перед испытанием для контроля внутренней структуры образца и залеченного дефекта осуществлялась тепловая дефектоскопия: производился нагрев испытываемого образца с помощью лампы накаливания мощностью 150 Вт, продолжительность нагрева составила 30 с, нагрев осуществлялся на расстоянии 0,15 м. На рис. 2 приведены термограммы образца до и после нагрева в ненагруженном состоянии. Для контроля температуры был построен график распределения температур по выбранным линиям, проходящим через геометрический центр на поверхности образца (рис. 2, б) после нагрева в момент выключения лампы накаливания (рис. 2, в), максимальная температура на поверхности образца не превышает 40 °С. Такой режим кратковременного нагрева выбран с учетом того, чтобы повышенная температура не оказывала влияния на механические свойства клеевого слоя в зоне ремонта. Приведенные в работе [21] экспериментальные данные также косвенно свидетельствуют о том, что кратковременное повышение температуры до 40 °С не оказывает влияния на механические свойства стеклопластиков и, в частности, клеевого слоя. Циклические испытания проводились на сервогидравлической испытательной системе Instron 8801. Данная система ориентирована на проведение статических испытаний на растяжение, сжатие и изгиб с максимальной нагрузкой 100 кН, усталостных испытаний с различной формой волны с частотой до 30 Гц, испытаний с произвольно заданным законом кинематического, силового или смешанного режима нагружения. Параметры циклических испытаний были выбраны исходя из норм коэффициента запаса прочности для авиационных композитов 2-2,5. За номинальные значения были приняты данные, полученные при испытаниях образцов-панелей без дефектов, представленные в работе [2]. При реализации программы циклических испытаний использовался знакопеременный несимметричный цикл силового нагружения со следующими параметрами: коэффициент асимметрии R = -0,25; амплитуда цикла Na = 25 кН; форма волны в виде синуса; частота - 0,25 Гц; количество циклов n = 200. При этом минимальные значения по нагрузке составляли 10 кН, максимальные - 40 кН. а б в Рис. 2. Термограммы образца-панели с залеченным дефектом до (а) и после (б) нагрева и график распределения температур по выбранным линиям на поверхности образца после нагрева (в) Испытания проводились в два этапа, каждый по 100 циклов. На первом этапе после каждых 10 циклов производилась остановка в пике максимума для регистрации полей деформаций и температур с целью анализа зависимости развития локальных повреждений и дефектов от количества циклов нагружения. На втором этапе, а также на каждом 10-м цикле производилась остановка в пике максимума, далее производился аналогичный по режиму, приведенному выше, нагрев зоны ремонта образца-панели и регистрация внутренней структуры. По окончании программы циклических испытаний образец-панель статически нагружался до разрушения. 2. Результаты испытаний При испытании на статическое растяжение были построены диаграмма нагружения (рис. 3), поля поперечных и продольных деформаций до отрыва ремонтного слоя в момент первичного разрушения (точка 2, рис. 3), так как видеосистема позволяет получать поля деформаций на поверхности исследуемого объекта и соответствующие им термограммы (рис. 4). Диаграмма нагружения построена по данным видеосистемы с использованием виртуального экстензометра [3, 24], при этом учитывались только перемещения в рабочей зоне образца. На участке кривой нагружения 1-2 (см. рис. 3) картины полей деформаций и термограммы идентичны и соответствуют рис. 4, а, по достижении точки 2 на кривой произошло первичное разрушение, которое сопровождалось треском и характеризовалось локальным отслоением зоны ремонта (рис. 4, б). Далее на участке 2-3 (см. рис. 3) происходило отслоение зоны ремонта по всей ширине образца, что отчетливо видно на термограмме (рис. 4, в), разрушение клеевого соединения силовых оболочек с трубчатым заполнителем и последующая за этим локальная потеря устойчивости силовой оболочки. Рис. 3. Диаграмма нагружения образца-панели при растяжении а б в Рис. 4. Поля деформаций εхх, εyy, и термограммы на поверхности образца в ходе испытания на статическое растяжение (а, б); внешний вид и термограмма в момент разрушения (в): а - соответствует точке 1 на диаграмме; б - точке 2; в - точке 3 (см. рис. 3) Также наблюдалось нарушение целостности контрастного мелкодисперсного покрытия, что привело к невозможности дальнейшего построения полей деформаций. На рис. 4, в, приведена фотография образца в момент, соответствующий максимальной нагрузке 78 кН на диаграмме (см. рис. 3, точка 3). Далее произошел динамичный долом образца до полного разрушения. Снижение несущей способности образца-панели с зоной ремонта дефекта относительно образца-панели без дефекта [2] составило примерно 20 %. Циклические испытания проводились в соответствии с описанной выше программой испытаний, при этом следует отметить, что на первом этапе (первые 100 циклов) развития в зонах концентраторов деформаций не наблюдалось. Распределения полей продольных деформаций и температур имели схожий вид при прохождении контрольных точек регистрации. Поля деформаций и термограммы, соответствующие 50, 80 и 100 циклам нагружения, представлены на рис. 5 (n = 50, n = 80, n = 100). n = 50 n = 80 n = 100 n = 160 n = 180 n = 200 Рис. 5. Эволюция полей продольных деформаций (вверху) и соответствующие им термограммы (внизу) в зависимости от числа пройденных циклов нагружения На втором этапе (вторые 100 циклов) до 160-го цикла наблюдалась аналогичная ситуация. Далее циклические нагружения стали сопровождаться характерным треском, после чего на последующих контрольных точках регистрации фиксировалась трещина в центральной части образца по зоне ремонта, что соответственно наблюдалось на распределениях полей продольных деформаций и термограммах и отчетливо видно на рис. 5 при n = 180 и n = 200. По результатам регистрации 20 контрольных точек циклических испытаний были построены эпюры распределения продольных деформаций по ширине испытываемого образца по линии возникновения отслоения нижней зоны ремонта, расположенной на 40 мм ниже геометрического центра образца (рис. 6). На рис. 6 вынесены эпюры, соответствующие полям деформаций (см. рис. 5), по которым также можно судить о том, на каком этапе циклических испытаний вследствие разрушения клеящего слоя и последующего отслоения возникла трещина по краю зоны ремонта. Рис. 6. Эпюры распределения продольной деформации εyy по линии нижней зоны ремонта на всей ширине образца-панели во время циклических испытаний, соответствующие контрольным точкам регистрации по прохождению 50, 80, 100, 160, 180 и 200 циклов нагружения После предварительных циклических воздействий образец-панель был испытан на статическое растяжение. Диаграмма нагружения построена аналогичным способом - по данным видеосистемы (рис. 7). Рис. 7. Диаграмма нагружения образца-панели при растяжении после предварительных циклических воздействий В ходе нагружения образца-панели визуально отмечалось развитие трещины - отслоения по краю зоны ремонта. На рис. 8 приведены поля поперечных и продольных деформаций и температур, соответствующие отмеченным на диаграмме нагружения точкам. Анализируя участки 1-2 и 2-3 на диаграмме (см. рис. 7), можно сделать вывод о постепенном росте трещины. Точка 3 соответствует максимальной нагрузке 70 кН, далее происходил динамический долом. Показано, что несущая способность образца с нанесенным дефектом на 30 % ниже, чем образца без дефекта [2]. Циклические нагружения по описанным режимам привели к дополнительному снижению несущей способности на 10 %. а б в Рис. 8. Поля деформаций εхх, εyy и термограммы на поверхности образца в ходе испытания на статическое растяжение после предварительных циклических нагружений: а - соответствует точке 1; б - точке 2; в - точке 3 на диаграмме (см. рис. 7) Выводы Предложенная методика исследования влияния дефектов на остаточную прочность элементов конструкций из композитов на основе совместного использования систем регистраций полей деформаций и температур позволяет получать данные о процессах развития внешних и внутренних дефектов. В частности, она может быть использована для оценки эффективности ремонтно-восстановительных операций, а также для подбора оптимальной рецептуры клеящего слоя. По результатам испытаний зафиксировано дополнительное снижение несущей способности панелей ЗПК после предварительных циклических воздействий. Следовательно, для эффективной оценки ремонтно-восстановительных операций конструкций из композитов целесообразно учитывать не только результаты испытаний на статическое растяжение, но и предварительные циклические воздействия в рабочих диапазонах нагружения. Следует отметить необходимость проведения дополнительных испытаний для оценки влияния предварительных циклических воздействий, статистического разброса, а также размера допустимого дефекта и, соответственно, площади зоны ремонта.

About the authors

D S Lobanov

Perm National Research Polytechnic University

V E Wildemann

Perm National Research Polytechnic University

E M Spaskova

Perm National Research Polytechnic University

A I Chikhachev

Perm National Research Polytechnic University

References

Statistics

Views

Abstract - 320

PDF (Russian) - 156