REGULARITIES OF FATIGUE FAILURE TYPICAL COMPOSITE FLANGE

Abstract


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.

Full Text

В настоящее время полимерные композиционные материалы (ПКМ) используются в качестве конструкционного материала во многих отраслях: аэрокосмической технике, автомобиле- и судостроении, изделиях медицинского и спортивного назначения. Широкое применение нашли слоистые углепластики на основе эпоксидного связующего, армированные углеродным волокном (CFRP – Carbon Fibre Reinforced Plastics). Их высокая конкурентоспособность обусловлена сопоставимой с металлами прочностью и жесткостью при значительно меньшем удельном весе, что особенно важно в аэрокосмических конструкциях. Из слоистых углепластиков изготавливают, в частности, элементы конструкции самолетов и авиационных двигателей [1–3]. Применение ПКМ в высоконагруженных элементах конструкций предполагает наличие надежных данных о механических характеристиках материалов, понимание механизмов их разрушения в условиях эксплуатации с учетом влияния конструктивных и технологических факторов. Одной из важнейших задач, возникающих при разработке деталей и узлов из ПКМ, является обеспечение усталостной прочности [4; 5]. В наибольшей степени это относится к авиационным конструкциям, работающим в условиях длительного циклического нагружения. Закономерности усталостного разрушения ПКМ изучаются уже несколько десятилетий. В работах [5–10] приведены обзоры исследований на эту тему. В настоящее время изучены механизмы усталостного разрушения различных типов ПКМ. Эти механизмы – многостадийные, они сложнее и многообразнее, чем у металлов [6]. В слоистых углепластиках под действием циклических нагрузок процесс разрушения обычно начинается с повреждения в материале матрицы в зонах, где направление главных напряжений ортогонально направлению армирования. Небольшие трещины в матрице по мере усталостной наработки могут привести к расслоениям на границе матрицы и волокна и последующему расслоению ламината. Завершающая стадия разрушения – разрыв армирующих волокон. Другое отличие от металлов состоит в том, что композиты, изготовленные из одних и тех же материалов матрицы и волокон, но с разной объемной долей волокон, разными вариантами плетения и укладки, обладают разной усталостной прочностью [7]. Постепенное накопление усталостных повреждений в ПКМ сопровождается снижением жесткости материала. Падение жесткости выражается, в частности, в снижении собственных частот колебаний образцов и элементов конструкций по мере усталостной наработки. Этот эффект неоднократно исследовали применительно к различным композитам с целью построения модели накопления повреждений и оценки усталостной долговечности [11–18]. В работах [15–18] анализ изменения собственных частот колебаний образцов по мере усталостной наработки использовался для количественной оценки изменения характеристик упругости ламинатов и по мере накопления усталостных повреждений. При разработке деталей и узлов из ПКМ для оценки усталостной долговечности обычно используют пределы выносливости и кривые усталости (S-N-кривые), получаемые при стандартных испытаниях образцов [19; 20]. Известно, однако, что поведение при усталостном нагружении деталей и стандартных образцов неодинаково даже в случае металлов. Для композитов 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 [21–26]. Так, в работе [21] описаны усталостные испытания композитных лопастей ветрогенераторов. Работы [22–24] касаются разработки лопаток ротора и статора вентиляторов крупногабаритных авиационных двигателей. В статьях [25; 26] описаны усталостные испытания Т-образных соединений композитных деталей в авиационных конструкциях. Типичными элементами конструкций из ПКМ являются фланцевые соединения оболочек. Они широко применяются трубопроводах, в аэрокосмической технике, корпусах авиационных двигателей, самолетных конструкциях. Работы [27–30] посвящены обеспечению прочности фланцев из ПКМ. Авторы работы [27] исследовали статическую прочность фланцевого соединения деталей из слоистого углепластика в конструкции вентилятора газотурбинного двигателя. Методом конечных элементов был выполнен расчет напряженно-деформи-рованного состояния фланцев при статическом нагружении. Механизм статического разрушения фланцев, предсказанный расчетами, – расслоение в зоне перехода оболочки к фланцу. В работе [27] этот механизм подтвержден экспериментом. В работах [28; 29] проведены расчеты статического напряженно-деформированного состояния Г-образных фланцев стеклопластиковых оболочек. Расчеты показали, что механизм разрушения таких фланцев – расслоение в зоне перехода наружных слоев оболочки на цилиндрическую часть фланца. Практически нераскрытой в литературе остается проблема усталостной прочности фланцевых элементов конструкций из ПКМ. Настоящая работа посвящена экспериментальному исследованию закономерностей усталостного разрушения фланцев оболочечных корпусных деталей из слоистого углепластика.

About the authors

D. G. Solomonov

Perm National Research Polytechnic University

N. A. Sazhenkov

Perm National Research Polytechnic University

I. P. Konev

Perm National Research Polytechnic University

A. V. Toropicina

UEC-Aviadvigatel

M. Sh. Nikhamkin

Perm National Research Polytechnic University

References

  1. Келли А. Инженерный триумф углеволокон // Компози-ты и наноструктуры. – 2009. – № 1. – С. 38–49.
  2. Каблов Е.Н. ВИАМ: материалы нового поколения для ПД-14 // Крылья Родины. – 2019. – № 7–8. – С. 54–58.
  3. Иноземцев А.А., Нихамкин М.Ш., Сандрацкий В.Л. Основы конструирования авиационных двигателей и энергети-ческих установок. – М.: Машиностроение, 2008. – Т. 2. – 368 с.
  4. Колобков А.С. Полимерные композиционные материа-лы 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
  5. Стрижиус В.Е. Некоторые закономерности усталостно-го разрушения элементов композитных авиаконструкций // Композиты и наноструктуры. – 2016. – Т. 8, № 4. – С. 265–271.
  6. Каримбаев Т.Д. Оценка усталостной долговечности из-делий из композиционных материалов // Авиационные двигате-ли. – 2020. – № 4 (9). – С. 75–93.
  7. The fatigue of carbon fibre reinforced plastics – a review / P. Alam, D. Mamalis, C. Robert, C. Floreani, C.M.Ó. Brádaigh // Composites Part B. – 2019. – Vol. 166. – P. 555–579.
  8. Degrieck J., Van Paepegem W. Fatigue Damage Modelling of Fibre-Reinforced Composite Materials: Review // Applied Me-chanics Reviews. – 2001. – Vol. 54, iss. 4. – P. 279–300.
  9. Sevenois R.D.B., Van Paepegem W. Fatigue Damage Mod-eling Techniques for Textile Composites: Review and Comparison with Unidirectional Composite Modeling Techniques // Applied Mechanics Reviews. – 2015. – Vol. 67, iss. 2. – P. 020802.
  10. Kulkarni P.V., Sawant P.J., Kulkarni V.V. Fatigue life pre-diction and modal analysis of carbon fiber reinforced composites // Advances in Materials and Processing Technologies. – 2018. – Vol. 4, iss. 4. – P. 651–659.
  11. Abo-Elkhier M., Hamada A.A. El-Deen B. Prediction of fa-tigue life of glass fiber reinforced polyester composites using modal testing // International Journal of Fatigue. – 2014. – Vol. 69. – P. 28–35.
  12. 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.
  13. Fatigue life evaluation for carbon/epoxy laminate compo-sites 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.
  14. Nikhamkin M.Sh., Solomonov D.G. Change of the elastic characteristics of a fiber-reinforced laminate as a result of progres-sive fatigue damage// Solid State Phenomena. – 2021. – Vol. 316. – P. 955–960.
  15. Nikhamkin M.S., Solomonov D.G., Voronkov A.A. Exper-imental 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.
  16. Нихамкин М.Ш., Соломонов Д.Г., Зильбершмидт В.В. Идентификация характеристик упругости композита по экспе-риментальным данным о модальных характеристиках образцов // Вестник Пермского национального исследовательского поли-технического университета. Механика. – 2019. – № 1. – С. 108–120.
  17. Nikhamkin M.S., Solomonov D.G. Degradation of elastic characteristics of the CFRP used in the design of a gas turbine en-gine as a result of high-cycle fatigue damage // Journal of Physics: Conference Series. Сер. "International Conference on Aviation Motors, ICAM 2020". – 2021. – P. 012033
  18. ГОСТ 57143-2016. Композиты полимерные. Метод ис-пытания на усталость при циклическом растяжении. – М.: Стандартинформ, 2016. – 16 с.
  19. ASTM Standard D 3479/D 3479M–96 (2007). Test Meth-od for Tension-Tension Fatigue of Polymer Matrix Composite Ma-terials // ASTM International. – 2007. – 6 p.
  20. Quasi-UD glass fibre NCF composites for wind energy ap-plications: 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.
  21. Каримбаев Т.Д., Луппов А.А., Афанасьев Д.В. Рабочие лопаткивентиляторов из углепластика для перспективных дви-гателей. Достижения и проблемы // Двигатель. – 2011. – № 6 (78). – С. 2–7.
  22. 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.
  23. Guseinov K., Kudryavtsev О.A., Sapozhnikov S.B. Effec-tiveness 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.
  24. Расчетно-экспериментальное исследование влияния виброакустических нагрузок на прочность композитного со-единения / 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.
  25. 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.
  26. 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.
  27. Расчет НДС и оценка прочности композитного фланца стеклопластикового кожуха авиационного газотурбинного дви-гателя / 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.
  28. Расчет напряженно-деформированного состояния флан-ца из полимерных композиционных материалов с дефектом в виде расслоения / А.Н. Аношкин, Д.И. Федоровцев, П.В. Писарев, В.М. Осокин // Вестник ПНИПУ. Аэрокосмиче-ская техника. – 2015. – № 43. – С. 116–130.
  29. 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.

Statistics

Views

Abstract - 85

PDF (Russian) - 115

Cited-By


PlumX


Copyright (c) 2023 Solomonov D.G., Sazhenkov N.A., Konev I.P., Toropicina A.V., Nikhamkin M.S.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies