ESTIMATING PARAMETERS OF PERMISSIBLE DEFECTS IN STRUCTURAL FIBERGLASS BASED ON THEORY OF CRITICAL DISTANCES

Abstract


In the process of manufacturing products from composite materials, many defects can occur: cracks, chips, scratches, dents, impact defects, air macro inclusions, and others. Such defects can significantly reduce both the static and fatigue resistance of structures. The purpose of this work is to determine the size of defects that do not affect the strength characteristics of products made of STEF composite material using the point and linear approaches of the theory of critical distances. In the course of the work, a series of tensile tests were carried out on flat specimens of STEF structural fiberglass for electrical purposes. In addition to the experiment, numerical simulation of the tensile processes of these specimens was also carried out. The studied specimens were strips without stress concentrators and with a concentrator in the form of V-shaped notches with different rounding radii at the concentrator top and notch depth. The results obtained were used to determine the material constants according to the theory of critical distances. In this case, two approaches of the theory of critical distances were used, i.e. linear and point ones. To analyze the experimental results, finite element models were built using the ANSYS software package; and numerical simulation was carried out, which resulted in the obtained linearized maximum principal stresses on the central line passing through the top of the stress concentrator. Based on the results of the work, the values of the critical distances of the composite were determined, obtained by using the point and linear methods. On the basis of the data obtained, the sizes of permissible defects in the studied fiberglass were established, which do not affect the strength characteristics of the material. The results obtained can be used to predict the strength characteristics of real products with a complex geometry, as well as to diagnose damaged structural elements.

Full Text

В процессе производства изделий из композитных материалов может возникнуть множество дефектов: трещины, сколы, царапины, вмятины, дефекты ударного характера, воздушные макровключения и другие. Такие дефекты могут существенно снизить как статическое, так и усталостное сопротивление конструкций. Сущест- вует множество способов повлиять на дефекты (пони- зить поврежденность материала). Например, автомати- зированное управление производственным процессом с помощью искусственного интеллекта, варьирование параметрами производственного процесса и т.д. Поми- мо оптимизации процесса, постобработка также может влиять на дефекты, описанные выше. Например, ло- кальный ремонт, механическая обработка и т.д. Дефек- ты могут быть минимизированы путем оптимизации процесса и/или постобработкой, но не могут быть пол- ностью устранены. Поэтому очень важно понимать, как геометрия и расположение дефекта влияют на механи- ческие свойства [1–6]. Помимо внутренних дефектов, в конструкциях во время их эксплуатации могут возникать некоторые по- вреждения, такие как зазубрины и вмятины. Кроме того, отверстия, канавки и другие сложные конструктивные элементы также действуют как концентраторы напря- жений. Следовательно, помимо определения критиче- ского размера дефекта, также важно прогнозировать усталостное поведение деталей с концентрацией на- пряжений. Для этого можно использовать простой метод «го- рячей точки», основанный на максимальном пиковом напряжении у основания надреза. Однако практика по- казывает, что это слишком консервативно. Чтобы ре- шить эту проблему, Neuber [6] и Peterson [7] предложи- ли линейный метод (LM) и точечный метод (PM) соот- ветственно с идеей, что критический объем материала должен подвергаться критическому напряжению для возникновения усталостного разрушения. Дальнейшее развитие этих методов было проведено Tanaka [8], Lazzarin и соавт. [9]. Taylor описал семейство таких свя- занных методов как теорию критических расстояний (TCD) [10]. Общей особенностью является использова- ние параметра (критического расстояния), зависящего от материала. Классическая TCD исходит из предположения о том, что прочность компонентов с надрезом может быть оценена путем анализа поля линейно-упругих напряже- ний, действующих в окрестности концентратора напря- жений. В работе [11] была рассмотрена модификация классической теории критического расстояния на слу- чай упругопластического поведения материала, в ре- зультате чего удалось повысить точность прогнозиро- вания. В работах [12; 13] также было показано, что TCD можно использовать для прогнозирования статического разрушения материалов, содержащих различные концентраторы напряжений. Более того, в работе [14] про- демонстрировано, что теория критических расстояний пригодна для прогнозирования прочности материалов с надрезом, подвергающихся динамическому нагружению. В настоящее время TCD успешно применяется ис- следователями для прогнозирования прочности / ресур- са широкого спектра различных материалов: металлов, сплавов, композитов, бетона и т.п. [10; 15–17]. Более того, TCD можно комбинировать с различными подхо- дами: например, с критерием плотности энергии де- формации [18] и т.д. Однако следует также отметить статьи Lanning et al. [19; 20], Yamashita et al. [21] и Wang et al. [22]. Данные работы сосредоточены на ис- следовании эффекта размера критического расстояния. При этом отмечаются некоторые проблемы при приме- нении метода к небольшим надрезам и больших значе- ниях коэффициента асимметрии цикла нагружения. В этом случае могут быть использованы некоторые мо- дификации TCD, представленные в работах [10; 23; 24]. Существует ряд различных подходов, которые были приняты для использования TCD для анализа данных экспериментов и для прогнозирования. В принципе, необходимые параметры (критическое расстояние и напряжение) могут быть получены из результатов экс- периментов, проведённых только на двух типах образ- цов, например, на простом образце (без надреза) и об- разце с надрезом или на двух образцах с разными над- резами. В обычной TCD критическое расстояние – это па- раметр материала, который зависит только от коэффи- циента асимметрии и количества циклов до разруше- ния. В статье [25] показано, что дефекты, размер кото- рых значительно меньше критического расстояния, можно считать безвредным для рассматриваемого ме- ханизма разрушения, но помимо расчетных значений авторы зачастую приводят экспериментальные данные, подтверждающие результаты расчетов, что на практике показывает применимость теории критических расстоя- ний. Таким образом, TCD можно использовать для про- гнозирования не только механического поведения тел с концентрацией напряжений, но и для определения кри- тического размера дефекта при различных условиях нагружения. Значения критического расстояния корре- лируют с микроструктурой материала, поэтому этот подход, вероятно, можно было бы распространить на композитные материалы с различными ячейками пе- риодичности. Также следует отметить некоторые аль- тернативные методы: модели «внедренной трещины» и «воображаемой трещины»; подходы, фокусирующиеся на зонах перед трещиной, методы номинального напря- жения, методы локального напряженно-деформиро- ванного состояния, подходы на основе взвешенных па- раметров и другие. Более детальные обзоры представ- лены в работах [30; 31]. Целью данной работы является определение мини- мальных размеров дефектов, не влияющих на прочно- стные характеристики изделий из композитного мате- риала СТЭФ, с использованием точечного и линейного подходов TCD.

About the authors

M. N Mullahmetov

Perm National Research Polytechnic University

D. S Lobanov

Perm National Research Polytechnic University

V. A Melnikova

Perm National Research Polytechnic University

A. S Yankin

Nazarbayev University

References

  1. Tashkinov M.A. Modelling of fracture processes in laminate composite plates with embedded delamination // Frattura ed Integrità Strutturale. – 2017. – Vol. 39. – P. 248–262; doi: 10.3221/IGF-ESIS.39.23
  2. Repair of damage in aircraft composite sound-absorbing panels / A.N. Anoshkin, V.Yu. Zuiko, M.A. Tashkinov, V.V. Sil- berschmidt // Composite Structures. – 2015. – Vol. 120. – P. 153– 166. doi: 10.1016/j.compstruct.2014.10.001
  3. Cantwell W.J., Morton J. The significance of damage and defects and their detection in composite materials: a review // The Journal of Strain Analysis for Engineering Design. – 1992. – Vol. 27(1). – P. 29–42.
  4. Armstrong K.B., Cole W., Bevan G. Care and repair of advanced composites. – London: SAE International, 2005.
  5. Evaluation of Repair Efficiency in Structures Made of Fibrous Polymer Composite Materials / A.N. Anoshkin [et al.] // Mechanics of Composite Materials. – 2014. – Vol. 50, № 3. – P. 311–316.
  6. Strungar E., Lobanov D., Wildemann V. Evaluation of the Sensitivity of Various Reinforcement Patterns for Structural Carbon Fibers to Open Holes during Tensile Tests // Polymers. – 2021. – Vol. 13, № 24. – P. 4287.
  7. Neuber H. Theory of notch stresses: principles for exact calculation of strength with reference to structural form and material. 2nd ed. – Berlin: Springer Verlag, 1958.
  8. Peterson R.E. Notch sensitivity / Sines G., Waisman J.L., editors // Metal fatigue. – New York: McGraw Hill, 1959. – P. 293–306.
  9. Tanaka K. Engineering formulae for fatigue strength reduction due to cracklike notches // Int. J. Fract., 1983. – Vol. 22. – P. 39–45. doi: 10.1007/BF00942722
  10. Lazzarin P., Tovo R., Meneghetti G. Fatigue crack initiation and propagation phases near notches in metals with low notch sensitivity // Int J Fatigue. – 1997. – Vol. 19. – P. 647–57. doi: 10.1016/S0142-1123(97)00091-1
  11. Taylor D. The theory of critical distances: a new perspective in fracture mechanics. – Oxford, UK: Elsevier, 2007. doi: 10.1016/B978-0-08-044478-9.X5000-5
  12. A comparison of the two approaches of the theory of critical distances based on linear-elastic and elasto-plastic analyses IOP Conf. / A.I. Terekhina [et al.] // Ser.: Mater. Sci. Eng. – 2017. – Vol. 208. – P. 012042. doi: 10.1088/1757-899X/208/1/012042
  13. Susmel L., Taylor D. The Theory of Critical Distances to estimate the static strength of notched samples of Al6082 loaded in combined tension and torsion. Part I: Material cracking behavior // Engineering Fracture Mechanics. – 2010. – Vol. 77. – P. 452–469.
  14. Susmel L., Taylor D. The Theory of Critical Distances to estimate the static strength of notched samples of Al6082 loaded in combined tension and torsion. Part II: Multiaxial static assessment. Engineering Fracture Mechanics. – 2010. – Vol. 77. – P. 470–478.
  15. On the use of the critical distance concept to estimate tensile strength of notched components under dynamic loading and physical explanation theory / A. Vedernikova, A. Kostina, O. Ple- khov, A.M. Bragov // Theoretical and Applied Fracture Mechanics. – 2019. – Vol. 103. – P. 102280. doi: 10.1016/j.tafmec.2019.102280
  16. Taylor D. “On the application of the Theory of Critical Distances for prediction of fracture in fibre composites” // Frattura ed Integrità Strutturale. – 2009. – Vol. 4(11). – P. 3–9. doi: 10.3221/IGF-ESIS.11.01
  17. Alanazi N., Susmel L. The Theory of Critical Distances to Predict Static and Dynamic Strength of Notched Plain Concrete under Mixed-Mode I/II Loading // Procedia Structural Integrity. – 2020. – Vol. 28. – P. 886–895.
  18. Benedetti M., Santus C. Notch fatigue and crack growth resistance of Ti-6Al-4V ELI additively manufactured via selective laser melting: A critical distance approach to defect sensitivity // Int J Fatigue. – 2019. – Vol. 121. – P. 281–292. doi: 10.1016/j.ijfatigue.2018.12.020
  19. Theory of critical distance combined with the generalized strain energy density criterion for mixed mode fracture assessment of PMMA dental materials / Bahador Bahrami, Majid R. Ayatollahi, Saeid Ghoulia // Procedia Structural Integrity. – 2020. – Vol. 28. – P. 829–835. doi: 10.1016/j.prostr.2020.10.097
  20. Nicholas R. Gates, Ali Fatemi Multiaxial variable amplitude fatigue life analysis using the critical plane approach, Part II: Notched specimen experiments and life estimations // Int J Fatigue. – 2018. – Vol. 106. – P. 56–69. doi: 10.1016/j.ijfatigue.2017.09.009
  21. Lanning D., Nicholas T., Haritos G. On the use of critical distance theories for the prediction of the high cycle fatigue limit stress in notched Ti-6Al-4V // Int J Fatigue. – 2005. – Vol. 27. – P. 45–57. doi: 10.1016/j.ijfatigue.2004.06.002
  22. Lanning D., Nicholas T., Palazotto A. HCF notch predictions based on weakest-link failure models // Int J Fatigue. – 2003. – Vol. 25. – P. 835–841. doi: 10.1016/S0142-1123(03)00156-7
  23. Fatigue life prediction of small notched Ti-6Al-4V specimens using critical distance / Y. Yamashita, Y. Ueda,
  24. H. Kuroki, M. Shinozaki // Engineering Fracture Mechanics. – 2010. – Vol. 77(9). – P. 1439–1453. doi: 10.1016/j.engfracmech.2010.04.001
  25. Wang J., Yang X. HCF strength estimation of notched Ti- 6Al-4V specimens considering the critical distance size effect // Int J Fatigue. – 2012. – Vol. 40. – P. 97–104. doi: 10.1016/j.ijfatigue.2011.12.019
  26. Susmel L., Taylor D. A novel formulation of the theory of critical distances to estimate lifetime of notched components in the medium-cycle fatigue regime // Fatigue Fract Engng Mater Struct. – 2007. – Vol. 30(7). – P. 567–581. doi: 10.1111/j.1460- 2695.2007.01122.x
  27. Taylor D. Applications of the Theory of Critical Distances in Failure Analysis. Engineering Failure Analysis. – 2010. doi: 10.1016/j.engfailanal.2010.07.002
  28. Recent advances on notch effects in metal fatigue: A review / Ding Liao, Shun Peng, Zhu José A.F.O. Correia, Abílio
  29. M.P. De Jesus, Filippo Berto // Fatigue Fract Engng Mater Struct. – 2020. – Vol. 43(4). – P. 637–659. doi: 10.1111/ffe.13195
  30. Lobanov D.S., Yankin A.S., Berdnikova N.I. Statistical evaluation of the effect of hygrothermal aging on the interlaminar shear of GFRP // Frattura ed Integrità Strutturale. – 2022. – Vol. 60. – P. 146–157. doi: 10.3221/IGF-ESIS.60.11
  31. Strungar E.M., Lobanov D.S. Mathematical data processing according to digital image correlation method for polymer composites // Frattura ed Integrità Strutturale. – 2020. – Vol. 54. – P. 56–65. doi: 10.3221/IGF-ESIS.54.04
  32. Application of the Theory of Critical Distances to predict the effect of induced and process inherent defects for SLM Ti-6Al- 4V in high cycle fatigue / B. Gillham, A. Yankin, F. McNamara C. Tomonto, D. Taylor, R. Lupoi // CIRP Annals. – 2021. – Vol. 70, iss. 1. – P. 171–174. doi: 10.1016/j.cirp.2021.03.004
  33. The Analysis of Small-Scale Notches on the Fatigue Perfor- mance of SLM Ti-6Al-4V; A Theory of Critical Distances Approach / B. Gillham, A. Yankin, H. Shipley, F. McNamara, C. Tomonto, G. O’Donnell, D. Trimble, S. Yin, D. Taylor, R. Lupoi // Key Engineer- ing Materials. – 2022. – Vol. 926. – P. 250–267. doi: 10.4028/p-h0iap

Statistics

Views

Abstract - 148

PDF (Russian) - 89

Cited-By


PlumX


Copyright (c) 2023 Mullahmetov M.N., Lobanov D.S., Melnikova V.A., Yankin A.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