FATIGUE SENSITIVITY OF GFRP UNDER PROPORTIONAL CYCLIC TENSION WITH TORSION

Abstract


The constructions made of composite materials are subjected to cyclic, dynamic, vibration and other loads in operations related to damage accumulation and degradation of progressive mechanical characteristics. Thus it is important to conduct experimental and theoretical studies of the combined impact effects on the change in the mechanical characteristics of the material. In this case, it is necessary to take into account the complex stress state realized in the structures. This work deals with an experimental study of the degradation patterns of the stiffness characteristics of fiberglass tubular specimens obtained by continuous winding as fatigue damage accumulates due to biaxial proportional cyclic loading. The methodological aspects of realization of biaxial loading are considered. Quasi-static and fatigue tests were performed on specimens with different winding angles under uniaxial tension, torsion, and proportional tension, i.e. torsion with three different ratios of the normal and shear stress tensor components. The presence of a decreasing region in the torsional load diagrams has been revealed. Strength surfaces are constructed. By using the approximation of the fatigue sensitivity curves previously developed by the authors, we process the experimental data on the decrease in the dynamic modulus of elasticity as the number of cycles of exposure increases. The high descriptive ability of the developed model and the low values of the variation coefficients of the calculated parameters were noted. Nonmonotonic dependences of model parameters on the type of stress state are revealed. A significant influence of the winding angle on the fatigue sensitivity of the composite has been found. We have made the conclusion about necessity of taking into account the decrease of mechanical characteristics of materials in calculations of constructions and rationality of further experimental researches for verification of earlier developed models.

Full Text

Использование современных полимерных компози- ционных материалов вместо традиционных металлов и сплавов в ответственных деталях и узлах конструкций позволяет решать проблему снижения массы при сохра- нении высокого уровня физико-механических характе- ристик, что наиболее актуально для гражданской авиа- ции, судостроения, строительства, автомобилестроения, а также нефтегазохимической промышленности [1–10]. При этом важно учитывать, что каждое динамическое, циклическое либо вибрационное воздействие, даже ма- лой интенсивности и продолжительности, может приве- сти к существенному изменению механических характе- ристик материала, что, в свою очередь, вызывает значи- тельное снижение ресурса изделий из композитов. Данные особенности должны быть учтены при проекти- ровании конструкций. Большое число работ посвящено изучению законо- мерностей изменения прочностных и жесткостных харак- теристик полимерных композиционных материалов, под- верженных одноосным циклическим воздействиям [11– 15]. Однако в подверженных циклическим воздействиям конструкциях чаще всего реализуется сложное напря- женно-деформированное состояние, характеризующееся различными соотношениями амплитуд компонент тен- зора напряжений [16–20], углами сдвига фаз между мо- дами нагружения [21], соотношениями частот [21], сред- ними напряжениями в цикле [22–25]. Следовательно, необходимо исследовать влияние поврежденности, накоп- ленной вследствие многоосной усталости, на изменение механических характеристик материала. Современные испытательные системы позволяют реализовывать многоосное циклическое воздействие пу- тем нагружения крестообразных образцов по двум орто- гональным осям, растяжения трубчатых образцов при наличии внутреннего давления, совместного кручения с изгибом трубчатых образцов, а также совместного рас- тяжения – сжатия с кручением [26–37]. Результаты ис- следований, посвященных изучению деградации меха- нических характеристик конструкционных полимерных композитов в условиях двухосных циклических воздей- ствий, представлены в работах [38–40]. Отмечена про- блема надежного крепления трубчатых образцов в захва- тах испытательных систем [41]. Полученные экспериментально зависимости оста- точных прочностных и жесткостных характеристик ма- териала от продолжительности предварительного цикли- ческого воздействия представимы в виде так называе- мых диаграмм усталостной чувствительности [42–45]. В некоторых случаях кривая усталостной чувствитель- ности представляется в виде зависимости динамического модуля упругости от числа циклов воздействия в относи- тельных координатах [42; 45]. Как правило, получаемые диаграммы имеют три характерные стадии: I – стадия инициации, характеризующаяся быстрым снижением остаточной прочности и жесткости при малой продолжи- тельности циклического воздействия; II – протяженная (≈60–85 % от долговечности) стадия стабилизации, соот- ветствующая медленному снижению остаточных механи- ческих характеристик; III – стадия обострения, на которой происходит резкое снижение механических характери- стик, приводящее к макроразрушению образца. Границы перехода между данными стадиями могут быть опреде- лены по точкам, в которых угол наклона касательной к кривой усталостной чувствительности достигает значе- ния, характерного для данного класса материала [44]. Существуют различные модели, позволяющие ап- проксимировать полученные экспериментально диа- граммы усталостной чувствительности. В частности, одна из широко используемых моделей была предложена Мао и Махадеваном [46]; в ней аппроксимация проводится двумя степенными функциями. Авторами данной работы было отмечено, что вид кривых усталостной чувствитель- ности напоминает интегральные функции распределения вероятности. На основе этого были разработаны две мо- дели, основанные на использовании закона распределения Вейбулла и бета-распределения [42]. Верификация пере- численных трех моделей была проведена в работах [45; 47], наилучшей описательной способностью обладала ап- проксимация, соответствующая интегральной функции распределения вероятности Вейбулла. Данная работа посвящена исследованию закономер- ностей деградации жесткостных характеристик компо- зитных трубок, полученных методом непрерывной про- дольно-поперечной намотки, по мере накопления повре- ждений вследствие двухосного пропорционального циклического растяжения с кручением. Целью работы является получение новых экспериментальных данных и верификация ранее разработанной модели усталостной чувствительности с выявлением связи между парамет- рами аппроксимации и видом сложного напряженного состояния в цикле нагружения.

About the authors

V. E. Wildemann

Perm National Research Polytechnic University

O. A. Staroverov

Perm National Research Polytechnic University

A. I. Mugatarov

Perm National Research Polytechnic University

A. M. Kuchukov

Perm National Research Polytechnic University

References

  1. Luinge H., Warnet L.L. On an application of multi-material composite laminates in the aerospace sector // Advanced Composites and Hybrid Materials. – 2020. – Vol. 3. – P. 294–302. doi: 10.1007/s42114-020-00163-3
  2. Srinivasan V., Kunjiappan S., Palanisamy P. A brief review of carbon nanotube reinforced metal matrix composites for aerospace and defense applications // International nano letters. – 2021. – Vol. 11. – P. 321–345. doi: 10.1007/s40089-021-00328-y
  3. Alfa fiber-polyurethane composite as a thermal and acoustic insulation material for building applications / S. Sair, S. Mansouri, O. Tanane, Y. Abbound, A. El Bouari // SN Applied Sciences. – 2019. – Vol. 1. doi: 10.1007/s42452-019-0685-z
  4. Wang Z., Song K. Application of building block approach on crashworthiness design of composite vehicular structures // Fibers and Polymers. – 2022. – Vol. 23. – P. 1701–1712. doi: 10.1007/s12221-022-4887-4
  5. Композиционные материалы на основе поливинилпир- ролидона и фосфатов кальция для медицины / И.В. Фадеева, А.С Фомин, Г.А. Давыдова, И.И. Селезнева, Е.С. Трофимчук, С.М. Баринов // Материаловедение. – 2021. – № 1. – С. 31–36. doi: 10.31044/1684-579X-2021-0-1-31-36
  6. Композиционные цементные материалы на основе суль- фата и фосфата кальция для медицины / В.В. Смирнов, С.М. Баринов, М.А. Гольдберг, О.С. Антонова, Д.Р. Хайрутди- нова // Доклады Академии наук. – 2018. – Т. 483, № 2. – С. 162–165. doi: 10.31857/S086956520003473-3
  7. Samipour S.A., Khaliulin V.I., Batrakov V.V. Development of the technology of manufacturing aerospace composite tubular elements by radial braiding // Journal of Machinery Manufacture and Reliability. – 2018. – Vol. 47. – P. 284–289. doi: 10.3103/S1052618818030135
  8. Incombustible, inorganic fiber-reinforced composites for shipbuilding / S. Backens, J. Unseld, N. Glück, A. Wolter // Lightweight Design worldwide. – 2019. – Vol. 12. – P. 38–43. doi: 10.1007/s41777-019-0059-7
  9. Биоразлагаемые наноструктурированные композиты для хирургии и регенеративной медицины / В.А. Демина, Н.Г. Седуш, Е.Н. Гончаров, С.В. Крашенинников, А.Е. Крупнин, Н.Г. Гончаров, С.Н. Чвалун // Российские нанотехнологии. – 2021. – Т. 16, № 1. – С. 4–22. doi: 10.1134/S1992722321010040
  10. Synthesis and applications of nano-MgO and composites for medicine, energy, and environmental remediation: a review / M. Chinthala, A. Balakrishnan, P. Venkataraman, R. Polagani, V.M. Gowtham // Environmental Chemistry Letters. – 2021. – Vol. 19. – P. 4415–4454. doi: 10.1007/s10311-021-01299-4
  11. Nadjafi M., Gholami P. Reliability study of notched composite laminates under uniaxial loading based on continuum damage mechanics approach // Iranian Journal of Science and Technology. – 2022. – Vol. 46. – P. 911–925. doi: 10.1007/s40997-021-00458-w
  12. Изменение межслоевой прочности и вязкости разруше- ния углерод-углеродного композиционного материала под дей- ствием циклических нагрузок / А.А. Степашкин, Д.Ю. Ожерел- ков, Ю.Б. Сазонов, А.А. Комиссаров, В.В. Мозалев // Материа- ловедение. – 2018. – № 6. – С. 37–43.
  13. Стрижиус В.Е. Прогнозирование деградации остаточ- ной прочности при циклическом нагружении слоистых компо- зитов // Механика композитных материалов. – 2022. – Т. 58, № 4. – С. 757–770. doi: 10.22364/mkm.58.4.06
  14. Evaluation of the influence of preliminary low-velocity impacts on the residual fatigue life of CFRP composites / O. Staroverov, D. Lobanov, E. Strungar, E. Lunegova // International Journal of Structural Integrity. – 2023. – Vol. 14. – P. 44–56. doi: 10.1108/IJSI-04-2022-0056
  15. A multiaxial fatigue damage model based on constant life diagrams for polymer fiber-reinforced laminates / A. Elkin, V. Gaibel, D. Dzhurinskiy, I. Sergeichev // Polymers. – 2022. – Vol. 14. doi: 10.3390/polym14224985
  16. Influence of additional static stresses on biaxial low-cycle fatigue of 2024 aluminum alloy / A. Yankin, A. Lykova, A. Mugatarov, V. Wildemann, A. Ilinykh // Frattura ed Integrità Strutturale. – 2022. – Vol. 16. – P. 180–193. doi: 10.3221/IGF-ESIS.62.13
  17. Biaxial fatigue behavior of gradient structural purity titanium under in-phase and out-of-phase loading / Q. Wang, C. Xin, Q. Sun, L. Xiao, J. Sun // International Journal of Fatigue. – 2018. – Vol. 116. – P. 602–609. doi: 10.1016/j.ijfatigue.2018.07.015
  18. Zhang J., Shi X., Fei B. High cycle fatigue and fracture mode analysis of 2A12-T4 aluminum alloy under out-of-phase axial-torsion constant amplitude loading // International Journal of Fatigue. – 2012. – Vol. 38. – P. 144–154. doi: 10.1016/j.ijfatigue.2011.12.017
  19. Wang Y., Yao W. A multiaxial fatigue criterion for various metallic materials under proportional and nonproportional loading // International Journal of Fatigue. – 2006. – Vol. 28. – P. 401–408. doi: 10.1016/j.ijfatigue.2005.07.007
  20. Pejkowski L., Skibicki D., Seyda J. Stress-strain response and fatigue life of a material subjected to asynchronous loadings // AIP Conference Proceedings. – 2018. – Vol. 2028. doi: 10.1063/1.5066406
  21. Yankin A., Mugatarov A., Wildemann V. Influence of different loading paths on the multiaxial fatigue behavior of 2024 aluminum alloy under the same amplitude values of the second invariant of the stress deviator tensor // Frattura ed Integrità Strutturale. – 2020. – Vol. 15. – P. 327–335. doi: 10.3221/IGF-ESIS.55.25
  22. Skibicki D., Pejkowski L. Low-cycle multiaxial fatigue behaviour and fatigue life prediction for CuZn37 brass using the stress-strain models // International Journal of Fatigue. – 2017. – Vol. 102. – P. 18–36. doi: 10.1016/j.ijfatigue.2017.04.011
  23. Gates N.R., Fatemi A. On the consideration of normal and shear stress interaction in multiaxial fatigue damage analysis // International Journal of Fatigue. – 2017. – Vol. 100. – P. 322–336. doi: 10.1016/j.ijfatigue.2017.03.042
  24. Gu A., Luo Y., Xu B. Continuous condition monitoring of reinforced concrete using an active diagnosis method // Structural Health Monitoring. – 2016. – Vol. 15. – P. 104–111. doi: 10.1177/1475921715624501
  25. Papuga J., Halama R. Mean stress effect in multiaxial fatigue limit criteria // Archive of Applied Mechanics. – 2018. – P. 1–12. doi: 10.1007/s00419-018-1421-7
  26. Sines G. Failure of materials under combined repeated stresses with superimposed static stress // Washington. National Advisory Committee for Aeronautics. – 1955.
  27. Strengthening of cruciform sample arms for large strains during biaxial stretching / G. Mitukiewicz, M. Głogowski, J. Stelmach, J. Leyko, Z. Dimitrova, D. Batory // Materials Today Communications. – 2019. – Vol. 21. doi: 10.1016/j.mtcomm.2019.100692
  28. Арутюнян А.Р. Критерий усталостной прочности компо- зиционных материалов // Доклады Академии наук. – 2019. – Т. 488, № 5. – С. 488–492. – doi: 10.31857/S0869-56524885488-492
  29. Multiaxial fatigue experiments for elastomers based on true strain invariants / E. Le Mire, E. Verron, B. Huneau, N. Seller // Journal of Rubber Research. – 2021. – Vol. 24. – P. 227–236. doi: 10.1007/s42464-021-00088-6
  30. Guptha V.L.J., Sharma R.S. Experimental studies on strength behaviour of notched glass/epoxy laminated composites under uni-axial and bi-axial loading // Journal of The Institution of Engineers (India): Series A. – 2019. – Vol. 100. – P. 75–81. doi: 10.1007/s40032-017-0413-7
  31. Aroo H., Azadi M., Azadi M. Corrosion effects on highcycle fatigue lifetime and fracture behavior for heat‐treated aluminum‐ matrix nano‐clay‐composite compared to piston aluminum alloy // Silicon. – 2022. – Vol. 14. – P. 3749–3763. doi: 10.1007/s12633-021-01129-w
  32. Tasdemir B., Pellegrino A., Tagarielli V. A strategy to formulate data-driven constitutive models from random multiaxial experiments // Scientific Reports. – 2022. – Vol. 12. doi: 10.1038/s41598-022-26051-y
  33. Bauer R., Neukamm S., Schäffner M. Derivation of a homogenized bending–torsion theory for rods with micro-heterogeneous prestrain // Journal of Elasticity. – 2020. – Vol. 141. – P. 109– 145. doi: 10.17877/DE290R-21954
  34. A multiscale experimental analysis of mechanical properties and deformation behavior of sintered copper–silicon carbide composites enhanced by high-pressure torsion / S. Nosewicz, P. Bazarnik, M. Clozel, L. Kurpaska, P. Jenczyk, D. Jarzabek, M. Chmielewski, B. Romelczyk-Baishya, M. Lewandowska, Z. Pakiela, Y, Huang, T.G. Langdon // Archives of Civil and Mechanical Engineering. – 2021. – Vol. 21. doi: 10.1007/s43452-021-00286-4
  35. Quaresimin M., Carraro P.A. On the investigation of the biaxial fatigue behaviour of unidirectional composites // Composites Part B: Engineering. – 2013. – Vol. 54. – P. 200–208. doi: 10.1016/j.compositesb.2013.05.014.
  36. Multiaxial fatigue life prediction of composite laminates / W. Jingmeng, M. Tong, W. Weidong, W. Shaodong // Chinese Journal of Aeronautics. – 2021. – Vol. 34, is. 12. – P. 227–237. doi: 10.1016/j.cja.2020.06.016
  37. Fatigue damage behavior in carbon fiber polymer composites under biaxial loading / T. Skinner, S. Datta, A. Chattopadhyay, A. Hall // Composites Part B: Engineering. – 2019. – Vol. 174. doi: 10.1016/j.compositesb.2019.106942
  38. Kawakami H., Fujii T.J., Morita Y. Fatigue degradation and life prediction of glass fabric polymer composite under tension/torsion biaxial loadings // The Journal of Reinforced Plastics and Composites. – 1996. – Vol. 15. – P. 183–195. doi: 10.1177/073168449601500204
  39. Quaresimin M., Susmel L., Talreja R. Fatigue behavior and live assessment of composite laminates under multiaxial loadings // International Journal of Fatigue. – 2010. – Vol. 32. – P. 2–16. doi: 10.1016/j.ijfatigue.2009.02.012
  40. Torsion damage mechanisms analysis of two-dimensional braided composite tubes with digital image correction and X-ray micro- computed tomography / Y. Gu, D. Zhang, Z. Zhang, J. Sun, S. Yue, G. Li, K. Qian // Composite structures. – 2021. – Vol. 256. doi: 10.1016/j.conbuildmat.2020.118848
  41. Полилов А.Н., Арутюнова А.С., Татусь Н.А. Влияние концентрации напряжений вблизи захватов на прочность ком- позитов при растяжении // Заводская лаборатория. Диагно- стика материалов. – 2020. – Т. 86, № 11. – С. 48–59. doi: 10.26896/1028-6861-2020-86-11-48-59
  42. Description of fatigue sensitivity curves and transition to critical states of polymer composites by cumulative distribution functions / V.E Wil'deman, O.A. Staroverov, A.S. Yankin, A.I. Mugatarov // Frattura ed Integrità Strutturale. – 2023. – Vol. 17, no. 63. – P. 91–99. doi: 10.3221/IGF-ESIS.63.09
  43. Random fatigue damage accumulation analysis of composite thin-wall structures based on residual stiffness method / Z. Wu, G. Fang, M. Fu, X. Chen, J. Liang, D. Lv // Composite structures. – 2019. – Vol. 211. – P. 546–556. doi: 10.1016/j.compstruct.2019.01.018
  44. Wil’deman V.E., Staroverov O.A., Lobanov D.S. Diagram and parameters of fatigue sensitivity for evaluating the residual strength of layered GFRP composites after preliminary cyclic loadings // Mechanics of Composite Materials. – 2018. – Vol. 54. – P. 313–320. doi: 10.1007/s11029-018-9741-9
  45. Mechanical properties degradation of fiberglass tubes during biaxial proportional cyclic loading / V. Wildemann, O. Staroverov, E. Strungar, A. Mugatarov, A. Kuchukov // Polymers. – 2023. – Vol. 15. doi: 10.3390/polym15092017
  46. Mao H., Mahadevan S. Fatigue damage modelling of composite materials // Composite structures. – 2002. – Vol. 58. – P. 405–410.
  47. Mugatarov A., Staroverov O., Wildemann V. Influence of loading conditions on GFRP fatigue sensitivity curves parameters and transition to critical states // Procedia structural integrity. – 2023. – Vol. 45. – P. 654–659.
  48. Stability of postcritical deformation of CFRP under static ±45° tension with vibrations / V.E Wildemann, O.A. Staroverov, E.M. Strungar, E.M. Lunegova, A.I. Mugatarov // Polymers. – 2022. – Vol. 14. doi: 10.3390/polym14214502
  49. Полилов А.Н., Татусь Н.А. Экспериментальное обосно- вание критериев прочности волокнистых композитов, проявля- ющих направленный характер разрушения // Вестник Перм- ского национального исследовательского политехнического университета. Механика. – 2012. – № 2. – С. 140–166.

Statistics

Views

Abstract - 196

PDF (Russian) - 133

Cited-By


PlumX


Copyright (c) 2023 Wildemann V.E., Staroverov O.A., Mugatarov A.I., Kuchukov A.M.

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