MODELING OF HIGH-RATE HARDENING OF A POLYMER COMPOSITE MATERIAL UNDER LOADING ALONG THE REINFORCEMENT DIRECTION

Abstract


Modeling the high-rate deformation of composite structures is of great interest in the industry. Moreover, some processes such as accidents, explosions and possible impact issues require analysis of composite materials at significantly high deformation rates. The paper considers the possibility of developing a model of deformation of a composite material based on a polymer matrix and carbon fiber taking into account high-rate hardening. A feature of the study is the development of a model that takes into account a wide range of deformation rates from static to several thousand reverse seconds. Thus, tests were carried out with special equipment and samples that allow us to obtain data with such high loading speeds. The model is based on an approach considering the use of damage parameters, the so-called class of models with progressive degradation. The main innovative part of the chosen model is the formalization of the rate of deformation on the material through the damage parameter, that is, the rate of change in damage values is considered. This approach makes it possible to make constitutive relations based only on the damage parameters, which modify the stiffness and strength characteristics of composites, which greatly simplifies the modeling and analysis of material deformation.

Full Text

В последние годы проявляется все больший интерес к использованию композитных материалов в конструкциях, где в экстремальных ситуациях возможно высокоскоростное деформирование. Примерами таких ситуаций могут быть определенные аварийные случаи с сосудами высокого давления, аварийная посадка самолетов, работающих на сниженном топливе [1–4]. Кроме того, существует потребность моделирования пробивания композитной брони, где деформации композитного материала также предельно высоки [5]. Направление работ по экспериментальному исследованию высокоскоростных деформационных характеристик композитных материалов в основном связана с использованием методов на основе метода разрезного стержня Кольского. Многие эффекты скоростного упрочнения показаны, но для относительно небольших скоростей деформирования, что во многом связано с малыми размерами стандартных образцов [6–11]. Другая актуальная тема, где вопросы скоростного деформирования актуальны, это низкоскоростной удар по композиту. При эксплуатации композитных конструкций одним из наиболее уязвимых мест является случайное повреждение ударом (падение инструмента). Притом, что скорости удара низкие, локальные деформации могут быть высоки. В этой области много работ по моделированию и возможность моделировать скоростное упрочнения композитного материала наиболее востребована [12–16]. Во многих работах по моделированию используется понятие поврежденности [17; 18]. В данной работе мы будем использовать именно такой подход, и в качестве параметра повреждения рассматривается степень изменения жесткости материала. Пластическое деформирование предполагается незначительным и не используется в предложенных соотношениях. После любого воздействия материал разгружается в нулевые деформации, хотя при высокой степени поврежденности с очень низким значением модуля упругости. За основу взята модель, предложенная коллективом авторов в работах [19–21], при этом в работе [22] представлена модель именно для скоростного разрушения. Основная цель работы – использовать соотношения из работы [22] для нагружения однонаправленного композита вдоль армирования в более высоком диапазоне скоростей деформирования. В качестве исследуемого материала используется композит на основе связующего фирмы Huntsman LY516 и волокна Т700. Образцы были созданы технологией намотки с процентным содержанием волокна 50 %.

About the authors

B. N. Fedulov

Lomonosov Moscow State University, Skoltech

A. Y. Konstantinov

Research Institute for Mechanics, National Research Lobachevsky State University of Nizhny Novgorod, Skoltech

A. N. Fedorenko

Lomonosov Moscow State University, Skoltech

I. V. Sergeichev

Skoltech

References

  1. Lavrov N. A., Igumenov M. S. A technique for production of high-pressure vessels from polymer-composite materials // Polymer Science, Series D. – 2018. – Vol. 11. – P. 113-116. doi: 10.1134/S1995421218010100
  2. Liu P., Xu P., Zheng J. Artificial immune system for optimal design of composite hydrogen storage vessel // Computational Materials Science. – 2009. – Vol. 47. – No. 1. – P. 261-267. doi: 10.1016/j.commatsci.2009.07.015
  3. Vasiliev V. V. Composite pressure vessels: Analysis, design, and manufacturing. – Bull Ridge Corporation, 2009
  4. Verstraete D. Long range transport aircraft using hydrogen fuel // International journal of hydrogen energy. – 2013. – Vol. 38. – No. 34. – P. 14824-14831. doi: 10.1016/j.ijhydene.2013.09.021
  5. Hsiao H. M., Daniel I. M. Strain rate behavior of composite materials // Composites Part B: Engineering. – 1998. – Vol. 29. – No. 5. – P. 521-533. doi: 10.1016/S1359-8368(98)00008-0
  6. Hsiao H. M., Daniel I. M., Cordes R. D. Dynamic compressive behavior of thick composite materials // Experimental Mechanics. – 1998. – Vol. 38. – No. 3. – P. 172-180. doi: 10.1007/BF02325740
  7. Vogler T.J., Kyriakides S. Inelastic behavior of an AS4/PEEK composite under combined transverse compression and shear. Part I: experiments // International Journal of Plasticity. – 1999. – Vol. 15. – No. 8. – P. 783–806. doi: 10.1016/S0749- 6419(99)00011-X
  8. Koerber H., Xavier J., Camanho P. P. High strain rate characterisation of unidirectional carbon-epoxy IM7-8552 in transverse compression and in-plane shear using digital image correlation // Mechanics of Materials. – 2010. – Vol. 42. – No. 11. – P. 1004– 1019. doi: 10.1016/j.mechmat.2010.09.003
  9. Koerber H., Camanho P. P. High strain rate characterisation of unidirectional carbon–epoxy IM7-8552 in longitudinal compression // Composites Part A: Applied Science and Manufacturing. – 2011. – Vol. 42. – No. 5. – P. 462–470. doi: 10.1016/j.compositesa. 2011.01.002
  10. Kuhn P. et al. Fracture toughness and crack resistance curves for fiber compressive failure mode in polymer composites under high rate loading // Composite Structures. – 2017. – Vol. 182. – P. 164–175. doi: 10.1016/j.compstruct.2017.09.040
  11. Seifoori S., Izadi R., Yazdinezhad A. R. Impact damage detection for small-and large-mass impact on CFRP and GFRP composite laminate with different striker geometry using experimental, analytical and FE methods // Acta Mechanica. – 2019. – Vol. 230. – No. 12. – P. 4417–4433. doi: 10.1007/s00707-019-02506-8
  12. González E. V. et al. Simulation of drop-weight impact and compression after impact tests on composite laminates // Composite Structures. – 2012. – Vol. 94. – No. 11. – P. 3364–3378. doi: 10.1016/j.compstruct.2012.05.015
  13. Hongkarnjanakul N., Bouvet C., Rivallant S. Validation of low velocity impact modelling on different stacking sequences of CFRP laminates and influence of fibre failure // Composite Structures. – 2013. – Vol. 106. – P. 549–559. doi: 10.1016/j.compstruct. 2013.07.008
  14. Tan W. et al. Predicting low velocity impact damage and Compression-After-Impact (CAI) behaviour of composite laminates // Composites Part A: Applied Science and Manufacturing. – 2015. – Vol. 71. – P. 212–226. doi: 10.1016/j.compositesa. 2015.01.025
  15. Thiruppukuzhi S. V., Sun C. T. Models for the strain-ratedependent behavior of polymer composites // Composites Science and Technology. – 2001. – Vol. 61. – No. 1. – P. 1–12. doi: 10.1016/S0266-3538(00)00133-0
  16. Vogler M., Rolfes R., Camanho P. P. Modeling the inelastic deformation and fracture of polymer composites–Part I: Plasticity model // Mechanics of Materials. – 2013. – Vol. 59. – P. 50–64. doi: 10.1016/j.mechmat.2012.12.002
  17. Koerber H. et al. Experimental characterization and constitutive modeling of the non-linear stress–strain behavior of unidirectional carbon–epoxy under high strain rate loading // Advanced Modeling and Simulation in Engineering Sciences. – 2018. – Vol. 5. – No. 1. – P. 1–24. doi: 10.1186/s40323-018-0111-x
  18. Vasiukov D., Panier S., Hachemi A. Non-linear material modeling of fiber-reinforced polymers based on coupled viscoelasticity– viscoplasticity with anisotropic continuous damage mechanics // Composite Structures. – 2015. – Vol. 132. – P. 527–535. doi: 10.1016/j.compstruct.2015.05.027
  19. Fedulov B. N. et al. Failure analysis of laminated composites based on degradation parameters // Meccanica. – 2018. – Vol. 53. – P. 359–372. doi: 10.1007/s11012-017-0735-9
  20. Fedorenko A. N., Fedulov B. N., Lomakin E. V. Failure analysis of laminated composites with shear nonlinearity and strainrate response // Procedia Structural Integrity. – 2019. – Vol. 18. – P. 432–442. doi: 10.1016/j.prostr.2019.08.185
  21. Федоренко А. Н., Федулов Б. Н., Ломакин Е. В. Моделирование ударного разрушения трубчатых образцов из композитного материала, зависящего от скорости нагружения // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. – 2021. – № 3. – С. 96–102. doi: 10.15593/perm.mech/2021.3.09
  22. Lomakin E., Fedulov B., Fedorenko A. Strain rate influence on hardening and damage characteristics of composite materials // Acta Mechanica. – 2021. – Т. 232. – P. 1875-1887. doi: 10.1007/s00707-020-02806-4
  23. Fedorenko A. et al. Exploding wire method for the characterization of dynamic tensile strength of composite materials //International Journal of Impact Engineering. – 2023. – Vol. 180. 104704. doi: 10.1016/j.ijimpeng.2023.104704
  24. Kachanov L. Introduction to continuum damage mechanics. – Springer Science Business Media, 1986. – Vol. 10.
  25. Rabotnov Y. N. Creep rupture // Applied Mechanics: Proceedings of the Twelfth International Congress of Applied Mechanics, Stanford University, August 26–31, 1968. – Berlin, Heidelberg : Springer Berlin Heidelberg. – P. 342–349.
  26. Gruzdkov A.A., Petrov Y.V. On temperature-time correspondence in high-rate deformation of metals //Doklady Physics. – 1999. – Vol. 44. – P. 114–116.
  27. Gates T. S. et al. Thermal/mechanical durability of polymer- matrix composites in cryogenic environments: 44th Annual AIAA. – ASME/ASCE/AHS/ASC Structures, Structural Dynamics (Norfolk, VA, 2003.)

Statistics

Views

Abstract - 147

PDF (Russian) - 75

Cited-By


PlumX


Copyright (c) 2024 Fedulov B.N., Konstantinov A.Y., Fedorenko A.N., Sergeichev I.V.

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