An Express Estimation of Fatigue Strength of Composite Flanges by Infrared Thermography

Abstract


When designing structures made of polymer composite materials operating under vibration conditions, special time-consuming and long-term tests have to be carried out in order to obtain characteristics of fracture resistance due to multicycle fatigue. Full-scale parts or typical structural elements are tested in critical cases to take into account the influence of structural and technological factors. The method of IR thermography based on the use of the self-heating effect accompanying the appearance and accumulation of fatigue damage is actively developing to an accelerated assessment of the fatigue strength of materials. The purpose of this work is to develop a technique for rapid estimation of the fatigue limit of flanges made of layered polymer composite materials using the IR thermography method. The study is focused on a sample cut from a full-scale composite shell with a flange. A research technique based on block cyclic loading of samples using an electrodynamic vibration stand was developed. The amplitude of deformations of the sample in each block is maintained constant during loading, the temperature field on its surface is recorded using an IR camera. Two parameters characterizing the self-heating of the sample in each loading block were used to assess the fatigue limit: the heating rate at the beginning of the block and the value of the stabilization temperature at the end of the block. They were determined using thermograms and averaged over the most loaded zone of the sample. The heating rate at the beginning of the block and the stabilization temperature at the end of the block increase sharply when the amplitude of deformation in the loading block exceeds the fatigue limit. The values of the fatigue limit obtained using both of these parameters are consistent with each other and with the results of standard fatigue tests. The developed technique makes it possible to obtain an approximate express estimation of the fatigue limit of typical elements of composite structures under conditions of high-cycle fatigue.

Full Text

В последние годы все больше внимания уделяется изучению сопротивления усталостному разрушению полимерных композиционных материалов (ПКМ). Это обусловлено современной тенденцией применения этих материалов для изготовления высоконагруженных, подверженных вибрациям элементах конструкций, таких как детали и узлы ветрогенераторов, автомобилей и судов (см., например [1]). В наибольшей степени проблема усталостной прочности ПКМ актуальна для обеспечения надежности и безопасности в авиастроении, где постоянно увеличивается доля элементов из слоистых угле- и стеклопластиков [2-7]. Несмотря на то, что усталость композитов изучается во всем мире десятки лет, при проектировании ответственных изделий обычно приходится проводить специальные исследования и испытания, чтобы получить недостающие характеристики сопротивления усталостному разрушению. Причина в многообразии материалов наполнителя и матрицы, схем армирования, влиянии технологических и эксплуатационных факторов и, как следствие, многообразии механизмов разрушения [8-12]. У наиболее распространенных слоистых стекло- и углепластиков (GFRP и CFRP) выделяют несколько стадий усталостного разрушения: появление микротрещин в матрице, расслоения на границах матрицы и волокна, расслоения ламината, разрыв армирующих волокон [13]. Для определения характеристик сопротивления усталости композиционных материалов обычно проводят испытания образцов при циклическом нагружении с построением кривой усталости и определением ограниченного предела выносливости в соответствии со стандартами [14, 15]. Такой подход требует проведения длительных дорогостоящих испытаний большого количества образцов при различных уровнях нагрузки. Это ограничивает возможности оптимизации схем армирования, проверки конструктивных и технологических решений при проектировании изделий, затягивает сроки и стоимость разработки. Для приближенной экспресс-оценки предела выносливости металлов применяют ускоренные методы Про, Эномото, Локатти и др. [16-19]. Применительно к металлам был разработан подход к оценке характеристик сопротивления многоцикловой усталости без усталостных испытаний с использованием характеристик рассеяния энергии при циклических деформациях (см., например, [19, 20]). Для ускоренного определения предела выносливости металлов в работах A.Risitano [21] и M.Luong [22] был предложен термографический метод (IRT–метод, Infra-Red Thermography), основанный на интенсификации саморазогрева образца в процессе нагружения при нагрузках выше предела выносливости вследствие появления и развития усталостных повреждений. Достоверность результатов авторы [21, 22] подтверждают сравнением с пределами выносливости, полученными путем стандартных усталостных испытаний. В качестве главного преимущества метода IRT перед стандартными усталостными испытаниями отмечается, что он позволяет получить предел выносливости за короткое время на небольшом количестве образцов. Метод IRT с некоторыми вариациями успешно применялся не только к металлам [23-26], но и к различным полимерным композиционным материалам: слоистым термореактивным углепластикам [27], 3D армированным углепластикам [28], стеклопластикам [29], термопластам [30, 31], гибридным композитам [32]. В работе [28] перечислены основные механизмы накопления усталостных повреждений, вызывающие рассеивание энергии и саморазогрев армированных композитов при циклическом нагружении: вязкоупругое деформирование материала матрицы, растрескивание матрицы, трение на поверхности раздела волокон и матрицы, переориентация волокон, разрушение волокон. Особую роль в усталостной прочности слоистых угле- и стеклопластиков играют конструктивные и технологические факторы. Даже если доступны полученные из испытаний образцов характеристики усталостной прочности материала, их использование при проектировании конструкций из этого материала ограничено и часто требует дополнительных исследований [13, 18, 38]. Причина в том, что условия нагружения волокон и матрицы в образцах и конструктивных элементах могут существенно различаться, особенно в локальных зонах изгиба слоев ламината, утолщений, отверстий, соединений. Такие локальные зоны имеются, например, у подкрепляющих элементов оболочек, фланцев и т.д. Другая причина в том, что даже одинаковые технологии изготовления образцов и конструктивных элементов не гарантируют совпадение их механических характеристик. Поэтому в ответственных случаях для определения характеристик сопротивления усталостному разрушению приходится проводить испытания натурных деталей или типовых конструктивных элементов (см., например, [39-43]). В настоящей работе рассматривается усталостная прочность элементов фланцевых соединений, которые широко применяются и часто являются наиболее нагруженными в конструкциях из ПКМ [44-46]. В работах [45, 46] исследовано напряженно-деформированного состояние фланцев композитных оболочек при статическом нагружении. В работе [47] исследованы закономерности разрушения и теплового состояния фланцев углепластиковых оболочек в условиях усталостных испытаний. Цель настоящей работы – разработка методики экспресс-оценки предела выносливости фланцев из слоистого композита с использованием метода IRT.

About the authors

M. S Nihamkin

Perm National Research Polytechnic University, Perm, Russian Federation

D. G Solomonov

Perm National Research Polytechnic University, Perm, Russian Federation

References

  1. Келли А. Инженерный триумф углеволокон. Композиты и наноструктуры. – 2009. – №1. – с.38-49
  2. Каблов Е.Н. ВИАМ: материалы нового поколения для ПД-14 // Крылья Родины. – 2019. – С. 54–58
  3. Parveez, B.; Kittur, M.I.; Badruddin, I.A.; Kamangar, S.; Hussien, M.; Umarfarooq, M.A. // Scientific Advancements in Composite Materials for Aircraft Applications: A Review. – Polymers. – 2022. – V. 14. – pp.1-1
  4. Колобков А.С. Полимерные композиционные материалы для различных конструкций авиационной техники (обзор) // Труды ВИАМ. – №6-7 (89). – 2020. – С.38-4
  5. Каримбаев Т.Д., Луппов А.А., Афанасьев Д.В. Рабочие лопатки вентиляторов из углепластика для перспективных двигателей. Достижения и проблемы // Двигатель. – 2011. – №6 (78). – С. 2-
  6. Путилина П.М., Куцевич К.Е., Исаев А.Ю. Полимерные композиционные материалы на основе углеродных и стеклянных волокон для изготовления деталей беспилотных летательных аппаратов и перспективы их развития // Труды ВИАМ. – 2023. – № 8 (126). – 8 С
  7. Стрижиус В.Е. Оценка усталостной долговечности слоистых композитов с использованием нормализованных кривых усталости // Материаловедение. Энергетика. – Т. 26. – №3. – 2020. – С. 20-32
  8. Alam P, Mamalis D, Robert C., Floreani C., Brádaigh C. M. Ó. The fatigue of carbon fibre reinforced plastics - a review// Composites Part B. – 2019. – PP.555-579
  9. Sevenois R. D. B., Van Paepegem W. Fatigue damage modeling techniques for textile composites: review and comparison with unidirectional composite modeling techniques // Applied Mechanics Reviews. –2015. – 67. – Iss.2. 020802.
  10. Talreja R. Damage Mechanics and Fatigue Life Assesment of Composite Materials // International Journal of Damage Mechanics. – 1999. – V.8. – p.339-35
  11. Adrdte S. Matrix cracking in laminated composites: a review// Composites Engineering. –1991. – Vol. 1. – No. 6. – PP. 337-353
  12. Degrieck J., Van Paepegem W. Fatigue Damage Modelling of Fibre-Reinforced Composite Materials: Review// Applied Mechanics Reviews, 54. – 2001. – Iss.4. – PP.279-300
  13. Каримбаев Т.Д. Оценка усталостной долговечности изделий из композиционных материалов// Авиационные двигатели. – 2020. – 4(9). – С.75 – 93
  14. ГОСТ 57143-2016 Композиты полимерные. Метод испытания на усталость при циклическом растяжении // М. Стандартинформ. – 2016. – 16 с
  15. ASTM Standard D 3479/D 3479M–96 (2007). Test Method for Tension-Tension Fatigue of Polymer Matrix Composite Materials// ASTM International. – 2007. – 6pp
  16. РД 50-686-89 Методические указания. Надежность в технике. Методы ускоренных испытаний на усталость для оценки выносливости. // М. Гоостандарт. – 1990. – 19 с
  17. Степнов М. Н., Зинин А.В. Прогнозирование характеристик сопротивления усталости материалов и элементов конструкций. // М. «Инновационное машиностроение». – 2016. – 391с
  18. Коллинз Д.А. Повреждение материалов в конструкциях. Анализ, предсказание, предотвращение. // М. Мир. – 1984. – 624 с
  19. Трощенко В.Т., Сосновский Л.А. Сопротивление усталости металлов и сплавов. // Киев. «Накова думка». – 1987. – T.1. – 505 с
  20. Трощенко В.Т. Об энергетических критериях усталостного разрушения //Заводская лаборатория. – 1967. – №9. – С. 1126-1128
  21. La Rosa G., Risitano A. Thermographic methodology for rapid determination of the fatigue limit of materials and mechanical components// International Journal of Fatigue. –2000. – 22pp. 65–73
  22. Luong M.PP. Infrared thermographic scanning of fatigue in metals // Nuclear Engineering and Design. – 1995. – 158. – pp.363-376
  23. Cura F., Curti G., Sesana R. A new iteration method for the thermographic determination of fatigue limit in steels // International Journal of Fatigue. – 2005. – 27. – pp. 453–459
  24. Куриленко Г.А., Устюгов М.Б. Термографический метод определения индивидуальных пределов выносливости деталей приборов // Гео-Сибирь. – 2007. – Т. 4. – № 1. – С. 242-24
  25. Терехина А.И., Федорова А.Ю., Банников М.В., Плехов О.А. Разработка метода оценки предела выносливости материала по данным инфракрасной термографии //Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. – 2012. – № 4. – С. 115-127
  26. Colombo C., Vergani L. Thermographic applications for the rapid estimation of fatigue limit // Procedia Structural Integrity. – 2019. – V.24. – PP. 658–666
  27. Huang J., Garnier C., Pastor M.-L., Gong X.J. Investigation of self-heating and life prediction in CFRP laminates under cyclic shear loading condition based on the infrared thermographic data // International Journal of Fatigue. – 2019. – 120. – pp. 87–95
  28. Montesano J., Fawaz Z., Bougherara H. Use of infrared thermography to investigate the fatigue behavior of a carbon fiber reinforced polymer composite // Composite Structures. – 2013. – 97. – pp. 76–8
  29. Colombo C., Bhujangrao T., Libonati F., Vergani L. Effect of delamination on the fatigue life of GFRP: A thermographic and numerical study // Composite Structures. – 2019. – V.218. – PP.152-161
  30. Muller L., Roche J.-M., Hurmane A., LeroyF.-H., Peyrac C., Gornet L. Investigation of self-heating and damage progression in woven carbon fibre composite materials, following the fibres direction, under static and cyclic loading // Journal of Composite Materials. – 2021. – Vol. 55(26). – pp. 3909–3924
  31. Li A., Huang J., Zhang C. Enabling rapid fatigue life prediction of short carbon fiber reinforced polyetherether-ketone using a novel energy dissipation–based model // Composite structures. – 2021. – V. 272. – pp.1-3
  32. Sharba M.J. Fatigue strength prediction of hybrid composites via IR thermography and energy loss methods // Journal of Industrial Textile. – 2022. – Vol. 51. – PP.4184–4199.
  33. Toubal L., Karama M., Lorrain B. Damage evolution and infrared thermography in woven composite laminates under fatigue loading//International Journal of Fatigue. – 2006. – 28. – PP. 1867–1872
  34. Grammatikos S. A.,. Kordatos E.Z, Matikas T.E., Paipetis A.S. On the fatigue response of a bonded repaired aerospace composite using thermography//Composite Structures. – 2018. – V.188. – PP. 461-469.
  35. Nobile R, Panella F W, Pirinu A , Saponaro A. Full-field monitoring methods for damage analysis on aeronautical CFRP specimens under fatigue loads // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. – 2022. – V. 1214. – pp. 1-1
  36. Fan J., Zhao Y. Quantitative thermography for fatigue damage assessment and life prediction of welded components // Mechanics of Materials. – 2022. – pp.1-1
  37. Wei W., Sun Y., Chen M., Zhao X., Tang Y., Zou L., Yang X. Rapid fatigue life prediction of butt joint using energy dissipation // International Journal of Mechanical Sciences. – 2023. – V. 245. – pp.1-1
  38. Alam P, Mamalis D, Robert C., Floreani C., Brádaigh C. M. Ó. The fatigue of carbon fibre reinforced plastics - a review// Composites Part B 166. – 2019. – PP.555-579
  39. Wang Y., Soutis C. A Finite Element and Experimental Analysis of Composite T-Joints Used in Wind Turbine Blades // Applied Composite Materials. – 2018. – V.25. – PP.953–96
  40. Vallons K., Adolphs G., Lucas PP., Lomov S.V., Verpoest I. Quasi-UD glass fibre NCF composites for wind energy applications: a review of requirements and existing fatigue data for blade materials//Mechanics 26Industry. – 2013. – 14. – pp.175–189
  41. Wang Z.Y., Zhou X.F., Liu Z.F., Wang Q.Y. Fatigue behavior of composite girders with concrete-filled tubular flanges and corrugated webs—experimental study//Engineering Structures. – 2021. – V. 241. – pp.1-1
  42. Дубинский С. В., Севастьянов Ф. С., Голубев А. Ю., Денисов С. Л., Костенко В. М., Жаренов И.А. Расчетно-экспериментальное исследование влияния виброакустических нагрузок на прочность композитного соединения //Акустический журнал. – 2019. – T. 65. – № 4. – с. 460–47
  43. Dávila C.G., Bisagni C. Fatigue life and damage tolerance of postbuckled composite stiffened structures with indentation damage//Journal of Composite Materials. – 2018. – 52:7. – pp. 931-943
  44. Соломонов, Д.Г., Нихамкин М.Ш., Торопицина А.В. Выбор конструктивно-подобных элементов для испытаний на усталость авиационных конструкций из полимерных композиционных материалов // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Аэрокосмическая техника. – 2022. – № 69. – С. 62–70.
  45. Jansson N.E., Lutz A., Wolfahrt M., Sjunnesson A. Testing and analysis of a highly loaded composite flange//ECCM13: 13th European Conference on Composite Materials. – Stockholm. – 2008. – 8pp
  46. Аношкин А.Н., Ташкинов А.А. Прогнозирование несущей способности композитных фланцев корпусных деталей авиадвигателей. // Пермский гос. техн. ун-т. Пермь. – 1998. – 101 с
  47. Соломонов Д.Г., Саженков Н.А., Конев И.П., Торопицина А.В., Нихамкин М.Ш. Закономерности усталостного разрушения типового композитного фланца // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. – Механика. – 2023. – № 3. – С. 145–153.
  48. Макарова Н.В., Трофимец В.Я. Статистика в Excel. // М.: Финансы и статистика. – 2002. – 368

Statistics

Views

Abstract - 0

PDF (Russian) - 1

Cited-By


PlumX


Copyright (c) 2024 Nihamkin M.S., Solomonov D.G.

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