Experimental Study of Ultimate Deformation and Fracture of FRP with Stress Concentrators

Abstract


This work experimentally studies the influence of the scale effect on the processes of initiation and development of defects in the region of stress concentrators in a structurally inhomogeneous material under quasi-static loading. Composite specimens were made of glass-textolite STEF. A through hole of different diameters located in the geometric center of the specimen was considered as a concentrator. New data on the mechanical behavior of the composite were obtained using digital image correlation (DIC), acoustic emission (AE) method and optical microscopy. In this work, experimental investigations of the mechanical behavior of composites in the hub zones have been carried out considering the structural parameters. As the hole diameter increases, the load carrying capacity decreases. The DIC method allowed us to study the evolution of inhomogeneous strain fields on the surface of the samples. A characteristic growth of cumulative energy was observed in all types of specimens regardless of the size and presence of stress concentrators, namely a smooth insignificant growth of values with a sharp spike of high energy at the end of the test. The values of spectral maximum frequencies were analyzed, additional frequency intervals were marked, and the contribution of each to the total number of signals was shown, the regularities between the frequency intervals and the presence of the concentrator on the samples were established. On the basis of the microstructural studies, the main types of defects have been identified, the data obtained confirm the results recorded by the acoustic emission. Thus, the experimental data demonstrating the presence of a scale effect of the strength of glass-reinforced plastics with concentrators depending on the structural parameters have been obtained in this work.

Full Text

Влияние концентраторов на глобальное поведение структур композиционных материалов вызывает значительное снижение прочности и срока службы составных структур. Наличие отверстия в образце можно использовать для моделирования других сложных форм повреждений, таких как удары или сквозные трещины [1-4]. В научной литературе отечественными и зарубежными авторами [5, 6] отмечается, что сложность структуры композиционных материалов приводит к необходимости рассматривать дефекты на различных масштабных уровнях и на разных стадиях изготовления структурных компонентов, материалов и изделий. В работах, приведенных авторов, было отмечено, что разрушение обычно наблюдается в области, не совпадающей с точкой максимального коэффициента концентрации осредненных напряжений. Особый интерес представляет установление связи между масштабным эффектом и параметром структурной неоднородности материала. Чем больше размеры образца, тем больше в нем может быть всякого рода дефектов – пустот, включений, участков с различными внутренними и внешними повреждениями. Поскольку отверстия разного размера вовлекают в работу различные объемы материала, которые, в свою очередь включают в себя разное количество элементов структуры, процессы деформирования могут вести себя по-разному, особенно, когда размер отверстия сопоставим с величиной структурного элемента. Для структурно-неоднородных материалов в зону концентрации напряжений попадает разное количество структурных элементов, реализуются различные механизмы разрушения этих элементов. С размером структурного элемента связан масштабный эффект (эффект абсолютного размера, англ. scale effect), учет которого необходим при постановке модельных экспериментов [7-11]. В целом термин «эффект абсолютного размера» относится к влиянию размера образца на механические характеристики, такие как прочность. Размерные эффекты в горной инженерии представляли особый интерес в течение последних четырех десятилетий, и было проведено много исследований для понимания этого явления. Для прогнозирования разрушения бетона фундаментальное значение имеет эффект размера материала [12, 13]. Номинальная прочность всегда уменьшается с увеличением размера образца. Механическое поведение бетона становится квазихрупким в лабораторных условиях, но в достаточно больших масштабах поведение имеет тенденцию становиться совершенно хрупким [14]. Вопрос о размерном эффекте материала стал решающим при проектировании бетонных конструкций, для которых установлено различие между масштабами в лабораторных испытаниях. Среди различных теорий размерного эффекта материала Базант [14] установил, что детерминированный размерный эффект на номинальную прочность вызван наличием большой зоны разрушения (FPZ) характерного размера, которая всегда предшествует дискретным макротрещинам. Размерные эффекты не ограничиваются горными породами. Результаты, полученные в работе [15] дают прямое доказательство того, что ширина образца C/SiC оказывает большое влияние на механические свойства. В работе [11] отмечено влияние масштабного эффекта на прочностные характеристики и даны рекомендации выбору оптимального соотношения ширины образца и размера отверстия для композиционного материала PET (rPET) при статических испытаниях. В работе [16] приведены исследования позволяющие оценить то, как концентрация напряжений и деформаций в ортотропных композитных пластинах влияют на размер и форму отверстия, количество слоев, ориентацию волокон и кривизну пластины с помощью расчетных данных. Оценка прочности образцов с отверстиями является сложной̆ задачей̆ даже при простом нагружении из-за взаимодействия различных видов повреждений. Распределение напряжений вокруг отверстий оценивается с помощью вычислительных методов и экспериментального анализа напряжений. Важным научным направлением являются эксперименты с применением комбинированных способов исследования разрушения композитных объектов с концентраторами в виде отверстий, вырезов и выточек для анализа напряженно-деформированного состояния материала [17-20]. В работах многих авторов отмечается перспективность совместного использования видеосистемы бесконтактного измерения и анализа полей̆ перемещений и деформаций для анализа механического поведения композитов при различных видах квазистатического и циклического нагружения [21-29]. Также одним из эффективных методов диагностики структурной̆ целостности и обнаружения развивающихся дефектов под воздействием нагрузки в конструкционных материалах является метод акустической̆ эмиссии (АЭ). Изучение процессов накопления повреждений в композитах дает понимание о стадийности разрушения структурно-неоднородных материалов, что, в свою очередь, необходимо при создании ответственных конструкций и сооружений из композиционных материалов [30-36]. Таким образом, полученные в работе результаты в области экспериментальной механики композитов имеют существенное значение для развития моделей и методов прочностного анализа элементов ответственных композитных конструкций. Основная цель исследования в накоплении экспериментальных данных об особенностях механического поведения современных композиционных материалов с концентраторами напряжений, в частности, оценка влияния размера отверстия на степень снижения несущей способности композитов, а также исследование механического поведения и масштабного фактора на геометрически подобных образцах.

About the authors

E. M Strungar

Perm National Research Polytechnic University, Perm, Russian Federation

D. S Lobanov

Perm National Research Polytechnic University, Perm, Russian Federation

E. A Chebotareva

Perm National Research Polytechnic University, Perm, Russian Federation

References

  1. Kumar A., Behera R.K. Passive Constrained Layer Damping: A State of the Art Review // IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. – 2019. – Vol. 653. – art. No. 012036. doi: 10.1088/1757-899X/653/1/01203
  2. Nashif A.D., Jones D.I.G., Henderson J.P. Vibration Damping. Wiley, 1985. 453p
  3. Sun C.T., Lu Y.P. Vibration Damping of Structural Elements. Prentice-Hall, 1995. 372p
  4. Stanway R., Rongong J.A., Sims N.D. Active constrained-layer damping: A state-of-the-art review Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part I // Journal of Systems and Control Engineering 2003. Vol. 217, No 6. pp. 437-456. doi: 10.1177/09596518032170060
  5. Trindade M.A., Benjeddou A. Hybrid Active-Passive Damping Treatments using Viscoelastic and Piezoelectric Materials: Review and Assessment // Journal of Vibration and Control. 2002. Vol. 8, No 6. pp. 699-745. doi: 10.1177/107754602918
  6. Sahoo S.R., Ray M.C. Active damping of geometrically nonlinear vibrations of smart composite plates using elliptical SCLD treatment with fractional derivative viscoelastic layer // European Journal of Mechanics A/Solids. – 2019. – Vol. 78. – art. No. 103823. doi: 10.1016/j.euromechsol.2019.10382
  7. Sahoo S.R., Ray M.C. Active control of laminated composite plates using elliptical smart constrained layer damping treatment //Composite Structures. – 2019. Vol. 211. pp. 376-389. doi: 10.1016/j.compstruct.2018.12.00
  8. Ватульян А.О., Дударев В.В. К исследованию колебаний цилиндра с вязкоупругим покрытием // Вычислительная механика сплошных сред. – 2021. – Vol. 14, No.3. – pp. 312–321. https://doi.org/10.7242/1999-6691/2021.14.3.2
  9. Park C.H., Ahn S.J., Park H.C. Modeling of a Hybrid Passive Damping System // Journal of Mechanical Science and Technology, 2005. Vol. 19, No. 1. pp. 127-135. doi: 10.1007/BF0291611
  10. Trindade M.A. Optimization of passive constrained layer damping treatments applied to composite beams // Latin American Journal of Solids and Structures, 2007. – Vol. 4, No. 1. pp.19-38
  11. Li F.-M., Kishimoto K., Wang Y.-S., Chen Z.-B., Huang W.-H. Vibration Control of Beams with Active Constrained Layer Damping // Smart Materials and Structures, 2008. Vol. 17, No. 6, art. No. 065036. doi: 10.1088/0964-1726/17/6/06503
  12. Trindade M.A. Optimization of Active-Passive Damping Treatments using Piezoelectric and viscoelastic Materials// Smart Materials and Structures, 2007. Vol. 16. pp. 2159-2168. doi: 10.1088/0964-1726/16/6/01
  13. Vibration Control of Plate by Active and Passive Constrained Layer Damping /S. Meena, N. Kumar, S.P. Singh, B.C. Nakra //Advances in vibration engineering, 2009. - 8(4). - pp. 345-356
  14. Gupta A., Panda S., Reddy R.S. An actively constrained viscoelastic layer with the inclusion of dispersed graphite particles for control of plate vibration // Journal of Vibration and Control. – 2020. Vol. 27, No. 17-18. pp. 2152–2163. doi: 10.1177/1077546320956533
  15. Mead D.J., Markus S. The Forced Vibration of a Three-Layer, Damped Sandwich Beam with Arbitrary Boundary Conditions// Journal of Sound and Vibration, 1969. Vol. 10, No. 2. p.163-175. doi: 10.1016/0022-460X(69)90193-
  16. Bai H, Aoues Y, Cherfils J-M, Lemosse D. Design of an Active Damping System for Vibration Control of Wind Turbine Towers // Infrastructures. – 2021. – Vol. 6, No. 11. – art. No. 162. doi: 10.3390/infrastructures611016
  17. Vinyas M., Harursampath D., Nguyen-Thoi T. Influence of active constrained layer damping on the coupled vibration response of functionally graded magneto-electro-elastic plates with skewed edges // Defence Technology. – 2020. Vol. 16, No.5. pp. 1019-1038. doi: 10.1016/j.dt.2019.11.016
  18. Huang Z, Huang F, Wang X, Chu F. Active Vibration Control of Composite Cantilever Beams // Materials (Basel). – 2022. Vol. 16, No. 1. art. No. 95. doi: 10.3390/ma1601009
  19. Zhu R.Z., Zhang X.N., Zhang S.G., Dai Q.Y., Qin Z.Y., Chu F.L. Modeling and topology optimization of cylindrical shells with partial CLD treatment // International Journal of Mechanical Sciences. – 2022. – Vol. 220. art. No. 107145. doi: 10.1016/j.ijmecsci.2022.10714
  20. Zhai J, Li J, Wei D, Gao P, Yan Y, Han Q. Vibration Control of an Aero Pipeline System with Active Constraint Layer Damping Treatment // Applied Sciences. – 2019. – Vol. 9, No. 10. – art. No. 2094. doi: 10.3390/app910209
  21. Yang Q., Lee K., Kim B. Development of Multi-Staged Adaptive Filtering Algorithm for Periodic Structure-Based Active Vibration Control System // Appl. Sci. – 2019. – Vol. 9. – art. No. 611. doi: 10.3390/app903061
  22. Panda S., Kumar A. A design of active constrained layer damping treatment for vibration control of circular cylindrical shell structure // Journal of Vibration and Control. – 2016. – Vol. 24, No. 24. pp. 5811–5841. doi: 10.1177/107754631667007
  23. Iurlova N.A., Oshmarin D.A., Sevodina N.V., Iurlov M.A. Algorithm for solving problems related to the natural vibrations of electro-viscoelastic structures with shunt circuits using ANSYS data // International Journal of Smart and Nano Materials. – 2019. – Vol. 10, No. 2. –pp.156-176. doi: 10.1080/19475411.2018.154235
  24. Численный алгоритм поиска компоновок электроупругих тел с внешними электрическими цепями для получения наилучших демпфирующих характеристик/ Н.А. Юрлова, Д.А. Ошмарин, Н.В. Севодина, М.А. Юрлов // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. 2020. №3. C. 108-124. DOI: perm.mech/2020.3.1
  25. Hagood N.W., Von Flotow A. Damping of structural vibrations with piezoelectric materials and passive electrical networks //Journal of Sound and Vibration. – 1991. – Vol. 146, No. 2. – pp. 243–268. doi: 10.1016/0022-460X(91)90762-
  26. Trindade M.A., Benjeddou A. Effective electromechanical coupling coefficients of piezoelectric adaptive structures: critical evaluation and optimization // Mech. Adv. Mater. Struct. – 2009. – Vol. 16, No. 3. – pp. 210–223. doi: 10.1080/1537649090274686
  27. Lossouarn B., Rouleau L., Darleux R., Deü J.-F. Comparison of passive damping treatments based on constrained viscoelastic layers and multi-resonant piezoelectric networks // Journal of Structural Dynamics. – 2021. – Vol. 1. – pp. 30-48. doi: 10.25518/2684-6500.6
  28. Ali I.A., Alazwari M.A., Eltaher M.A., Abdelrahman A.A. Effects of viscoelastic bonding layer on performance of piezoelectric actuator attached to elastic structure // Mater. Res. Express. – 2022. – Vol.9. – art. No. 045701. doi: 10.1088/2053-1591/ac5ca
  29. В.З. Партон, Б.А. Кудрявцев. Электромагнитоупругость пьезоэлектрических и электропроводных тел. М: Наука. 1988. 471с
  30. Карнаухов В.Г., Киричок И.Ф. Механика связанных полей в элементах конструкций. (В 5 т.); Т.4: Электротермовязкоупругость. Киев: Наукова Думка. – 1988. – 316с
  31. Matveenko V., Iurlova N., Oshmarin D., Sevodina N.V. Analysis of dissipative properties of electro-viscoelastic bodies with shunting circuits on the basis of numerical modelling of natural vibrations // Acta Mech. – 2023. Vol. 234. pp. 261–276. https://doi.org/10.1007/s00707-022-03193-
  32. Задача о собственных колебаниях электро-вязкоупругих тел с внешними электрическими цепями и конечно-элементные соотношения для ее численной реализации/ В.П. Матвеенко, Д.А. Ошмарин, Н.В. Севодина, Н.А. Юрлова // Вычислительная механика сплошных сред. 2016. Т. 9, № 4. c. 476-485. doi: 10.7242/1999-6691/2016.9.4.4
  33. Matveenko V.P., Iurlova N.A., Oshmarin D.A. Damping of vibrations of smart-systems incorporating piezoelectric elements and shunt circuits with parameters derived from the models of continuum and discrete mechanics // Mechanics of Advanced Materials and Structures. – 2023. pp. 1–11. https://doi.org/10.1080/15376494.2023.224113
  34. Matveenko V.P., Iurlova N.A., Oshmarin D.A., Sevodina N.V., Iurlov M.A. An approach to determination of shunt circuits parameters for damping vibrations //International Journal of Smart and Nano Materials. – 2018. – V. 9, No. 2. – pp. 135-149. doi: 10.1080/19475411.2018.146114
  35. Zienkiewicz O.C., Taylor R.L., Zhu J.Z. The finite element method: Its Basis and Fundamentals, 6th ed. Oxford: Elsevier Butterworth-Heinemann, 2000. 802 p
  36. Kligman E.P., Matveenko V.P. Natural Vibration Problem of Viscoelastic Solids as Applied to Optimization of Dissipative Properties of Constructions // Journal of Vibration and Control. – 1997. – Vol. 3, No. 1. – pp. 87-102. doi: 10.1177/10775463970030
  37. Weawer Jr. W., Timoshenko S.P., Young D.H. Vibration problems in engineering, 5th edition. Wiley, 1990. – 497 p
  38. Матвеенко В.П., Севодин М.А., Севодина Н.В. Приложения метода Мюллера и принципа аргумента к задачам на собственные значения в механике деформируемого твердого тела // Вычислительная механика сплошных сред. – 2014. – Vol. 7, No. 3. – pp. 331–336. doi: 10.7242/1999-6691/2014.7.3.3

Statistics

Views

Abstract - 5

PDF (Russian) - 2

Cited-By


PlumX


Copyright (c) 2024 Strungar E.M., Lobanov D.S., Chebotareva E.A.

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