Analysis of Deformation and Destruction of Layered-Fibrous Composite Materials under Complex Loading

Abstract


The paper studies effects of postcritical behavior of composites during the occurrence and equilibrium growth of cracks. The experimental study focuses on the influence of additional vibration effects and initial accumulated cyclic damage to the structure on the stability of the deformation processes, postcritical behavior and failure of layered-fiber woven polymer composites, using the example of fiberglass and carbon fiber, which are used in the manufacture of critical structures for various purposes. A comparison of the deformation and failure processes of carbon fiber with reinforcement schemes [0°] and [±45°] was carried out under tension and torsion of specimens in the form of plates with edge V-shaped notches. Tests of specimens for quasi-static and cyclic tension in the presence of vibrations were carried out using a universal two-axis servohydraulic testing system Instron 8802. Two-stage loading of specimens was implemented: preliminary cyclic tension and quasi-static tension with additional vibrations for torsion. As a result of the tests, loading diagrams of samples with concentrators and initial fatigue cracks were obtained, reflecting elastic-plastic and postcritical deformation and failure. An experimental study was conducted of the influence of the degree of the preliminary cyclic action under tension conditions, as well as the parameters of additional vibrations along the torsion axis on the implementation and length of the descending branch of the deformation diagrams of composite material samples. For a numerical assessment of the implementation of the postcritical deformation stage, the corresponding coefficients were used, which characterize the length of the section of postcritical behavior by the change in stresses and strains. Based on the comparison and analysis of the obtained experimental data, an assessment was made of the influence of additional vibration effects of torsion on the stability of the implementation of the postcritical deformation stage.

Full Text

Слоисто-волокнистные полимерные композиционные материалы (ПКМ) благодаря своим особым свойствам и некоторым преимуществам в сравнении с традиционными материалами широко применяются при проектировании и изготовлении ответственных конструкций, поэтому изучение процессов деформирования и разрушения таких материалов, является актуальной задачей и привлекает внимание большого числа исследователей. Наиболее широко распространёнными среди таких конструкционных материалов являются волокнистые КМ с полимерной матрицей, так как они обладают высокими показателями прочности и низкой плотностью, что имеет ключевое значение для конструкций авиационного назначения. Разрушение материала, как правило, сопровождается образованием и ростом трещин вплоть до полного разрешения конструкции. Равновесной или устойчивой эволюцией трещин называют их постепенный рост, когда для увеличения длины трещины требуется дополнительное внешнее воздействие. В момент, когда деформации достигают критических значений, трещина переходит в неравновесное состояние, развиваясь неконтролируемо без увеличения внешнего воздействия. Для увеличения живучести конструкций необходимо, чтобы стадия равновесного роста трещин соответствовала максимальной продолжительности процесса деформирования. Поэтому существуют методы, которые в той или иной степени увеличивают стадию равновесного роста трещин или тормозят их развитие и, как следствие, увеличивают прочностной ресурс конструкций. В работах [1-5] рассмотрен метод стабилизации роста трещин за счет реализации в процессе квазистатического нагружения дополнительных вибраций. Авторами статей [6,7] предложен метод нанесения тонких покрытий на поверхность изделий для замедления процессов развития повреждений. Также существуют и другие методы стабилизации процесса роста трещин, такие как повышение жёсткости нагружающей системы [1,8-11] и начальная повреждённость структуры [2]. В ряде работ показано, что на кинетику роста трещин также может влиять и последовательность механического нагружения [12]. Оценить эффективность различных методов и способов стабилизации возможно на основе анализа диаграмм деформирования. Особый практический интерес при этом представляет участок закритического деформирования, соответствующий снижению напряжений при возрастающих деформациях. С использованием ниспадающей ветви деформирования возможно получить информацию о степени и интенсивности повреждаемости материала, о характере процессов разрушения, об устойчивости процессов роста трещин и, как следствие, о степени катастрофичности гипотетического разрушения. Под степенью катастрофичностью разрушения при этом рассматривается уровень напряжений в момент перехода процесса разрушения от равновесного характера к неравновесному. При полном разрушении накопленная внутренняя энергия высвобождается и чем ниже уровень напряжений, тем ниже эта запасенная энергия и тем менее катастрофично произойдет разрушение материала. Показателем степени катастрофичности разрушения является протяжённость ниспадающей ветви диаграммы деформирования, величина снижения напряжений и модуль разупрочнения, характеризующийся наклоном этого участка. Протяжённость закритического участка по деформациям (перемещениям) характеризует продолжительность устойчивого роста трещин и отражается на живучести материала и конструкции. С точки зрения прогнозирования поведения материалов в реальных условиях эксплуатации особый прикладной интерес представляют комбинированные виды нагружение – это совместное действие на исследуемый объект как минимум двух сил, действующих по различным осям или последовательное механическое и температурное нагружение, а также их совокупность. Реализация комбинированного механического нагружения является нетривиальной технической задачей в лабораторных условиях, что требует наличия специального испытательного оборудования и соответствующих методик. Для этого используются испытательные машины, способные реализовать двухосное и трёхосное нагружение, ударные установки, температурные камеры и печи. В частности, нагружение по типу двухосного растяжения [13] реализуется на крестообразных образцах [14,15], нагружение по типу трёхосного сжатия [16] – на кубических образцах [17], а также нагружение по типу растяжения (сжатия) со сдвигом [2,18,19] реализуются на цилиндрических [20,21] или плоских образцах [18]. Исследование остаточного ресурса конструкции является актуальной задачей механики разрушения. Так в статьях проведена оценка степени повреждённости КМ на примере воздействия квазистатического растяжения [22] или циклического сжатия [23] с предварительным ударом. Авторами [24] проведено исследование остаточного ресурса углепластика на растяжение после циклических воздействий. В настоящем исследовании также рассмотрено действие квазистатического растяжения с предварительным циклическим. Для обеспечения применимости и практического использование результатов экспериментальных исследований при изучении характера деформирования и разрушения материалов в лабораторных условиях необходимо учитывать реальные условия эксплуатации и параметры физико-механического нагружения материалов в конструкциях. В частности, детали авиационного назначения испытывают действие комплекса нагрузок и различных внешних воздействий [25-27]. Так центробежные силы приводят к возникновению напряжений растяжения, при этом могут приводить к изгибу и кручению. Кроме того, оказывают воздействие и газодинамические силы, также приводящие к изгибу и кручению. Часть этих нагрузок являются циклическими, приводящими к усталостным повреждениям материала. Условия эксплуатации трубопроводов также определяют работу применяемых материалов в условиях комбинации нагрузок, как правило, в виде внутреннего давления, растяжения, изгиба и кручения [28,29]. Таким образом, актуальность работ в области исследований деформирования и разрушения композиционных материалов в условиях действия комплексных нагрузок определяется современными практическими задачами оценки ресурса материалов и обеспечения прочности и живучести конструкций/ Целью данного исследования является получение экспериментальных данных о влиянии дополнительных вибраций кручения, приводящих к реализации сдвига, и предварительного циклического растяжения на процесс деформирования и разрушения образцов из ПКМ.

About the authors

A. V Gurdjiev

Perm National Research Polytechnic University, Perm, Russian Federation

M. P Tretiakov

Perm National Research Polytechnic University, Perm, Russian Federation

V. E Vildeman

Perm National Research Polytechnic University, Perm, Russian Federation

References

  1. Wildemann V. et al. Stability of Postcritical Deformation of CFRP under Static±45° Tension with Vibrations //Polymers. – 2022. – Т. 14. – №. 21. – С. 4502
  2. Gurdzhiev A. V., Tret'jakov M. P., Vil'deman V.Je. Issledovanie vlijanija dopolnitel'nyh vibracij kruchenija na zakriticheskuju stadiju deformirovanija voloknistogo polimernogo kompozicionnogo materiala // Master’s Journal. – 2023. – № 1. – Art. № 11.
  3. Vil'deman V. Je., Lomakin E. V., Tret'jakov M. P. Jeffekt vibracionnoj stabilizacii processa zakriticheskogo deformirovanija // Doklady Akademii nauk. – 2016. – T. 467, № 3. – S. 284
  4. Zhao X. et al. Effects of vibration direction on the mechanical behavior and microstructure of a metal sheet undergoing vibration-assisted uniaxial tension //Materials Science and Engineering: A. – 2019. – Т. 743. – С. 472-481
  5. Wu B. et al. The effect of superimposed ultrasonic vibration on tensile behavior of 6061-T6 aluminum alloy //The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. – 2021. – Т. 116. – С. 1843-1854
  6. Ravnovesnye vnutrennie treshhiny v uprugih telah, podkrepljonnyh tonkimi gibkimi pokrytijami / B. V. Sobol', E. V. Rashidova, P. V. Vasil'ev, A. I. Novikova // Vestnik DGTU. Tehnicheskie nauki. – 2020. T. 47, №3. – S. 111-121
  7. Zhu, Qing-yu, et al. Fatigue crack retardation by the application of hard damping coating to blades under resonance. // Journal of Central South University. - 2023. - 30.4 - С. 1095-1106
  8. Vlijanie zhestkosti nagruzhajushhej sistemy na ravnovesnyj rost treshhin pri kvazistaticheskom nagruzhenii / P. S. Bazhukov, V. Je. Vil'deman, A. V. Il'inyh, M. P. Tret'jakov // Vestnik PNIPU. Mehanika. 2013. №2. – S. 7-20
  9. Vil'deman V. Je., Tret'jakov M. P. Analiz vlijanija zhestkosti nagruzhajushhej sistemy na stadiju zakriticheskogo deformirovanija materialov // Problemy mashinostroenija i nadezhnosti mashin. – 2013. – № 3. – S. 49-57
  10. Chausov N. G. Polnaja diagramma deformirovanija kak istochnik informacii o kinetike nakoplenija povrezhdenij i treshhinostojkosti materialov // Zavodskaja laboratorija. Diagnostika materialov. 2004. № 7. T. 70. S. 42-49
  11. Struzhanov V. V., Mironov V. I. Deformacionnoe razuprochnenie materiala v jelementah konstrukcij. Ekaterinburg: UrO RAN, 1995. 191 s
  12. Savkin A.N., Sunder R., Denisevich D.S., i dr. Vlijanie posledovatel'nosti nagruzhenija na kinetiku rosta treshhiny: teorija, model', jeksperiment // Vestnik PNIPU. Mehanika. - 2018. - №4. - C. 246-255
  13. Shljannikov V. N., Zaharov A. P., Gerasimenko A. A. Harakteristiki ciklicheskoj treshhinostojkosti stali st-3 pri dvuhosnom nagruzhenii // Trudy Akademjenergo. – 2013. – № 4. – S. 91-101
  14. Vansovich K. A., Jadrov V. I. Dvuhosnye ispytanija metallicheskih obrazcov na ispytatel'nyh mashinah s odnoj os'ju nagruzhenija // Omskij nauchnyj vestnik. – 2020. – № 5(173). – S. 10-16
  15. Shljannikov V. N., Zaharov A. P. Obrazcy dlja ispytanij pri dvuhosnom ciklicheskom nagruzhenii // Trudy Akademjenergo. – 2013. – № 3. – S. 70-79
  16. Jeffekt Kajzera pri mnogoosnom neproporcional'nom szhatii peschanika / I. A. Panteleev V. A. Mubassarova, A. V. Zajcev [i dr.] // Doklady Rossijskoj akademii nauk. Fizika, tehnicheskie nauki. – 2020. – T. 495, № 1. – S. 63-67
  17. Maklakova S. N., Galkina M. A., Brovkin V. N. Issledovanie prochnosti betona pri dvuhosnom szhatii // Vestnik TGTU. Serija: Stroitel'stvo. Jelektrotehnika i himicheskie tehnologii. – 2022. – № 1(13). – S. 23-28
  18. Tableau N. et al. Multiaxial loading on a 3D woven carbon fiber reinforced plastic composite using tensile-torsion tests: Identification of the first damage envelope and associated damage mechanisms //Composite Structures. – 2019. – Т. 227. – С. 111305
  19. Dolgih D.A., Tashkinov M.A. Issledovanie zakonomernostej nakoplenija povrezhdenij i razvitija rassloenija v polimernyh kompozicionnyh materialah na osnove dvuhurovnevyh modelej razrushenija // Vestnik PNIPU. Mehanika. - 2020. - №4. - C. 74-85
  20. Armanfard A., Melenka G. W. Experimental evaluation of carbon fibre, fibreglass and aramid tubular braided composites under combined tension–torsion loading //Composite Structures. – 2021. – Т. 269. – С. 114049
  21. Shljannikov V. N., Ishtyrjakov I. S, Jarullin R. R. Harakteristiki deformirovanija splava D16T pri sovmestnom nagruzhenii rastjazheniem, szhatiem, krucheniem i vnutrennim davleniem // Trudy Akademjenergo. – 2014. – № 3. – S. 78-90
  22. Staroverov O.A., Babushkin A.V., Gorbunov S.M. Ocenka stepeni povrezhdennosti ugleplastikovyh kompozicionnyh materialov pri udarnom vozdejstvii // Vestnik PNIPU. Mehanika. - 2019. - №1. - C. 163-174
  23. Chen, Jiwei, Weixing Yao, and Hanyu Lin. Compressive fatigue response and reliability analysis of thermoplastic composite with low‐velocity impact damage. // Polymer Composite. - 2021. - 42(11). - C. 5678-5690
  24. Sapozhnikov S.B., Zhikharev M.V., Zubova E.M. Ultra-low cycle three-point bending fatigue of glass fabric reinforced plastic// Composite Structures. – 2022. – V. 286. – paper 115293
  25. Obzor publikacij po razrabotkam lopatok iz polimernyh kompozicionnyh materialov dlja ventiljatora aviacionnogo dvigatelja / M. I. Valueva, I. V. Zelenina, K. S. Mishurov, I. N. Guljaev // Vestnik mashinostroenija. – 2019. – № 2. – S. 34-41
  26. Amoo, Leye M. On the design and structural analysis of jet engine fan blade structures. // Progress in Aerospace Sciences. - 2013. - 60. - C. 1-11
  27. Yang, Pingping, et al. Review of damage mechanism and protection of aero-engine blades based on impact properties. // Engineering Failure Analysis. – 2022. – 140. – С. 106570
  28. Hastie J. C., Kashtalyan M., Guz I. A. Failure analysis of thermoplastic composite pipe (TCP) under combined pressure, tension and thermal gradient for an offshore riser application //International Journal of Pressure Vessels and Piping. – 2019. –Т. 178. – С. 103998
  29. Ignatik A. A. Harakteristika NDS stenki truboprovoda pod vozdejstviem vnutrennego davlenija, izgiba i kruchenija // Gazovaja promyshlennost'. – 2020. – № 4(799). – S. 102-107
  30. Zhiharev M.V. Vlijanie predvaritel'nogo nagruzhenija na ballisticheskie svojstva stekloplastikovyh panelej // Vestnik Juzhno-Ural'skogo gosudarstvennogo universiteta. Serija: Mashinostroenie. – 2017. – T. 17, № 4. – S. 82-90
  31. Vil'deman V.Je., Staroverov O.A., Mugatarov A.I., Kuchukov A.M. Ustalostnaja chuvstvitel'nost' stekloplastikov v uslovijah proporcional'nogo ciklicheskogo rastjazhenija s krucheniem // Vestnik PNIPU. Mehanika. - 2023. - №6. - C. 29-40
  32. Bondarchuk D.A., Fedulov B.N., Fedorenko A.N., Lomakin E.V. Analiz ostatochnyh naprjazhenij v sloistyh kompozitah na primere simmetrichnoj shemy armirovanija [0°/90°] // Vestnik PNIPU. Mehanika. - 2019. - №3. - C. 17-2

Statistics

Views

Abstract - 1

PDF (Russian) - 0

Cited-By


PlumX


Copyright (c) 2024 Gurdjiev A.V., Tretiakov M.P., Vildeman V.E.

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