Residual Strength and Fatigue life of Woven Composite under Compression after Impact Loading

Abstract


The paper investigates the influence of preliminary low-velocity loading on the change in residual strength and fatigue characteristics of a fabric composite using modern testing and diagnostic equipment. A new testing method for layered composites is proposed, which consists of a preliminary low-velocity impact with a drop-weight load followed by cyclic compression. A series of tests were conducted on impact with a drop-weight in a wide energy range followed by a quasi-static and cyclic compression of damaged laminated fiberglass plates. Experimental dependences of residual static strength and fatigue life on the energy of preliminary low-velocity impact were obtained. We revealed the existence of a threshold value of the energy of a preliminary impact with a drop-weight load, below which the preliminary dynamic impact does not affect the residual mechanical characteristics. Based on previously developed models and their modifications, an approximation of the experimental data on the residual properties of the composite was carried out. The high descriptive ability of the proposed models was noted. The kinetics of the destruction process under quasi-static compression is analyzed based on data obtained using the VIC-3D contactless optical video system and the digital image correlation method. The non-uniform nature of the distribution of deformation fields on the surface of the damaged samples was noted. Ultrasonic scanning data made it possible to assess the development of the operational damage caused by preliminary low-speed transverse impacts. A relationship was established between the energy of the dynamic impact, residual mechanical characteristics and the characteristic size of the damage zone. The nonlinearity of the obtained dependencies was revealed. A conclusion is made about the need to study the mechanical behavior of polymer composites under conditions of combined effects to ensure the reliability and safety of critical structures.

Full Text

Современные композиционные материалы на основе полимерной матрицы (ПКМ) постепенно замещают традиционные металлы и сплавы в ответственных деталях и узлах авиационной, транспортной, автодорожной, морской, нефтехимической, строительной промышленности благодаря своему главному преимуществу – меньшей удельной массе при сопоставимых или превосходящих физико-механических характеристиках [1-4]. При этом наиболее широко применяемые слоисто-волокнистые композиты обладают существенным недостатком, который заключается в низкой трансверсальной, относительно направления укладки армирующих волокон, прочностью, что ограничивает области применениях их в изделиях, где конструкция из ПКМ должна сохранять свою несущую способность весь срок эксплуатации. Тенденции повышения срока службы, надежности и безопасности композитных конструкций требуют новых методик изучения влияния внешних механических воздействий на остаточные прочностные, деформационные, усталостные характеристики композиционных материалов, так как зачастую в процессе эксплуатации материал находится в условиях неоднородного напряженно-деформированного состояния, реализуемого в результате наличия концентраторов напряжений эксплуатационного и технологического характера, например, после непредвиденных ударных воздействий. Одним из наиболее распространенных методов оценки несущей способности конструкций из слоистых композитов является испытание образцов в виде поврежденной пластины на статическое сжатие после удара с контролируемыми параметрами (CAI – Compression After Impact) в соответствии с рекомендациями международных стандартов ASTM D7136, D7137 и отечественных ГОСТ 33495 и 33496. Исследователями отмечается существование интервала энергий удара, в котором отсутствует влияние на остаточную прочность исследуемого композита; максимальное значение данного диапазона называют порогом ударной чувствительности [5-7]. Как правило, такой интервал соответствует малым энергиям удара, которые визуально неопределимы или едва заметны (BVID – Barely Visible Impact Damage), практически не оказывают влияние на статическую прочность, но значительно снижают долговечность материала [8-10]. Авторами отмечается, что методы прогнозирования при таких повреждениях в слоистых композитах во многих случаях дают неудовлетворительные результаты, и физические испытания по-прежнему преобладают для оценки остаточной прочности композитов и роста повреждений в промышленности. При этом стоит отметить, что число работ, направленных на изучение механического поведения композиционных материалов в условиях предварительного удара с последующим циклическим сжатием, крайне мало. Визуально неопределимые повреждения можно выявить с использованием неразрушающих методов контроля, например, ультразвуковым методом. Дефектные участки определяются различными способами по изменению таких параметров, как скорость распространения звуковой волны, коэффициент затухания амплитуды сигнала, коэффициент энергетического демпфирования [11]. Данные, полученные при ультразвуковом сканировании, применяются для расчета поврежденности исследуемых композитов [12-16]. Информация о допустимых размерах повреждений необходима для определения пороговых значений внешних воздействий, после которых наблюдается значительное снижение остаточных механических характеристик. Для правильного анализа механического поведения материала необходимо точно регистрировать данные о деформации его поверхности во время испытаний. Существуют различные способы регистрации деформаций: тензодатчиками [16], экстензометрами [18], спекл-интерферометрией [19], пьезоэлементами [20,21] и т.д. Регистрация деформаций с использованием метода корреляции цифровых изображений (КЦИ) является одним из широко применяемых методов [19,22]. Она не требует дорогостоящего оборудования и подготовки образцов, обеспечивая как локальное, так и полное измерение деформаций на поверхности объекта. В работах [23-26] использовали КЦИ, чтобы продемонстрировать возможности метода для оценки механического поведения различных ударопрочных полимеров, армированных углеродным волокном. Таким образом, определение пороговых значений ударной чувствительности остаточной прочности и усталостной долговечности представляется актуальной задачей экспериментальной механики. Данная работа посвящена развитию подхода экспериментальной оценки влияния предварительных низкоскоростных ударных воздействий различной интенсивности на остаточную усталостную долговечность слоистых композитов в опытах на сжатие после удара с использованием современного испытательного и диагностического оборудования. Целью работы является получение новых экспериментальных данных об изменении остаточных механических характеристик, а также закономерностей процессов накопления повреждений и разрушения слоистых композитов в условиях предварительного поперечного удара и последующего квазистатического и циклического сжатия.

About the authors

O. A Staroverov

Perm National Research Polytechnic University, Perm, Russian Federation

E. M Strungar

Perm National Research Polytechnic University, Perm, Russian Federation

A. I Mugatarov

Perm National Research Polytechnic University, Perm, Russian Federation

M. A Dubrovskaya

Perm National Research Polytechnic University, Perm, Russian Federation

References

  1. Zhang J., Lin G., Vaidya U., Wang H. Past, present and future prospective of global carbon fibre composite developments and applications. Composites Part B: Engineering. – 2023. – V. 250. doi: 10.1016/j.compositesb.2022.110463
  2. Chawla K. K. Composite materials: science and engineering. Springer Science Business Media, 2012
  3. Rajak, D.K.; Pagar, D.D.; Menezes, P.L.; Linul, E. Fiber-Reinforced Polymer Composites: Manufacturing, Properties, and Applications // Polymers. – 2019. – V. 11. doi: 10.3390/polym11101667
  4. Prashanth S, Subbaya KM, Nithin K, Sachhidananda S. (2017) Fiber Reinforced Composites - A Review // Journal of Material Science Engineering. – 2017. – V. 6. doi: 10.4172/2169-0022.1000341
  5. Numerical investigation of the low-velocity impact damage resistance and tolerance of composite laminates with preloads / Zhang D., Zhang W., Zhou J., Zheng X., Wang J., Liu H. // Aerospace Science and Technology. – 2023. – V. 142, Part A, 108650. doi: 10.1016/j.ast.2023.108650
  6. Multiscale modeling framework to predict the low-velocity impact and compression after impact behaviors of plain woven CFRP composites / Zhao Q., Wang W., Liu Y., Hou Y., Li J., Li C. // Composite Structures. – 2022. – V. 299. doi: 10.1016/j.compstruct.2022.116090
  7. Experimental study of the importance of fiber breakage on the strength of thermoplastic matrix composites subjected to compression after impact / Naya F., Pernas-Sánchez J., Fernández C., Zumel P., Droździel-Jurkiewicz M., Bieniaś J. // Composite Structures. – 2024. – V. 342. doi: 10.1016/j.compstruct.2024.118238
  8. Delamination propagation manipulation of composite laminates under low-velocity impact and residual compressive strength evaluation / Zhang C., He E., Zhu K., Li Y., Yan L., Zheng X. // Engineering Fracture Mechanics. – 2024. – V. 307. doi: 10.1016/j.engfracmech.2024.110333
  9. Seamone A., Davidson P., M. Waas A., Ranatunga V. Low velocity impact and compression after impact of thin and thick laminated carbon fiber composite panels // International Journal of Solids and Structures. – 2024. – V. 292, doi: 10.1016/j.ijsolstr.2024.112745
  10. Fedulov B.N., Fedorenko A.N. Residual strength estimation of a laminated composite with barely visible impact damage based on topology optimization // Struct Multidisc Optim. – 2020. – V. 62. pp. 815–833. https://doi.org/10.1007/s00158-020-02538-
  11. Rojek M., Stabik J., Wróbel G. Ultrasonic methods in diagnostics of epoxy–glass composites / Journal of Materials Processing Technology. – 2005. – V. 162-163, pp. 121-126. doi: 10.1016/j.jmatprotec.2005.02.069
  12. Obraztsy ul'trazvukovogo kontrolya v protsesse razrabotki i ispytaniya novykh marok ugleplastika [Ultrasonic testing samples during development and testing of new carbon fiber grades] / A. S. Boychuk [and others] // Trudy VIAM [Works of the All-Russian Research Institute of Aviation Materials]. – 2021. – №12 – с. 86-95. doi: 10.18577/2307-6046-2021-0-12-86-95
  13. Boychuk A.S., Dikov I.A., Generalov A.S. Otsenka ploshchadi udarnykh povrezhdeniy PKM razlichnymi metodami ul'trazvukovogo kontrolya [Assessment of the area of impact damage to PCM using various ultrasonic testing methods] // Trudy VIAM [Works of the All-Russian Research Institute of Aviation Materials]. – 2022. – №7 (113). с. 11. doi: 10.18577/2307-6046-2022-0-7-125-133
  14. Material characterization of GFRP by ultrasonics / Prakash C. A., Gautam R., Ahamed H. N., Pranav S. // Materials Today: Proceedings. – 2022. – V. 62, No. 2, pp. 908-914. doi: 10.1016/j.matpr.2022.04.067
  15. Dubrovskaya M.A. Otsenka povrezhdennosti konstruktsionnykh materialov na osnove dannykh ul'trazvukovogo kontrolya [Assessment of damage to structural materials based on ultrasonic testing data] // Collection of abstracts of the international youth scientific conference L Gagarin Readings. Moscow, 2024. - P. 588-589
  16. Lin S., Ranatunga V., Waas A.M. Experimental study on the panel size effects of the Low-Velocity Impact (LVI) and Compression After Impact (CAI) of laminated composites, Part I: LVI // Composite Structures. – 2022. – V. 296 doi: 10.1016/j.compstruct.2022.115822
  17. Solomonov D.G., Sazhenkov N.A., Konev I.P., Nikhamkin M.Sh., Toropicina A.V. Regularities of fatigue failure typical composite flange. PNRPU Mechanics Bulletin, 2023, no. 3, pp. 137-145. doi: 10.15593/perm.mech/2023.3.12
  18. Bayandin Yu.V., Dudin D.S., Ilyinykh A.V., Permyakov G.L., Chudinov V.V., Keller I.E., Trushnikov D.N. Strength and ductility characteristics of metal alloys and stainless steels created by wire-arc surfacing in a wide range of strain rates. PNRPU Mechanics Bulletin, 2023, no. 1, pp. 33-45. doi: 10.15593/perm.mech/2023.1.04
  19. Anisimov G.S., Stepanova L.V. Experimental determination of crack-tip fields: holographic interferometry method and digital image correlation method. PNRPU Mechanics Bulletin, 2024, no. 3, pp. 39-56. doi: 10.15593/perm.mech/2024.3.03
  20. Pan’kov A.A. Built-In Fiber-Optic Mechanophotoluminescent Sensor of Complex Deformed State for Monitoring Vibrations of Polymer Composite Structures. PNRPU Mechanics Bulletin, 2023, no. 4, pp. 87-100. doi: 10.15593/perm.mech/2023.4.09
  21. Pankov A.A. Influence of Pore Shape and Initial Stress State on the Electroelastic Properties of Porous Piezoceramics PZT-4 // Izvestiâ Akademii nauk. Rossijskaâ akademiâ nauk. Mehanika tverdogo tela. - 2024. - N. 1. - P. 248-267. doi: 10.31857/S1026351924010149
  22. Strungar Е.М., Lobanov D.S. Development of the digital image correlation (DIC) method for mechanical testing at elevated tempera-tures. PNRPU Mechanics Bulletin, 2022, no. 3, pp. 147-159. doi: 10.15593/perm.mech/2022.3.15
  23. Linke, M., Flügge, F., Olivares-Ferrer, A.J. Design and validation of a modified compression-after-impact testing device for thin-walled composite plates // Journal of Composites Science. – 2020. – V. 4, 126. doi: 10.3390/jcs4030126
  24. Eremin A., Burkov M., Luybutin P., Bogdanov A. Evaluation of impact properties and residual strength of quasiisotropic carbon-fiber reinforced laminates using digital image correlation // Procedia Structural Integrity. – 2023. – V. 50. – pp. 73–82
  25. Bogenfeld, R., Gorsky, C., Wille, T., An experimental damage tolerance investigation of CFRP composites on a substructural level // Composites Part C: Open Access. – 2022. – V. 8. doi: 10.1016/j.jcomc.2022.100267
  26. Hamdi K., Moreau G., Aboura Z. Digital image correlation, acoustic emission and in-situ microscopy in order to understand composite compression damage behavior // Composite Structures. – 2021. – V. 258
  27. Yao T., Li J., Chen X., Li D., Jiang L. Experimental and numerical study of impact resistance and compression properties after impact of none-felt needled composites // Thin-Walled Structures. – 2024. – V. 199
  28. Lobanov D.S., Lunegova E.M. Evaluation of the thermal and moisture aging influence in aggressive environments on the change in the of the mechanical behavior of fiberglass by a short beam bending tests based on acoustic emission technique. PNRPU Mechanics Bulletin, 2022, no. 4, pp. 42-53. doi: 10.15593/perm.mech/2022.4.05
  29. Mullahmetov M.N., Lobanov D.S., Melnikova V.A., Yankin A.S. Estimating Parameters of Permissible Defects in Structural Fiberglass Based on Theory of Critical Distances. PNRPU Mechanics Bulletin, 2023, no. 4, pp. 77-86. doi: 10.15593/perm.mech/2023.4.08
  30. Staroverov O.A., Babushkin A.V., Gorbunov S.M. Evaluation of the damage degree to carbon-fiber composite materials under impact. PNRPU Mechanics Bulletin, 2019, no. 1, pp. 161-172. doi: 10.15593/perm.mech/2019.1.1
  31. GOST R 55724 – 2013 Non-destructive testing. Welded joints. Ultrasonic methods. Approved and put into effect by the Order of the Federal Agency for Technical Regulation and Metrology dated November 8, 2013 N 1410-st
  32. Wil'deman V.E., Staroverov O.A., Yankin A.S., Mugata-rov A.I. Description of fatigue sensitivity curves and transition to critical states of polymer composites by cumulative distribution functions. Frattura ed Integrità Strutturale. 2023. vol. 17. No 63. P. 91–99. doi: 10.3221/IGF-ESIS.63.09
  33. Wildemann V.E., Staroverov O.A., Mugatarov A.I., Kuchukov A.M. Fatigue sensitivity of GFRP under proportional cyclic tension with torsion. PNRPU Mechanics Bulletin, – 2023, No. 6, pp. 29-40. doi: 10.15593/perm.mech/2023.6.03
  34. Fatigue behavior of pultruded fiberglass tubes under tension, compression and torsion / Staroverov O., Mugatarov A., Sivtseva A., Strungar E., Wildemann V. // Frattura Ed Integrità Strutturale. – 2024. Vol. 18, no. 69. doi: 10.3221/IGF-ESIS.69.09
  35. Influence of proportional multiaxial fatigue loading on the residual mechanical properties of glass-reinforced plastic pipes / Staroverov O., Mugatarov A., Kuchukov A., Strungar E., Chebotareva E., Sivtseva A., Wildemann V. // Engineering Failure Analysis. – 2024. – Vol. 163, Part B. doi: 10.1016/j.engfailanal.2024.108586
  36. Sevenois R. D. B., Van Paepegem, W. Fatigue Damage Modeling Techniques for Textile Composites: Review and Comparison With Unidirectional Composite Modeling Techniques. ASME. Appl. Mech. Rev. – 2015. – Vol. 67(2). doi: 10.1115/1.4029691
  37. Strizhius V. Predicting the degradation of the residual strength in cyclic loading of layered composites / Mechanics of Composite Materials. – 2022. – Vol. 58, No. 4. doi: 10.1007/s11029-022-10047-

Statistics

Views

Abstract - 2

PDF (Russian) - 8

Cited-By


PlumX


Copyright (c) 2024 Staroverov O.A., Strungar E.M., Mugatarov A.I., Dubrovskaya M.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