Residual Stresses in a Damaged Area of a Composite Plate under Static and Dynamic Influences of a Steel Indenter

Abstract


A novel approach is developed and implemented, which enables determining principal residual stress components arising as a result of both static and impact contact interactions of a spherical indenter and a plane surface of a cross-ply composite plate. The experimental technique employs the probe hole drilling and further measurements of the hole diameter increments in principal strain directions by the speckle-pattern interferometry. Interference fringe patterns of high quality, which are essential for a successful realization of the created procedure, are visualized both inside and outside the contact dimple, which is located on the long symmetry axis of the rectangular samples. In-plane displacement component values, derived from optical interferometric measurements, serve for the residual stress determination proceeding from an unequivocally solution of the correctly-posed inverse problem. This fact provides a minimal possible uncertainty in the final results. The key point of the developed approach is that the residual stresses are quantified based on the direct physical measurements of the increment of the diameters of the probing holes made in different zones of the contact interaction. On this basis, the presence of the significant principal components of residual stresses that occur in the contact zone of the steel indenter and the surface of the composite plate has been established. It is revealed that the distribution of the main components of residual stresses along the contour of the contact indentation in relation to its center has a radially symmetrical character. In this case, the tangential components are tensile stresses, and the radial stresses are compressive in both cases. In both cases, the largest compressive components occur in the center of the contact dent. We compare the values of the main components of the residual stresses arising from the static indentation of a spherical indenter and impact, which are characterized by an almost identical diameter of the contact indentation. The obtained data clearly evidence that the principal stress component values reveal the representative parameter, which can reliably connect the composite plate strength decrease, caused the impact influence, and quantitative characteristics of the residual stress field near the contact dimple.

Full Text

Слоистые композиционные материалы широко применяются в авиастроении [1–2]. Одним из очевидных недостатков конструкций из композиционных материалов является высокая чувствительность к контактным, особенно, ударным повреждениям. Даже весьма незначительное ударное воздействие, результат которого внешне малозаметен, может привести к существенному снижению как статической прочности, так и усталостной долговечности поврежденного элемента конструкции [3]. Таким образом, количественная оценка влияния ударных повреждений композиционных материалов на остаточную прочность является необходимой составляющей при обосновании эксплуатационной надежности композитных конструкций [4–6]. Пути преодоления данной проблемы в настоящее время до конца не ясны. Дело в том, что отсутствуют надежные методы аналитического или численного определения напряженно-деформированного состояния композиционного материала в окрестности контактного повреждения, вызванного динамическим воздействием. Таким образом, возникает необходимость привлечения экспериментальных методов механики деформируемого тела и получение с их помощью значительного объема данных. Однако, такие методы, которые основаны на физических измерениях деформационных параметров, в настоящее время практически не применяются. Оценка влияния ударного воздействия на снижение прочности композиционных конструкций проводится после проведения значительного объема дорогостоящих испытаний образцов или реальных конструктивных элементов [1–2]. Повреждения наносятся с помощью различных ударных копров со свободно падающим грузом, согласно стандартизованной процедуре [7–9]. При этом в ряде случаев, регистрируются зависимости силы от времени при различных потенциальных энергиях ударного воздействия, а также фиксируется степень поглощения энергии удара. Первая проблема, которую необходимо преодолеть, связана с тем, что ударные повреждения по своей форме и размерам для многослойных материалов с различной укладкой имеют существенные различия при одинаковой энергии удара. Таким образом, после нанесения ударного повреждения необходимо проводить измерения глубины и линейных размеров отпечатка, а также оценивать зависимость этих параметров от энергии удара. Вторая проблема связана с тем, что видимые повреждения на поверхности образцов и данные ультразвукового сканирования не дают полного представления о разрушении внутри материала. Наиболее эффективный послойный анализ повреждений проводится на основе сложных и дорогостоящих систем микро-томографии. Остаточная прочность поврежденных образцов определяется при испытаниях, как на растяжение, так и на сжатие. В последнем случае результаты имеют вид зависимостей, которые отражают снижение несущей способности пластин при сжатии от энергии удара и от площади повреждения. Особенности и многочисленные нюансы используемых подходов представлены в большом количестве работ [10–19]. В наиболее продвинутых вариантах представлены данные о текущих деформациях и напряжениях, возникающих при динамическом внедрении индентора, полученных на основе различных неразрушающих методов [20–27]. Для численного моделирования влияния повреждений на прочность композитных конструкций в настоящее время применяется несколько подходов. Один из них основан на численном анализе динамической задачи методом конечных элементов [28]. Второй способ заключается в том, что поврежденность и дефектность структуры сводится к созданию эквивалентного концентратора напряжений в образце в виде сквозного отверстия [29–33]. Алгоритм задания размеров эквивалентного отверстия представляет собой достаточно сложную задачу, поскольку для слоистых композитов внутренние расслоения и нарушения структуры значительно превышают визуально обнаруженные размеры вмятин. Представленный выше обзорный материал, который можно значительно расширить, показывает, что используемые подходы, в основном, обеспечивают определение качественных характеристик повреждений в окрестности зоны ударного взаимодействия. Полученную информацию очень трудно использовать напрямую для анализа и предсказания остаточной прочности. Только в работе [24] отмечается, что величины остаточных напряжений, возникающие в окрестности контактной вмятины, являются наиболее перспективным параметром для количественной оценки влияния ударных повреждений на эксплуатационную надежность композитных конструкций. При этом отмечается, что применимость такого критерия не зависит от укладки волокон композиционного материала. Целью данной работы является получение новых данных о величинах главных компонент остаточных напряжений, вызванных контактным взаимодействием стальной сферы и поверхностью пластины, которая изготовлена из композиционного материала. Контактная вмятина образуется как путем статического вдавливания стального сферического индентора диаметром 16 мм, так и при ударном воздействии свободно падающего бойка, диаметр действующей полусферы которого равен 20 мм. Приоритетной задачей является отработка методики эксперимента, и получение количественных характеристик полей остаточных напряжений в зоне контактного взаимодействия, которые в настоящее время в научных публикациях отсутствуют. Определение остаточных напряжений проводится на основе оригинального подхода, который основан на сверлении сквозного зондирующего отверстия и последующем измерении диаметров этого отверстия в направлении главных осей анизотропии методом спекл-интерферометрии [34–35].

About the authors

S. I Eleonsky

Central Aerohydrodynamic Institute named after N.E. Zhukovsky, Zhukovsky, 140180 Russia

V. S Pisarev

Central Aerohydrodynamic Institute named after N.E. Zhukovsky, Zhukovsky, 140180 Russia

A. V Chernov

Central Aerohydrodynamic Institute named after N.E. Zhukovsky, Zhukovsky, 140180 Russia

References

  1. Savin S.P. Primenenie sovremennyx polimernyx kompozicionny`x materialov v konstrukcii planera samolyotov semejstva MS-21 [Application of modern polymeric composite materials in the design of MS-21 airplane family]. Izvestiya Samarskogo nauchnogo centra Rossijskoj akademii nauk, 2012, vol. 14, no. 4 (part 2), pp. 686–69
  2. Golovan V.I., Grishin V.I., Dzyuba A.S., et al. Proektirovanie, raschety i staticheskie ispytaniya metallokompozitny`x konstrukcij [Design, numerical analysis and static tests of metallic-composite structures]. M.: Texnosfera, 2022, 408
  3. Talreja R., Singh C.V. Damage and failure of composite materials. Cambridge University Press, 2012, 304
  4. Nebelov E.V., Potozky M.V., Rodionov A.V., Gorsky A.N. Mechanism of damage propagation to the propeller blades of composite materials with exposed damaging elements. Aerospace MAI Journal, 2016, vol. 23, no. 1, pp. 26–3
  5. Poliansky V.V., Nesterov V.A. Estimation of reliability alteration of airframe configuration with mechanical damage. Aerospace MAI Journal, 2009, vol. 16, no. 5, pp. 32-39
  6. Feigenbaum Yu. M. Ensuring the strength of composite aircraft structures taking into account accidental operational shock effects. M: Texnosfera, 2022, p.
  7. GOST 33495-2015. «Kompozity polimernye. Metody ispytaniya na szhatie posle udara». 8. GOST 33496-2015. «Kompozity polimernye. Metody ispytaniya na soprotivlenie povrezhdeniyu pri udare padayushhim gruzom» [Russian Federation State Standard 33495-2015. Polymer Composites. Compression Test Methods after Impact
  8. GOST 33496-2015. «Kompozity polimernye. Metody ispytaniya na soprotivlenie povrezhdeniyu pri udare padayushhim gruzom» [Russian Federation State Standard 33496-2015. Polymer Composites. Methods of Drop-Weight Testing for Damage Resistance Qualification
  9. ASTM D7137 / D7137M – 17. Standard Test Method for Compressive Residual Strength Properties of Damaged Polymer Matrix Composite Plates. – 2017. 33495-201
  10. Erasov V.S., Krylov V.D., Panin S.V., Goncharov A.A. Ispytaniya polimernogo kompozicionnogo materiala na udar padayushhim gruzom [Drop-weight testing of polymer composite material]. Aviacionnye materialy` i texnologii, 2013, no. 3, pp. 60–6
  11. Feng D., Cerioni A., Aymerich F. Structural response and damage resistance of sandwich composites subjected to low velocity impact. 16th European conference on composite materials, 2014, Seville, Spain, 22-26 June, pp. 1–
  12. Lopresto V., Langella A., Papa I. Residual Strength evaluation after impact tests in extreme conditions on CFRP laminates. Procedia Engineering, 2016, vol. 167, pp. 138–142 doi: 10.1016/j.proeng.2016.11.68
  13. Papa I., Ricciardi M.R., Antonucci V., et al. Impact performance of GFRP laminates with modified epoxy resin. Procedia Engineering, 2016, vol. 167, pp. 160–167 doi: 10.1016/j.proeng.2016.11.68
  14. Taheri H., Hassen A.A. Nondestructive ultrasonic inspection of composite materials: a comparative advantage of phased array ultrasonic. Applied Sciences, 2019, vol. 9, no. 8, 1628 doi: 10.3390/app908162
  15. Staroverov O.A., Babushkin A.V., Gorbunov S.M. Ocenka stepeni povrezhdennosti ugleplastikovyx kompozicionnyx materialov pri udarnom vozdejstvii [Evaluation of the damage degree to carbon-fiber composite materials under impact]. Vestnik Permskogo nacional'nogo issledovatel'skogo politehnicheskogo universiteta. Mehanika, 2019, no. 1, pp. 161–172 doi: 10.15593/perm.mech/2019.1.1
  16. Boychuk A.S., Dikov I.A., Generalov A.S. Ocenka ploshhadi udarnyx povrezhdenij PKM razlichnymi metodami ultrazvukovogo kontrolya [Assessment of the area of shock damage to the PCM by various methods of ultrasonic testing]. Trudy VIAM, 2022, no. 7, pp. 125-133 doi: 10.18577/2307-6046-2022-0-7-125-13
  17. Mitryaykin V.I., Bezzametnov O.N. Prochnost mnogoslojnyx plastin s udarny`mi povrezhdeniyami [Strength of multilayered plates with impact damage] .Uchenye Zapiski Kazanskogo Universiteta. Seriya Fiziko-Matematicheskie Nauki, 2022, vol. 164, no. 2–3, pp. 206–220 doi: 10.26907/2541-7746.2022.2-3.206-22
  18. Dudarkov Yu.I., Limonin M.V. Eksperimentalnye issledovaniya vliyaniya energii nizkoskorostnogo udara na ostatochnuyu prochnost silovyx panelej iz PKM [Experimental studies of the effect of low-velocity impact energy on the residual strength of PCM power panels]. Mechanics of composite materials and structures, 2024, vol. 30, no. 1. pp. 72-84
  19. Molkov O.R., Bolshikh A.A. Metodika po opredeleniyu urovnya degradacii uprugix svojstv kompozitnyx panelej bolshix tolshhin pod vozdejstviem nizkoskorostnyx udarnyx vozdejstvij [Method of determining the elastic properties degradation level in the heavy gage composite panels exposed to the low-velocity impact action]. Inzhenerny`j zhurnal: nauka i innovacii, 2024, no.
  20. Millett J.C.F., Bourne N.K., Meziere Y.J.E., et al. The effect of orientation on the shock response of a carbon fibre–epoxy composite // Composites Science and Technology. 2007. V. 67. P. 3253–3260. https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2007.03.03
  21. Vieille B., Casado V.M., Bouvet C. About the impact behavior of woven-ply carbon fiber-reinforced thermoplastic- and thermosetting-composites: A comparative study // Composite Structures. 2013. V. 101. P. 9–21. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2013.01.02
  22. Namala K.K., Mahanjan P., Bhatnagar N. Digital image correlation of low velocity impact on a glass/epoxy composite // International Journal for Computational Methods in Engineering Science and Mechanics. 2014. V. 15. N 3. P. 203–217 https://doi: 10.1080/15502287.2014.88244
  23. Destic F., Bouvet C. Impact damages detection on composite materials by THz imaging // Case Stud. Nondestruct. Test. Eval. 2016. V. 6. P. 53–62. http://dx.doi.org/10.1016/j.csndt.2016.09.00
  24. Flores M., Mollenhauer D., Runatunga V., et al. High-speed 3D digital image correlation of low-velocity impacts on composite plates // Composites Part B. 2017. V. 131. P. 153–164
  25. Zharenov I.A., Kulesh V.P., Kuruliuk K.A. Izmerenie metodom videogrammetrii polej deformacii panelej v rezul`tate udarnogo povrezhdeniya [Measuring deformation fields of panels suffering impact damages with videogrammetry method]. Trudy MAI, 2018, Issue 101, P. 1
  26. Bogenfeld R., Schmiedel P., Kuruvadi N., et al. An experimental study of the damage growth in composite laminates under tension–fatigue after impact // Composites Science and Technology. 2020. V. 191. 108082. https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2020.10808
  27. Staroverov O.A., Strungar E.M., Mugatarov A.I., Dubrovskaya M.A. Residual Strength and Fatigue life of Woven Composite under Compression after Impact Loading. PNRPU Mechanics Bulletin, 2024, no. 5, pp. 106-119. https://doi.org/perm.mech/2024.5.0
  28. Perillo G., Jorgensen J.K. Numerical/Experimental study of the impact and compression after impact on GFRP composite for wind/marine applications // Procedia Engineering. 2016. V. 167. P.129–137. https://doi: 10.1016/j.proeng.2016.11.67
  29. Pavelko I., Smolaninovs M. Equivalent Hole as an Evaluation Criterion of a Composite Material Residual Strength after a Low-Speed Impact // Machines, Technologies, Materials: International Virtual Journal for Science, Techniques and Innovations for the Industry. 2010. N. 7. P.12–1
  30. Pavelko I., Smolyaninov M. Investigation of the impact of shock damage on the strength characteristics of a composite. Mechanics of composite materials, 2011, vol. 47, no. 3, pp. 471-48
  31. Tan K.T., Watanabe N., Iwahori Y. Finite element model for compression after impact behaviour of stitched composites. Composites. Part B: Engineering, 2015, vol. 79, pp. 53-60 doi: 10.1016/j.compositesb.2015.04.02
  32. Romano F., Di Caprio F., Mercurio U. Compression After Impact Analysis of Composite Panels and Equivalent Hole Method. Procedia Engineering, 2016, vol. 167, pp. 182–189 doi: 10.1016/j.proeng.2016.11.68
  33. Sidorov I. N., Mitryaikin V. I., Gorelov A. V., Shabalin L. P. Issledovanie prochnosti kompozitnoj lopasti nesushhego vinta vertoleta, imeyushhej udarnye povrezhdeniya, po teorii predelnogo ravnovesiya [Strength analysis of composite rotor helicopter blade, having percussive damage, by limit equilibrium theory]. Zhurnal Srednevolzhskogo matematicheskogo obshhestva, 2019, vol. 21, no. 3, pp. 343–352 doi: 10.15507/s2079-6900.201903.343-35
  34. Pisarev V.S., Eleonsky S.I., Chernov A.V. Residual stress determination in orthotropic composites by displacement measurements near through hole. Experimental Mechanics, 2015, vol. 55, no. 7, pp. 1225–1238 doi: 10.1007/s11340-015-0015-
  35. Eleonsky S., Kazantsev D., Pisarev V., Statnik E. Influence of plate thickness on the results of residual stresses determination by through hole drilling in orthotropic composites of different fiber orientation. Materials Today: Proceedings doi: 10.1016/j.matpr.2023.09.07
  36. Pisarev V.S., Odintsev I.N., Eleonsky S.I., Apalkov A.A. Residual stress determination by optical interferometric measurements of hole diameter increments. Optics and Lasers in Engineering, 2018, vol. 110, pp. 437–456 doi: 10.1016/j.optlaseng.2018.06.02
  37. Eleonsky S.I., Pisarev V.S., Statnik E.S., Salimon A.I., Korsunsky A.M. Residual stress determination by blind hole drilling and local displacement mapping in aluminium alloy aerospace components. Frattura ed Integrita Strutturale, 2024, 69, pp. 192-209, https://doi: 10.3221/IGF-ESIS.69.1
  38. Lekhnitsky S.G. Teoriya uprugosti anizotropnogo tela Izd. 2-e [Theory of elasticity of an Anistotropic elastic body. Holden-day], translation of 1950 Russian edition. 404

Statistics

Views

Abstract - 44

PDF (Russian) - 17

Cited-By


PlumX


Copyright (c) 2025 Eleonsky S.I., Pisarev V.S., Chernov A.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