ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ДОПУСТИМЫХ ДЕФЕКТОВ КОНСТРУКЦИОННОГО СТЕКЛОПЛАСТИКА НА ОСНОВЕ ТЕОРИИ КРИТИЧЕСКИХ РАССТОЯНИЙ

Аннотация


В процессе производства изделий из композитных материалов может возникнуть множество де- фектов: трещины, сколы, царапины, вмятины, дефекты ударного характера, воздушные макровключе- ния и другие. Такие дефекты могут существенно снизить как статическое, так и усталостное сопротив- ление конструкций. Целью данной работы является определение размеров дефектов, не влияющих на прочностные характеристики изделий из композитного материала СТЭФ, с использованием точечного и линейного подходов теории критических расстояний. В ходе работы были проведены серии испытаний на растяжение плоских образцов из конструкци- онного стеклотекстолита электротехнического назначения СТЭФ. Помимо проведенного эксперимента было осуществлено также численное моделирование процессов растяжения данных образцов. Иссле- дуемые образцы представляли собой полоски без концентраторов напряжений и с концентратором в виде V-образных вырезов с различным радиусом скругления в вершине концентратора и глубиной выреза. Полученные результаты использовались для определения констант материала по теории кри- тических расстояний. При этом были использованы два подхода теории критических расстояний: ли- нейный и точечный. Для анализа результатов экспериментов были построены конечно-элементные модели с использованием программного пакета ANSYS и проведено численное моделирование, ре- зультатом которого стали полученные линеаризированые максимальные главные напряжения на цен- тральной линии, проходящей через вершину концентратора напряжений. По результатам работы опре- делены значения критических расстояний композита, полученные с использованием точечного и линей- ного методов. На основе полученных данных установлены размеры допустимых дефектов исследуемого стеклопластика, которые не оказывают влияние на прочностные характеристики мате- риала. Полученные результаты могут быть использованы для прогнозирования прочностных характе- ристик реальных изделий со сложной геометрией, а также для диагностики повреждённых элементов конструкций.

Полный текст

В процессе производства изделий из композитных материалов может возникнуть множество дефектов: трещины, сколы, царапины, вмятины, дефекты ударного характера, воздушные макровключения и другие. Такие дефекты могут существенно снизить как статическое, так и усталостное сопротивление конструкций. Сущест- вует множество способов повлиять на дефекты (пони- зить поврежденность материала). Например, автомати- зированное управление производственным процессом с помощью искусственного интеллекта, варьирование параметрами производственного процесса и т.д. Поми- мо оптимизации процесса, постобработка также может влиять на дефекты, описанные выше. Например, ло- кальный ремонт, механическая обработка и т.д. Дефек- ты могут быть минимизированы путем оптимизации процесса и/или постобработкой, но не могут быть пол- ностью устранены. Поэтому очень важно понимать, как геометрия и расположение дефекта влияют на механи- ческие свойства [1–6]. Помимо внутренних дефектов, в конструкциях во время их эксплуатации могут возникать некоторые по- вреждения, такие как зазубрины и вмятины. Кроме того, отверстия, канавки и другие сложные конструктивные элементы также действуют как концентраторы напря- жений. Следовательно, помимо определения критиче- ского размера дефекта, также важно прогнозировать усталостное поведение деталей с концентрацией на- пряжений. Для этого можно использовать простой метод «го- рячей точки», основанный на максимальном пиковом напряжении у основания надреза. Однако практика по- казывает, что это слишком консервативно. Чтобы ре- шить эту проблему, Neuber [6] и Peterson [7] предложи- ли линейный метод (LM) и точечный метод (PM) соот- ветственно с идеей, что критический объем материала должен подвергаться критическому напряжению для возникновения усталостного разрушения. Дальнейшее развитие этих методов было проведено Tanaka [8], Lazzarin и соавт. [9]. Taylor описал семейство таких свя- занных методов как теорию критических расстояний (TCD) [10]. Общей особенностью является использова- ние параметра (критического расстояния), зависящего от материала. Классическая TCD исходит из предположения о том, что прочность компонентов с надрезом может быть оценена путем анализа поля линейно-упругих напряже- ний, действующих в окрестности концентратора напря- жений. В работе [11] была рассмотрена модификация классической теории критического расстояния на слу- чай упругопластического поведения материала, в ре- зультате чего удалось повысить точность прогнозиро- вания. В работах [12; 13] также было показано, что TCD можно использовать для прогнозирования статического разрушения материалов, содержащих различные концентраторы напряжений. Более того, в работе [14] про- демонстрировано, что теория критических расстояний пригодна для прогнозирования прочности материалов с надрезом, подвергающихся динамическому нагружению. В настоящее время TCD успешно применяется ис- следователями для прогнозирования прочности / ресур- са широкого спектра различных материалов: металлов, сплавов, композитов, бетона и т.п. [10; 15–17]. Более того, TCD можно комбинировать с различными подхо- дами: например, с критерием плотности энергии де- формации [18] и т.д. Однако следует также отметить статьи Lanning et al. [19; 20], Yamashita et al. [21] и Wang et al. [22]. Данные работы сосредоточены на ис- следовании эффекта размера критического расстояния. При этом отмечаются некоторые проблемы при приме- нении метода к небольшим надрезам и больших значе- ниях коэффициента асимметрии цикла нагружения. В этом случае могут быть использованы некоторые мо- дификации TCD, представленные в работах [10; 23; 24]. Существует ряд различных подходов, которые были приняты для использования TCD для анализа данных экспериментов и для прогнозирования. В принципе, необходимые параметры (критическое расстояние и напряжение) могут быть получены из результатов экс- периментов, проведённых только на двух типах образ- цов, например, на простом образце (без надреза) и об- разце с надрезом или на двух образцах с разными над- резами. В обычной TCD критическое расстояние – это па- раметр материала, который зависит только от коэффи- циента асимметрии и количества циклов до разруше- ния. В статье [25] показано, что дефекты, размер кото- рых значительно меньше критического расстояния, можно считать безвредным для рассматриваемого ме- ханизма разрушения, но помимо расчетных значений авторы зачастую приводят экспериментальные данные, подтверждающие результаты расчетов, что на практике показывает применимость теории критических расстоя- ний. Таким образом, TCD можно использовать для про- гнозирования не только механического поведения тел с концентрацией напряжений, но и для определения кри- тического размера дефекта при различных условиях нагружения. Значения критического расстояния корре- лируют с микроструктурой материала, поэтому этот подход, вероятно, можно было бы распространить на композитные материалы с различными ячейками пе- риодичности. Также следует отметить некоторые аль- тернативные методы: модели «внедренной трещины» и «воображаемой трещины»; подходы, фокусирующиеся на зонах перед трещиной, методы номинального напря- жения, методы локального напряженно-деформиро- ванного состояния, подходы на основе взвешенных па- раметров и другие. Более детальные обзоры представ- лены в работах [30; 31]. Целью данной работы является определение мини- мальных размеров дефектов, не влияющих на прочно- стные характеристики изделий из композитного мате- риала СТЭФ, с использованием точечного и линейного подходов TCD.

Об авторах

М. Н Муллахметов

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

Д. С Лобанов

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

В. А Мельникова

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

А. С Янкин

Назарбаев Университет

Список литературы

  1. Tashkinov M.A. Modelling of fracture processes in laminate composite plates with embedded delamination // Frattura ed Integrità Strutturale. – 2017. – Vol. 39. – P. 248–262; doi: 10.3221/IGF-ESIS.39.23
  2. Repair of damage in aircraft composite sound-absorbing panels / A.N. Anoshkin, V.Yu. Zuiko, M.A. Tashkinov, V.V. Sil- berschmidt // Composite Structures. – 2015. – Vol. 120. – P. 153– 166. doi: 10.1016/j.compstruct.2014.10.001
  3. Cantwell W.J., Morton J. The significance of damage and defects and their detection in composite materials: a review // The Journal of Strain Analysis for Engineering Design. – 1992. – Vol. 27(1). – P. 29–42.
  4. Armstrong K.B., Cole W., Bevan G. Care and repair of advanced composites. – London: SAE International, 2005.
  5. Evaluation of Repair Efficiency in Structures Made of Fibrous Polymer Composite Materials / A.N. Anoshkin [et al.] // Mechanics of Composite Materials. – 2014. – Vol. 50, № 3. – P. 311–316.
  6. Strungar E., Lobanov D., Wildemann V. Evaluation of the Sensitivity of Various Reinforcement Patterns for Structural Carbon Fibers to Open Holes during Tensile Tests // Polymers. – 2021. – Vol. 13, № 24. – P. 4287.
  7. Neuber H. Theory of notch stresses: principles for exact calculation of strength with reference to structural form and material. 2nd ed. – Berlin: Springer Verlag, 1958.
  8. Peterson R.E. Notch sensitivity / Sines G., Waisman J.L., editors // Metal fatigue. – New York: McGraw Hill, 1959. – P. 293–306.
  9. Tanaka K. Engineering formulae for fatigue strength reduction due to cracklike notches // Int. J. Fract., 1983. – Vol. 22. – P. 39–45. doi: 10.1007/BF00942722
  10. Lazzarin P., Tovo R., Meneghetti G. Fatigue crack initiation and propagation phases near notches in metals with low notch sensitivity // Int J Fatigue. – 1997. – Vol. 19. – P. 647–57. doi: 10.1016/S0142-1123(97)00091-1
  11. Taylor D. The theory of critical distances: a new perspective in fracture mechanics. – Oxford, UK: Elsevier, 2007. doi: 10.1016/B978-0-08-044478-9.X5000-5
  12. A comparison of the two approaches of the theory of critical distances based on linear-elastic and elasto-plastic analyses IOP Conf. / A.I. Terekhina [et al.] // Ser.: Mater. Sci. Eng. – 2017. – Vol. 208. – P. 012042. doi: 10.1088/1757-899X/208/1/012042
  13. Susmel L., Taylor D. The Theory of Critical Distances to estimate the static strength of notched samples of Al6082 loaded in combined tension and torsion. Part I: Material cracking behavior // Engineering Fracture Mechanics. – 2010. – Vol. 77. – P. 452–469.
  14. Susmel L., Taylor D. The Theory of Critical Distances to estimate the static strength of notched samples of Al6082 loaded in combined tension and torsion. Part II: Multiaxial static assessment. Engineering Fracture Mechanics. – 2010. – Vol. 77. – P. 470–478.
  15. On the use of the critical distance concept to estimate tensile strength of notched components under dynamic loading and physical explanation theory / A. Vedernikova, A. Kostina, O. Ple- khov, A.M. Bragov // Theoretical and Applied Fracture Mechanics. – 2019. – Vol. 103. – P. 102280. doi: 10.1016/j.tafmec.2019.102280
  16. Taylor D. “On the application of the Theory of Critical Distances for prediction of fracture in fibre composites” // Frattura ed Integrità Strutturale. – 2009. – Vol. 4(11). – P. 3–9. doi: 10.3221/IGF-ESIS.11.01
  17. Alanazi N., Susmel L. The Theory of Critical Distances to Predict Static and Dynamic Strength of Notched Plain Concrete under Mixed-Mode I/II Loading // Procedia Structural Integrity. – 2020. – Vol. 28. – P. 886–895.
  18. Benedetti M., Santus C. Notch fatigue and crack growth resistance of Ti-6Al-4V ELI additively manufactured via selective laser melting: A critical distance approach to defect sensitivity // Int J Fatigue. – 2019. – Vol. 121. – P. 281–292. doi: 10.1016/j.ijfatigue.2018.12.020
  19. Theory of critical distance combined with the generalized strain energy density criterion for mixed mode fracture assessment of PMMA dental materials / Bahador Bahrami, Majid R. Ayatollahi, Saeid Ghoulia // Procedia Structural Integrity. – 2020. – Vol. 28. – P. 829–835. doi: 10.1016/j.prostr.2020.10.097
  20. Nicholas R. Gates, Ali Fatemi Multiaxial variable amplitude fatigue life analysis using the critical plane approach, Part II: Notched specimen experiments and life estimations // Int J Fatigue. – 2018. – Vol. 106. – P. 56–69. doi: 10.1016/j.ijfatigue.2017.09.009
  21. Lanning D., Nicholas T., Haritos G. On the use of critical distance theories for the prediction of the high cycle fatigue limit stress in notched Ti-6Al-4V // Int J Fatigue. – 2005. – Vol. 27. – P. 45–57. doi: 10.1016/j.ijfatigue.2004.06.002
  22. Lanning D., Nicholas T., Palazotto A. HCF notch predictions based on weakest-link failure models // Int J Fatigue. – 2003. – Vol. 25. – P. 835–841. doi: 10.1016/S0142-1123(03)00156-7
  23. Fatigue life prediction of small notched Ti-6Al-4V specimens using critical distance / Y. Yamashita, Y. Ueda,
  24. H. Kuroki, M. Shinozaki // Engineering Fracture Mechanics. – 2010. – Vol. 77(9). – P. 1439–1453. doi: 10.1016/j.engfracmech.2010.04.001
  25. Wang J., Yang X. HCF strength estimation of notched Ti- 6Al-4V specimens considering the critical distance size effect // Int J Fatigue. – 2012. – Vol. 40. – P. 97–104. doi: 10.1016/j.ijfatigue.2011.12.019
  26. Susmel L., Taylor D. A novel formulation of the theory of critical distances to estimate lifetime of notched components in the medium-cycle fatigue regime // Fatigue Fract Engng Mater Struct. – 2007. – Vol. 30(7). – P. 567–581. doi: 10.1111/j.1460- 2695.2007.01122.x
  27. Taylor D. Applications of the Theory of Critical Distances in Failure Analysis. Engineering Failure Analysis. – 2010. doi: 10.1016/j.engfailanal.2010.07.002
  28. Recent advances on notch effects in metal fatigue: A review / Ding Liao, Shun Peng, Zhu José A.F.O. Correia, Abílio
  29. M.P. De Jesus, Filippo Berto // Fatigue Fract Engng Mater Struct. – 2020. – Vol. 43(4). – P. 637–659. doi: 10.1111/ffe.13195
  30. Lobanov D.S., Yankin A.S., Berdnikova N.I. Statistical evaluation of the effect of hygrothermal aging on the interlaminar shear of GFRP // Frattura ed Integrità Strutturale. – 2022. – Vol. 60. – P. 146–157. doi: 10.3221/IGF-ESIS.60.11
  31. Strungar E.M., Lobanov D.S. Mathematical data processing according to digital image correlation method for polymer composites // Frattura ed Integrità Strutturale. – 2020. – Vol. 54. – P. 56–65. doi: 10.3221/IGF-ESIS.54.04
  32. Application of the Theory of Critical Distances to predict the effect of induced and process inherent defects for SLM Ti-6Al- 4V in high cycle fatigue / B. Gillham, A. Yankin, F. McNamara C. Tomonto, D. Taylor, R. Lupoi // CIRP Annals. – 2021. – Vol. 70, iss. 1. – P. 171–174. doi: 10.1016/j.cirp.2021.03.004
  33. The Analysis of Small-Scale Notches on the Fatigue Perfor- mance of SLM Ti-6Al-4V; A Theory of Critical Distances Approach / B. Gillham, A. Yankin, H. Shipley, F. McNamara, C. Tomonto, G. O’Donnell, D. Trimble, S. Yin, D. Taylor, R. Lupoi // Key Engineer- ing Materials. – 2022. – Vol. 926. – P. 250–267. doi: 10.4028/p-h0iap

Статистика

Просмотры

Аннотация - 148

PDF (Russian) - 90

Cited-By


PlumX


© Муллахметов М.Н., Лобанов Д.С., Мельникова В.А., Янкин А.С., 2023

Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.

Данный сайт использует cookie-файлы

Продолжая использовать наш сайт, вы даете согласие на обработку файлов cookie, которые обеспечивают правильную работу сайта.

О куки-файлах