Экспресс-оценка усталостной прочности композитных фланцев методом инфракрасной термографии

Аннотация


При проектировании изделий из полимерных композиционных материалов, работающих в условиях вибраций, приходится проводить специальные трудоемкие и длительные испытания, чтобы получить характеристики сопротивления разрушению вследствие многоцикловой усталости. В ответственных случаях для учета влияния конструктивных и технологических факторов проводят испытания натурных деталей или типовых элементов конструкций. Для ускоренной оценки усталостной прочности материалов активно развивается метод инфракрасной термографии, основанный на использовании эффекта саморазогрева, сопровождающего появление и накопление усталостных повреждений. Цель настоящей работы состояла в разработке методики экспресс-оценки предела выносливости фланцев из слоистого полимерного композиционного материала с использованием метода инфракрасной термографии. Объектом исследования является образец, вырезанный из натурной композитной оболочки с фланцем. Разработана методика исследования, основанная на блочном циклическом нагружении образцов на электродинамическом вибростенде. В процессе нагружения поддерживается постоянной амплитуда деформаций образца в каждом блоке, регистрируется поле температур на его поверхности с помощью инфракрасной камеры. Для оценки предела выносливости были использованы два параметра, характеризующие саморазогрев образца в каждом блоке нагружения: скорость нагрева в начале блока и значение стабилизационной температуры в конце блока. Их определяли по термограммам и осредняли по наиболее нагруженной зоне образца. Скорость нагрева в начале блока и стабилизационная температура в конце блока резко возрастают, когда амплитуда деформации в блоке наргужения превышает предел выносливости. Полученные по обоим этим параметрам значения предела выносливости согласуются между собой и с результатами стандартных усталостных испытаний. Разработанная методика позволяет получить приближенную экспресс-оценку предела выносливости типовых элементов композитных конструкций в условиях многоцикловой усталости.

Полный текст

В последние годы все больше внимания уделяется изучению сопротивления усталостному разрушению полимерных композиционных материалов (ПКМ). Это обусловлено современной тенденцией применения этих материалов для изготовления высоконагруженных, подверженных вибрациям элементах конструкций, таких как детали и узлы ветрогенераторов, автомобилей и судов (см., например [1]). В наибольшей степени проблема усталостной прочности ПКМ актуальна для обеспечения надежности и безопасности в авиастроении, где постоянно увеличивается доля элементов из слоистых угле- и стеклопластиков [2-7]. Несмотря на то, что усталость композитов изучается во всем мире десятки лет, при проектировании ответственных изделий обычно приходится проводить специальные исследования и испытания, чтобы получить недостающие характеристики сопротивления усталостному разрушению. Причина в многообразии материалов наполнителя и матрицы, схем армирования, влиянии технологических и эксплуатационных факторов и, как следствие, многообразии механизмов разрушения [8-12]. У наиболее распространенных слоистых стекло- и углепластиков (GFRP и CFRP) выделяют несколько стадий усталостного разрушения: появление микротрещин в матрице, расслоения на границах матрицы и волокна, расслоения ламината, разрыв армирующих волокон [13]. Для определения характеристик сопротивления усталости композиционных материалов обычно проводят испытания образцов при циклическом нагружении с построением кривой усталости и определением ограниченного предела выносливости в соответствии со стандартами [14, 15]. Такой подход требует проведения длительных дорогостоящих испытаний большого количества образцов при различных уровнях нагрузки. Это ограничивает возможности оптимизации схем армирования, проверки конструктивных и технологических решений при проектировании изделий, затягивает сроки и стоимость разработки. Для приближенной экспресс-оценки предела выносливости металлов применяют ускоренные методы Про, Эномото, Локатти и др. [16-19]. Применительно к металлам был разработан подход к оценке характеристик сопротивления многоцикловой усталости без усталостных испытаний с использованием характеристик рассеяния энергии при циклических деформациях (см., например, [19, 20]). Для ускоренного определения предела выносливости металлов в работах A.Risitano [21] и M.Luong [22] был предложен термографический метод (IRT–метод, Infra-Red Thermography), основанный на интенсификации саморазогрева образца в процессе нагружения при нагрузках выше предела выносливости вследствие появления и развития усталостных повреждений. Достоверность результатов авторы [21, 22] подтверждают сравнением с пределами выносливости, полученными путем стандартных усталостных испытаний. В качестве главного преимущества метода IRT перед стандартными усталостными испытаниями отмечается, что он позволяет получить предел выносливости за короткое время на небольшом количестве образцов. Метод IRT с некоторыми вариациями успешно применялся не только к металлам [23-26], но и к различным полимерным композиционным материалам: слоистым термореактивным углепластикам [27], 3D армированным углепластикам [28], стеклопластикам [29], термопластам [30, 31], гибридным композитам [32]. В работе [28] перечислены основные механизмы накопления усталостных повреждений, вызывающие рассеивание энергии и саморазогрев армированных композитов при циклическом нагружении: вязкоупругое деформирование материала матрицы, растрескивание матрицы, трение на поверхности раздела волокон и матрицы, переориентация волокон, разрушение волокон. Особую роль в усталостной прочности слоистых угле- и стеклопластиков играют конструктивные и технологические факторы. Даже если доступны полученные из испытаний образцов характеристики усталостной прочности материала, их использование при проектировании конструкций из этого материала ограничено и часто требует дополнительных исследований [13, 18, 38]. Причина в том, что условия нагружения волокон и матрицы в образцах и конструктивных элементах могут существенно различаться, особенно в локальных зонах изгиба слоев ламината, утолщений, отверстий, соединений. Такие локальные зоны имеются, например, у подкрепляющих элементов оболочек, фланцев и т.д. Другая причина в том, что даже одинаковые технологии изготовления образцов и конструктивных элементов не гарантируют совпадение их механических характеристик. Поэтому в ответственных случаях для определения характеристик сопротивления усталостному разрушению приходится проводить испытания натурных деталей или типовых конструктивных элементов (см., например, [39-43]). В настоящей работе рассматривается усталостная прочность элементов фланцевых соединений, которые широко применяются и часто являются наиболее нагруженными в конструкциях из ПКМ [44-46]. В работах [45, 46] исследовано напряженно-деформированного состояние фланцев композитных оболочек при статическом нагружении. В работе [47] исследованы закономерности разрушения и теплового состояния фланцев углепластиковых оболочек в условиях усталостных испытаний. Цель настоящей работы – разработка методики экспресс-оценки предела выносливости фланцев из слоистого композита с использованием метода IRT.

Об авторах

М. Ш Нихамкин

Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Пермь, Российская Федерация

Д. Г Соломонов

Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Пермь, Российская Федерация

Список литературы

  1. Келли А. Инженерный триумф углеволокон. Композиты и наноструктуры. – 2009. – №1. – с.38-49
  2. Каблов Е.Н. ВИАМ: материалы нового поколения для ПД-14 // Крылья Родины. – 2019. – С. 54–58
  3. Parveez, B.; Kittur, M.I.; Badruddin, I.A.; Kamangar, S.; Hussien, M.; Umarfarooq, M.A. // Scientific Advancements in Composite Materials for Aircraft Applications: A Review. – Polymers. – 2022. – V. 14. – pp.1-1
  4. Колобков А.С. Полимерные композиционные материалы для различных конструкций авиационной техники (обзор) // Труды ВИАМ. – №6-7 (89). – 2020. – С.38-4
  5. Каримбаев Т.Д., Луппов А.А., Афанасьев Д.В. Рабочие лопатки вентиляторов из углепластика для перспективных двигателей. Достижения и проблемы // Двигатель. – 2011. – №6 (78). – С. 2-
  6. Путилина П.М., Куцевич К.Е., Исаев А.Ю. Полимерные композиционные материалы на основе углеродных и стеклянных волокон для изготовления деталей беспилотных летательных аппаратов и перспективы их развития // Труды ВИАМ. – 2023. – № 8 (126). – 8 С
  7. Стрижиус В.Е. Оценка усталостной долговечности слоистых композитов с использованием нормализованных кривых усталости // Материаловедение. Энергетика. – Т. 26. – №3. – 2020. – С. 20-32
  8. Alam P, Mamalis D, Robert C., Floreani C., Brádaigh C. M. Ó. The fatigue of carbon fibre reinforced plastics - a review// Composites Part B. – 2019. – PP.555-579
  9. Sevenois R. D. B., Van Paepegem W. Fatigue damage modeling techniques for textile composites: review and comparison with unidirectional composite modeling techniques // Applied Mechanics Reviews. –2015. – 67. – Iss.2. 020802.
  10. Talreja R. Damage Mechanics and Fatigue Life Assesment of Composite Materials // International Journal of Damage Mechanics. – 1999. – V.8. – p.339-35
  11. Adrdte S. Matrix cracking in laminated composites: a review// Composites Engineering. –1991. – Vol. 1. – No. 6. – PP. 337-353
  12. Degrieck J., Van Paepegem W. Fatigue Damage Modelling of Fibre-Reinforced Composite Materials: Review// Applied Mechanics Reviews, 54. – 2001. – Iss.4. – PP.279-300
  13. Каримбаев Т.Д. Оценка усталостной долговечности изделий из композиционных материалов// Авиационные двигатели. – 2020. – 4(9). – С.75 – 93
  14. ГОСТ 57143-2016 Композиты полимерные. Метод испытания на усталость при циклическом растяжении // М. Стандартинформ. – 2016. – 16 с
  15. ASTM Standard D 3479/D 3479M–96 (2007). Test Method for Tension-Tension Fatigue of Polymer Matrix Composite Materials// ASTM International. – 2007. – 6pp
  16. РД 50-686-89 Методические указания. Надежность в технике. Методы ускоренных испытаний на усталость для оценки выносливости. // М. Гоостандарт. – 1990. – 19 с
  17. Степнов М. Н., Зинин А.В. Прогнозирование характеристик сопротивления усталости материалов и элементов конструкций. // М. «Инновационное машиностроение». – 2016. – 391с
  18. Коллинз Д.А. Повреждение материалов в конструкциях. Анализ, предсказание, предотвращение. // М. Мир. – 1984. – 624 с
  19. Трощенко В.Т., Сосновский Л.А. Сопротивление усталости металлов и сплавов. // Киев. «Накова думка». – 1987. – T.1. – 505 с
  20. Трощенко В.Т. Об энергетических критериях усталостного разрушения //Заводская лаборатория. – 1967. – №9. – С. 1126-1128
  21. La Rosa G., Risitano A. Thermographic methodology for rapid determination of the fatigue limit of materials and mechanical components// International Journal of Fatigue. –2000. – 22pp. 65–73
  22. Luong M.PP. Infrared thermographic scanning of fatigue in metals // Nuclear Engineering and Design. – 1995. – 158. – pp.363-376
  23. Cura F., Curti G., Sesana R. A new iteration method for the thermographic determination of fatigue limit in steels // International Journal of Fatigue. – 2005. – 27. – pp. 453–459
  24. Куриленко Г.А., Устюгов М.Б. Термографический метод определения индивидуальных пределов выносливости деталей приборов // Гео-Сибирь. – 2007. – Т. 4. – № 1. – С. 242-24
  25. Терехина А.И., Федорова А.Ю., Банников М.В., Плехов О.А. Разработка метода оценки предела выносливости материала по данным инфракрасной термографии //Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. – 2012. – № 4. – С. 115-127
  26. Colombo C., Vergani L. Thermographic applications for the rapid estimation of fatigue limit // Procedia Structural Integrity. – 2019. – V.24. – PP. 658–666
  27. Huang J., Garnier C., Pastor M.-L., Gong X.J. Investigation of self-heating and life prediction in CFRP laminates under cyclic shear loading condition based on the infrared thermographic data // International Journal of Fatigue. – 2019. – 120. – pp. 87–95
  28. Montesano J., Fawaz Z., Bougherara H. Use of infrared thermography to investigate the fatigue behavior of a carbon fiber reinforced polymer composite // Composite Structures. – 2013. – 97. – pp. 76–8
  29. Colombo C., Bhujangrao T., Libonati F., Vergani L. Effect of delamination on the fatigue life of GFRP: A thermographic and numerical study // Composite Structures. – 2019. – V.218. – PP.152-161
  30. Muller L., Roche J.-M., Hurmane A., LeroyF.-H., Peyrac C., Gornet L. Investigation of self-heating and damage progression in woven carbon fibre composite materials, following the fibres direction, under static and cyclic loading // Journal of Composite Materials. – 2021. – Vol. 55(26). – pp. 3909–3924
  31. Li A., Huang J., Zhang C. Enabling rapid fatigue life prediction of short carbon fiber reinforced polyetherether-ketone using a novel energy dissipation–based model // Composite structures. – 2021. – V. 272. – pp.1-3
  32. Sharba M.J. Fatigue strength prediction of hybrid composites via IR thermography and energy loss methods // Journal of Industrial Textile. – 2022. – Vol. 51. – PP.4184–4199.
  33. Toubal L., Karama M., Lorrain B. Damage evolution and infrared thermography in woven composite laminates under fatigue loading//International Journal of Fatigue. – 2006. – 28. – PP. 1867–1872
  34. Grammatikos S. A.,. Kordatos E.Z, Matikas T.E., Paipetis A.S. On the fatigue response of a bonded repaired aerospace composite using thermography//Composite Structures. – 2018. – V.188. – PP. 461-469.
  35. Nobile R, Panella F W, Pirinu A , Saponaro A. Full-field monitoring methods for damage analysis on aeronautical CFRP specimens under fatigue loads // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. – 2022. – V. 1214. – pp. 1-1
  36. Fan J., Zhao Y. Quantitative thermography for fatigue damage assessment and life prediction of welded components // Mechanics of Materials. – 2022. – pp.1-1
  37. Wei W., Sun Y., Chen M., Zhao X., Tang Y., Zou L., Yang X. Rapid fatigue life prediction of butt joint using energy dissipation // International Journal of Mechanical Sciences. – 2023. – V. 245. – pp.1-1
  38. Alam P, Mamalis D, Robert C., Floreani C., Brádaigh C. M. Ó. The fatigue of carbon fibre reinforced plastics - a review// Composites Part B 166. – 2019. – PP.555-579
  39. Wang Y., Soutis C. A Finite Element and Experimental Analysis of Composite T-Joints Used in Wind Turbine Blades // Applied Composite Materials. – 2018. – V.25. – PP.953–96
  40. Vallons K., Adolphs G., Lucas PP., Lomov S.V., Verpoest I. Quasi-UD glass fibre NCF composites for wind energy applications: a review of requirements and existing fatigue data for blade materials//Mechanics 26Industry. – 2013. – 14. – pp.175–189
  41. Wang Z.Y., Zhou X.F., Liu Z.F., Wang Q.Y. Fatigue behavior of composite girders with concrete-filled tubular flanges and corrugated webs—experimental study//Engineering Structures. – 2021. – V. 241. – pp.1-1
  42. Дубинский С. В., Севастьянов Ф. С., Голубев А. Ю., Денисов С. Л., Костенко В. М., Жаренов И.А. Расчетно-экспериментальное исследование влияния виброакустических нагрузок на прочность композитного соединения //Акустический журнал. – 2019. – T. 65. – № 4. – с. 460–47
  43. Dávila C.G., Bisagni C. Fatigue life and damage tolerance of postbuckled composite stiffened structures with indentation damage//Journal of Composite Materials. – 2018. – 52:7. – pp. 931-943
  44. Соломонов, Д.Г., Нихамкин М.Ш., Торопицина А.В. Выбор конструктивно-подобных элементов для испытаний на усталость авиационных конструкций из полимерных композиционных материалов // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Аэрокосмическая техника. – 2022. – № 69. – С. 62–70.
  45. Jansson N.E., Lutz A., Wolfahrt M., Sjunnesson A. Testing and analysis of a highly loaded composite flange//ECCM13: 13th European Conference on Composite Materials. – Stockholm. – 2008. – 8pp
  46. Аношкин А.Н., Ташкинов А.А. Прогнозирование несущей способности композитных фланцев корпусных деталей авиадвигателей. // Пермский гос. техн. ун-т. Пермь. – 1998. – 101 с
  47. Соломонов Д.Г., Саженков Н.А., Конев И.П., Торопицина А.В., Нихамкин М.Ш. Закономерности усталостного разрушения типового композитного фланца // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. – Механика. – 2023. – № 3. – С. 145–153.
  48. Макарова Н.В., Трофимец В.Я. Статистика в Excel. // М.: Финансы и статистика. – 2002. – 368

Статистика

Просмотры

Аннотация - 7

PDF (Russian) - 5

Cited-By


PlumX


© Нихамкин М.Ш., Соломонов Д.Г., 2024

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