Экспериментальное изучение предельных деформаций и разрушение стеклопластиков с концентраторами напряжений

Аннотация


Работа посвящена экспериментальному исследованию влияния масштабного эффекта на процессы инициирования и развития дефектов в области концентраторов напряжений в структурно-неоднородном материале при квазистатическом нагружении. Образцы композита были изготовлены из стеклотекстолита СТЭФ. В качестве концентратора рассматривалось сквозное отверстие разного диаметра, расположенное по геометрическому центру образца. Получены новые данные о механическом поведении композита с помощью метода корреляции цифровых изображений (DIC), метода акустической эмиссии (AE) и оптической микроскопии. В работе проведены экспериментальные исследования механического поведения композитов в зонах концентраторов с учетом структурных параметров. По мере увеличения диаметра отверстия несущая способность снижается. Метод DIC позволил изучить эволюцию неоднородных полей деформаций на поверхности образцов. Был отмечен характерный рост кумулятивной энергии у всех видов образцов вне зависимости от размера и наличия концентраторов напряжений, а именно плавный незначительный рост значений с резким всплеском высокой энергии в конце испытания. Были проанализированы значения частот спектрального максимума, отмечены дополнительные интервалы частот, а также показан вклад каждого в общее количество сигналов, установлены закономерности между интервалами частот и наличием концентратора на образцах. На основе микроструктурных исследований выявлены основные виды дефектов, полученные данные подтверждают результаты, зарегистрированные с помощью акустической эмиссии. Таким образом, в работе получены экспериментальные данные, демонстрирующие наличие масштабного эффекта прочности стеклопластиков с концентраторами в зависимости от структурных параметров.

Полный текст

Влияние концентраторов на глобальное поведение структур композиционных материалов вызывает значительное снижение прочности и срока службы составных структур. Наличие отверстия в образце можно использовать для моделирования других сложных форм повреждений, таких как удары или сквозные трещины [1-4]. В научной литературе отечественными и зарубежными авторами [5, 6] отмечается, что сложность структуры композиционных материалов приводит к необходимости рассматривать дефекты на различных масштабных уровнях и на разных стадиях изготовления структурных компонентов, материалов и изделий. В работах, приведенных авторов, было отмечено, что разрушение обычно наблюдается в области, не совпадающей с точкой максимального коэффициента концентрации осредненных напряжений. Особый интерес представляет установление связи между масштабным эффектом и параметром структурной неоднородности материала. Чем больше размеры образца, тем больше в нем может быть всякого рода дефектов – пустот, включений, участков с различными внутренними и внешними повреждениями. Поскольку отверстия разного размера вовлекают в работу различные объемы материала, которые, в свою очередь включают в себя разное количество элементов структуры, процессы деформирования могут вести себя по-разному, особенно, когда размер отверстия сопоставим с величиной структурного элемента. Для структурно-неоднородных материалов в зону концентрации напряжений попадает разное количество структурных элементов, реализуются различные механизмы разрушения этих элементов. С размером структурного элемента связан масштабный эффект (эффект абсолютного размера, англ. scale effect), учет которого необходим при постановке модельных экспериментов [7-11]. В целом термин «эффект абсолютного размера» относится к влиянию размера образца на механические характеристики, такие как прочность. Размерные эффекты в горной инженерии представляли особый интерес в течение последних четырех десятилетий, и было проведено много исследований для понимания этого явления. Для прогнозирования разрушения бетона фундаментальное значение имеет эффект размера материала [12, 13]. Номинальная прочность всегда уменьшается с увеличением размера образца. Механическое поведение бетона становится квазихрупким в лабораторных условиях, но в достаточно больших масштабах поведение имеет тенденцию становиться совершенно хрупким [14]. Вопрос о размерном эффекте материала стал решающим при проектировании бетонных конструкций, для которых установлено различие между масштабами в лабораторных испытаниях. Среди различных теорий размерного эффекта материала Базант [14] установил, что детерминированный размерный эффект на номинальную прочность вызван наличием большой зоны разрушения (FPZ) характерного размера, которая всегда предшествует дискретным макротрещинам. Размерные эффекты не ограничиваются горными породами. Результаты, полученные в работе [15] дают прямое доказательство того, что ширина образца C/SiC оказывает большое влияние на механические свойства. В работе [11] отмечено влияние масштабного эффекта на прочностные характеристики и даны рекомендации выбору оптимального соотношения ширины образца и размера отверстия для композиционного материала PET (rPET) при статических испытаниях. В работе [16] приведены исследования позволяющие оценить то, как концентрация напряжений и деформаций в ортотропных композитных пластинах влияют на размер и форму отверстия, количество слоев, ориентацию волокон и кривизну пластины с помощью расчетных данных. Оценка прочности образцов с отверстиями является сложной̆ задачей̆ даже при простом нагружении из-за взаимодействия различных видов повреждений. Распределение напряжений вокруг отверстий оценивается с помощью вычислительных методов и экспериментального анализа напряжений. Важным научным направлением являются эксперименты с применением комбинированных способов исследования разрушения композитных объектов с концентраторами в виде отверстий, вырезов и выточек для анализа напряженно-деформированного состояния материала [17-20]. В работах многих авторов отмечается перспективность совместного использования видеосистемы бесконтактного измерения и анализа полей̆ перемещений и деформаций для анализа механического поведения композитов при различных видах квазистатического и циклического нагружения [21-29]. Также одним из эффективных методов диагностики структурной̆ целостности и обнаружения развивающихся дефектов под воздействием нагрузки в конструкционных материалах является метод акустической̆ эмиссии (АЭ). Изучение процессов накопления повреждений в композитах дает понимание о стадийности разрушения структурно-неоднородных материалов, что, в свою очередь, необходимо при создании ответственных конструкций и сооружений из композиционных материалов [30-36]. Таким образом, полученные в работе результаты в области экспериментальной механики композитов имеют существенное значение для развития моделей и методов прочностного анализа элементов ответственных композитных конструкций. Основная цель исследования в накоплении экспериментальных данных об особенностях механического поведения современных композиционных материалов с концентраторами напряжений, в частности, оценка влияния размера отверстия на степень снижения несущей способности композитов, а также исследование механического поведения и масштабного фактора на геометрически подобных образцах.

Об авторах

Е. М Струнгарь

Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Пермь, Российская Федерация

Д. С Лобанов

Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Пермь, Российская Федерация

Е. А Чеботарева

Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Пермь, Российская Федерация

Список литературы

  1. Kumar A., Behera R.K. Passive Constrained Layer Damping: A State of the Art Review // IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. – 2019. – Vol. 653. – art. No. 012036. doi: 10.1088/1757-899X/653/1/01203
  2. Nashif A.D., Jones D.I.G., Henderson J.P. Vibration Damping. Wiley, 1985. 453p
  3. Sun C.T., Lu Y.P. Vibration Damping of Structural Elements. Prentice-Hall, 1995. 372p
  4. Stanway R., Rongong J.A., Sims N.D. Active constrained-layer damping: A state-of-the-art review Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part I // Journal of Systems and Control Engineering 2003. Vol. 217, No 6. pp. 437-456. doi: 10.1177/09596518032170060
  5. Trindade M.A., Benjeddou A. Hybrid Active-Passive Damping Treatments using Viscoelastic and Piezoelectric Materials: Review and Assessment // Journal of Vibration and Control. 2002. Vol. 8, No 6. pp. 699-745. doi: 10.1177/107754602918
  6. Sahoo S.R., Ray M.C. Active damping of geometrically nonlinear vibrations of smart composite plates using elliptical SCLD treatment with fractional derivative viscoelastic layer // European Journal of Mechanics A/Solids. – 2019. – Vol. 78. – art. No. 103823. doi: 10.1016/j.euromechsol.2019.10382
  7. Sahoo S.R., Ray M.C. Active control of laminated composite plates using elliptical smart constrained layer damping treatment //Composite Structures. – 2019. Vol. 211. pp. 376-389. doi: 10.1016/j.compstruct.2018.12.00
  8. Ватульян А.О., Дударев В.В. К исследованию колебаний цилиндра с вязкоупругим покрытием // Вычислительная механика сплошных сред. – 2021. – Vol. 14, No.3. – pp. 312–321. https://doi.org/10.7242/1999-6691/2021.14.3.2
  9. Park C.H., Ahn S.J., Park H.C. Modeling of a Hybrid Passive Damping System // Journal of Mechanical Science and Technology, 2005. Vol. 19, No. 1. pp. 127-135. doi: 10.1007/BF0291611
  10. Trindade M.A. Optimization of passive constrained layer damping treatments applied to composite beams // Latin American Journal of Solids and Structures, 2007. – Vol. 4, No. 1. pp.19-38
  11. Li F.-M., Kishimoto K., Wang Y.-S., Chen Z.-B., Huang W.-H. Vibration Control of Beams with Active Constrained Layer Damping // Smart Materials and Structures, 2008. Vol. 17, No. 6, art. No. 065036. doi: 10.1088/0964-1726/17/6/06503
  12. Trindade M.A. Optimization of Active-Passive Damping Treatments using Piezoelectric and viscoelastic Materials// Smart Materials and Structures, 2007. Vol. 16. pp. 2159-2168. doi: 10.1088/0964-1726/16/6/01
  13. Vibration Control of Plate by Active and Passive Constrained Layer Damping /S. Meena, N. Kumar, S.P. Singh, B.C. Nakra //Advances in vibration engineering, 2009. - 8(4). - pp. 345-356
  14. Gupta A., Panda S., Reddy R.S. An actively constrained viscoelastic layer with the inclusion of dispersed graphite particles for control of plate vibration // Journal of Vibration and Control. – 2020. Vol. 27, No. 17-18. pp. 2152–2163. doi: 10.1177/1077546320956533
  15. Mead D.J., Markus S. The Forced Vibration of a Three-Layer, Damped Sandwich Beam with Arbitrary Boundary Conditions// Journal of Sound and Vibration, 1969. Vol. 10, No. 2. p.163-175. doi: 10.1016/0022-460X(69)90193-
  16. Bai H, Aoues Y, Cherfils J-M, Lemosse D. Design of an Active Damping System for Vibration Control of Wind Turbine Towers // Infrastructures. – 2021. – Vol. 6, No. 11. – art. No. 162. doi: 10.3390/infrastructures611016
  17. Vinyas M., Harursampath D., Nguyen-Thoi T. Influence of active constrained layer damping on the coupled vibration response of functionally graded magneto-electro-elastic plates with skewed edges // Defence Technology. – 2020. Vol. 16, No.5. pp. 1019-1038. doi: 10.1016/j.dt.2019.11.016
  18. Huang Z, Huang F, Wang X, Chu F. Active Vibration Control of Composite Cantilever Beams // Materials (Basel). – 2022. Vol. 16, No. 1. art. No. 95. doi: 10.3390/ma1601009
  19. Zhu R.Z., Zhang X.N., Zhang S.G., Dai Q.Y., Qin Z.Y., Chu F.L. Modeling and topology optimization of cylindrical shells with partial CLD treatment // International Journal of Mechanical Sciences. – 2022. – Vol. 220. art. No. 107145. doi: 10.1016/j.ijmecsci.2022.10714
  20. Zhai J, Li J, Wei D, Gao P, Yan Y, Han Q. Vibration Control of an Aero Pipeline System with Active Constraint Layer Damping Treatment // Applied Sciences. – 2019. – Vol. 9, No. 10. – art. No. 2094. doi: 10.3390/app910209
  21. Yang Q., Lee K., Kim B. Development of Multi-Staged Adaptive Filtering Algorithm for Periodic Structure-Based Active Vibration Control System // Appl. Sci. – 2019. – Vol. 9. – art. No. 611. doi: 10.3390/app903061
  22. Panda S., Kumar A. A design of active constrained layer damping treatment for vibration control of circular cylindrical shell structure // Journal of Vibration and Control. – 2016. – Vol. 24, No. 24. pp. 5811–5841. doi: 10.1177/107754631667007
  23. Iurlova N.A., Oshmarin D.A., Sevodina N.V., Iurlov M.A. Algorithm for solving problems related to the natural vibrations of electro-viscoelastic structures with shunt circuits using ANSYS data // International Journal of Smart and Nano Materials. – 2019. – Vol. 10, No. 2. –pp.156-176. doi: 10.1080/19475411.2018.154235
  24. Численный алгоритм поиска компоновок электроупругих тел с внешними электрическими цепями для получения наилучших демпфирующих характеристик/ Н.А. Юрлова, Д.А. Ошмарин, Н.В. Севодина, М.А. Юрлов // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. 2020. №3. C. 108-124. DOI: perm.mech/2020.3.1
  25. Hagood N.W., Von Flotow A. Damping of structural vibrations with piezoelectric materials and passive electrical networks //Journal of Sound and Vibration. – 1991. – Vol. 146, No. 2. – pp. 243–268. doi: 10.1016/0022-460X(91)90762-
  26. Trindade M.A., Benjeddou A. Effective electromechanical coupling coefficients of piezoelectric adaptive structures: critical evaluation and optimization // Mech. Adv. Mater. Struct. – 2009. – Vol. 16, No. 3. – pp. 210–223. doi: 10.1080/1537649090274686
  27. Lossouarn B., Rouleau L., Darleux R., Deü J.-F. Comparison of passive damping treatments based on constrained viscoelastic layers and multi-resonant piezoelectric networks // Journal of Structural Dynamics. – 2021. – Vol. 1. – pp. 30-48. doi: 10.25518/2684-6500.6
  28. Ali I.A., Alazwari M.A., Eltaher M.A., Abdelrahman A.A. Effects of viscoelastic bonding layer on performance of piezoelectric actuator attached to elastic structure // Mater. Res. Express. – 2022. – Vol.9. – art. No. 045701. doi: 10.1088/2053-1591/ac5ca
  29. В.З. Партон, Б.А. Кудрявцев. Электромагнитоупругость пьезоэлектрических и электропроводных тел. М: Наука. 1988. 471с
  30. Карнаухов В.Г., Киричок И.Ф. Механика связанных полей в элементах конструкций. (В 5 т.); Т.4: Электротермовязкоупругость. Киев: Наукова Думка. – 1988. – 316с
  31. Matveenko V., Iurlova N., Oshmarin D., Sevodina N.V. Analysis of dissipative properties of electro-viscoelastic bodies with shunting circuits on the basis of numerical modelling of natural vibrations // Acta Mech. – 2023. Vol. 234. pp. 261–276. https://doi.org/10.1007/s00707-022-03193-
  32. Задача о собственных колебаниях электро-вязкоупругих тел с внешними электрическими цепями и конечно-элементные соотношения для ее численной реализации/ В.П. Матвеенко, Д.А. Ошмарин, Н.В. Севодина, Н.А. Юрлова // Вычислительная механика сплошных сред. 2016. Т. 9, № 4. c. 476-485. doi: 10.7242/1999-6691/2016.9.4.4
  33. Matveenko V.P., Iurlova N.A., Oshmarin D.A. Damping of vibrations of smart-systems incorporating piezoelectric elements and shunt circuits with parameters derived from the models of continuum and discrete mechanics // Mechanics of Advanced Materials and Structures. – 2023. pp. 1–11. https://doi.org/10.1080/15376494.2023.224113
  34. Matveenko V.P., Iurlova N.A., Oshmarin D.A., Sevodina N.V., Iurlov M.A. An approach to determination of shunt circuits parameters for damping vibrations //International Journal of Smart and Nano Materials. – 2018. – V. 9, No. 2. – pp. 135-149. doi: 10.1080/19475411.2018.146114
  35. Zienkiewicz O.C., Taylor R.L., Zhu J.Z. The finite element method: Its Basis and Fundamentals, 6th ed. Oxford: Elsevier Butterworth-Heinemann, 2000. 802 p
  36. Kligman E.P., Matveenko V.P. Natural Vibration Problem of Viscoelastic Solids as Applied to Optimization of Dissipative Properties of Constructions // Journal of Vibration and Control. – 1997. – Vol. 3, No. 1. – pp. 87-102. doi: 10.1177/10775463970030
  37. Weawer Jr. W., Timoshenko S.P., Young D.H. Vibration problems in engineering, 5th edition. Wiley, 1990. – 497 p
  38. Матвеенко В.П., Севодин М.А., Севодина Н.В. Приложения метода Мюллера и принципа аргумента к задачам на собственные значения в механике деформируемого твердого тела // Вычислительная механика сплошных сред. – 2014. – Vol. 7, No. 3. – pp. 331–336. doi: 10.7242/1999-6691/2014.7.3.3

Статистика

Просмотры

Аннотация - 10

PDF (Russian) - 6

Cited-By


PlumX


© Струнгарь Е.М., Лобанов Д.С., Чеботарева Е.А., 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