Анализ процессов деформирования и разрушения слоисто-волокнистых полимерных композиционных материалов при комбинированном нагружении

Аннотация


Работа посвящена изучению эффектов закритического поведения композитов при возникновении и равновесном росте трещин. Ключевым направлением исследования является экспериментальное изучение влияния дополнительных вибрационных воздействий и начальных накопленных циклических повреждений структуры на устойчивость процессов деформирования, закритического поведения и разрушения слоисто-волокнистых тканых полимерных композитов, на примере стеклопластика и углепластика, которые применяются при изготовлении ответственных конструкций различного назначения. Проведено сравнение процессов деформирования и разрушения углепластика со схемами армирования [0°] и [±45°] при растяжении и кручении образцов в виде пластин с краевыми V-образными надрезами. Испытания образцов на квазистатическое и циклическое растяжение при наличии вибраций проводились на универсальной двухосевой сервогидравлической испытательной системе Instron 8802. Реализовано двухэтапное нагружение образцов: предварительное циклическое растяжение и квазистатическое растяжение с дополнительными вибрациями на кручение. В результате испытаний получены диаграммы нагружения образцов с концентраторами и начальными усталостными трещинами, отражающие упругопластическое и закритическое деформирование и разрушение. Проведено экспериментальное исследование влияния степени предварительного циклического воздействия в условиях растяжения, а также параметров дополнительных вибраций по оси кручения на реализацию и протяженность ниспадающей ветви диаграмм деформирования образцов композиционных материалов. Для численной оценки реализации стадии закритического деформирования использованы соответствующие коэффициенты, которые характеризуют протяжённость участка закритического поведения по изменению напряжений и деформаций. На основе сопоставления и анализа полученных экспериментальных данных проведена оценка влияние дополнительных вибрационных воздействий кручения на устойчивость реализации закритической стадии деформирования.

Полный текст

Слоисто-волокнистные полимерные композиционные материалы (ПКМ) благодаря своим особым свойствам и некоторым преимуществам в сравнении с традиционными материалами широко применяются при проектировании и изготовлении ответственных конструкций, поэтому изучение процессов деформирования и разрушения таких материалов, является актуальной задачей и привлекает внимание большого числа исследователей. Наиболее широко распространёнными среди таких конструкционных материалов являются волокнистые КМ с полимерной матрицей, так как они обладают высокими показателями прочности и низкой плотностью, что имеет ключевое значение для конструкций авиационного назначения. Разрушение материала, как правило, сопровождается образованием и ростом трещин вплоть до полного разрешения конструкции. Равновесной или устойчивой эволюцией трещин называют их постепенный рост, когда для увеличения длины трещины требуется дополнительное внешнее воздействие. В момент, когда деформации достигают критических значений, трещина переходит в неравновесное состояние, развиваясь неконтролируемо без увеличения внешнего воздействия. Для увеличения живучести конструкций необходимо, чтобы стадия равновесного роста трещин соответствовала максимальной продолжительности процесса деформирования. Поэтому существуют методы, которые в той или иной степени увеличивают стадию равновесного роста трещин или тормозят их развитие и, как следствие, увеличивают прочностной ресурс конструкций. В работах [1-5] рассмотрен метод стабилизации роста трещин за счет реализации в процессе квазистатического нагружения дополнительных вибраций. Авторами статей [6,7] предложен метод нанесения тонких покрытий на поверхность изделий для замедления процессов развития повреждений. Также существуют и другие методы стабилизации процесса роста трещин, такие как повышение жёсткости нагружающей системы [1,8-11] и начальная повреждённость структуры [2]. В ряде работ показано, что на кинетику роста трещин также может влиять и последовательность механического нагружения [12]. Оценить эффективность различных методов и способов стабилизации возможно на основе анализа диаграмм деформирования. Особый практический интерес при этом представляет участок закритического деформирования, соответствующий снижению напряжений при возрастающих деформациях. С использованием ниспадающей ветви деформирования возможно получить информацию о степени и интенсивности повреждаемости материала, о характере процессов разрушения, об устойчивости процессов роста трещин и, как следствие, о степени катастрофичности гипотетического разрушения. Под степенью катастрофичностью разрушения при этом рассматривается уровень напряжений в момент перехода процесса разрушения от равновесного характера к неравновесному. При полном разрушении накопленная внутренняя энергия высвобождается и чем ниже уровень напряжений, тем ниже эта запасенная энергия и тем менее катастрофично произойдет разрушение материала. Показателем степени катастрофичности разрушения является протяжённость ниспадающей ветви диаграммы деформирования, величина снижения напряжений и модуль разупрочнения, характеризующийся наклоном этого участка. Протяжённость закритического участка по деформациям (перемещениям) характеризует продолжительность устойчивого роста трещин и отражается на живучести материала и конструкции. С точки зрения прогнозирования поведения материалов в реальных условиях эксплуатации особый прикладной интерес представляют комбинированные виды нагружение – это совместное действие на исследуемый объект как минимум двух сил, действующих по различным осям или последовательное механическое и температурное нагружение, а также их совокупность. Реализация комбинированного механического нагружения является нетривиальной технической задачей в лабораторных условиях, что требует наличия специального испытательного оборудования и соответствующих методик. Для этого используются испытательные машины, способные реализовать двухосное и трёхосное нагружение, ударные установки, температурные камеры и печи. В частности, нагружение по типу двухосного растяжения [13] реализуется на крестообразных образцах [14,15], нагружение по типу трёхосного сжатия [16] – на кубических образцах [17], а также нагружение по типу растяжения (сжатия) со сдвигом [2,18,19] реализуются на цилиндрических [20,21] или плоских образцах [18]. Исследование остаточного ресурса конструкции является актуальной задачей механики разрушения. Так в статьях проведена оценка степени повреждённости КМ на примере воздействия квазистатического растяжения [22] или циклического сжатия [23] с предварительным ударом. Авторами [24] проведено исследование остаточного ресурса углепластика на растяжение после циклических воздействий. В настоящем исследовании также рассмотрено действие квазистатического растяжения с предварительным циклическим. Для обеспечения применимости и практического использование результатов экспериментальных исследований при изучении характера деформирования и разрушения материалов в лабораторных условиях необходимо учитывать реальные условия эксплуатации и параметры физико-механического нагружения материалов в конструкциях. В частности, детали авиационного назначения испытывают действие комплекса нагрузок и различных внешних воздействий [25-27]. Так центробежные силы приводят к возникновению напряжений растяжения, при этом могут приводить к изгибу и кручению. Кроме того, оказывают воздействие и газодинамические силы, также приводящие к изгибу и кручению. Часть этих нагрузок являются циклическими, приводящими к усталостным повреждениям материала. Условия эксплуатации трубопроводов также определяют работу применяемых материалов в условиях комбинации нагрузок, как правило, в виде внутреннего давления, растяжения, изгиба и кручения [28,29]. Таким образом, актуальность работ в области исследований деформирования и разрушения композиционных материалов в условиях действия комплексных нагрузок определяется современными практическими задачами оценки ресурса материалов и обеспечения прочности и живучести конструкций/ Целью данного исследования является получение экспериментальных данных о влиянии дополнительных вибраций кручения, приводящих к реализации сдвига, и предварительного циклического растяжения на процесс деформирования и разрушения образцов из ПКМ.

Об авторах

А. В Гурджиев

Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Пермь Россия

М. П Третьяков

Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Пермь Россия

В. Э Вильдеман

Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Пермь Россия

Список литературы

  1. Wildemann V. et al. Stability of Postcritical Deformation of CFRP under Static±45° Tension with Vibrations //Polymers. – 2022. – Т. 14. – №. 21. – С. 4502
  2. Gurdzhiev A. V., Tret'jakov M. P., Vil'deman V.Je. Issledovanie vlijanija dopolnitel'nyh vibracij kruchenija na zakriticheskuju stadiju deformirovanija voloknistogo polimernogo kompozicionnogo materiala // Master’s Journal. – 2023. – № 1. – Art. № 11.
  3. Vil'deman V. Je., Lomakin E. V., Tret'jakov M. P. Jeffekt vibracionnoj stabilizacii processa zakriticheskogo deformirovanija // Doklady Akademii nauk. – 2016. – T. 467, № 3. – S. 284
  4. Zhao X. et al. Effects of vibration direction on the mechanical behavior and microstructure of a metal sheet undergoing vibration-assisted uniaxial tension //Materials Science and Engineering: A. – 2019. – Т. 743. – С. 472-481
  5. Wu B. et al. The effect of superimposed ultrasonic vibration on tensile behavior of 6061-T6 aluminum alloy //The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. – 2021. – Т. 116. – С. 1843-1854
  6. Ravnovesnye vnutrennie treshhiny v uprugih telah, podkrepljonnyh tonkimi gibkimi pokrytijami / B. V. Sobol', E. V. Rashidova, P. V. Vasil'ev, A. I. Novikova // Vestnik DGTU. Tehnicheskie nauki. – 2020. T. 47, №3. – S. 111-121
  7. Zhu, Qing-yu, et al. Fatigue crack retardation by the application of hard damping coating to blades under resonance. // Journal of Central South University. - 2023. - 30.4 - С. 1095-1106
  8. Vlijanie zhestkosti nagruzhajushhej sistemy na ravnovesnyj rost treshhin pri kvazistaticheskom nagruzhenii / P. S. Bazhukov, V. Je. Vil'deman, A. V. Il'inyh, M. P. Tret'jakov // Vestnik PNIPU. Mehanika. 2013. №2. – S. 7-20
  9. Vil'deman V. Je., Tret'jakov M. P. Analiz vlijanija zhestkosti nagruzhajushhej sistemy na stadiju zakriticheskogo deformirovanija materialov // Problemy mashinostroenija i nadezhnosti mashin. – 2013. – № 3. – S. 49-57
  10. Chausov N. G. Polnaja diagramma deformirovanija kak istochnik informacii o kinetike nakoplenija povrezhdenij i treshhinostojkosti materialov // Zavodskaja laboratorija. Diagnostika materialov. 2004. № 7. T. 70. S. 42-49
  11. Struzhanov V. V., Mironov V. I. Deformacionnoe razuprochnenie materiala v jelementah konstrukcij. Ekaterinburg: UrO RAN, 1995. 191 s
  12. Savkin A.N., Sunder R., Denisevich D.S., i dr. Vlijanie posledovatel'nosti nagruzhenija na kinetiku rosta treshhiny: teorija, model', jeksperiment // Vestnik PNIPU. Mehanika. - 2018. - №4. - C. 246-255
  13. Shljannikov V. N., Zaharov A. P., Gerasimenko A. A. Harakteristiki ciklicheskoj treshhinostojkosti stali st-3 pri dvuhosnom nagruzhenii // Trudy Akademjenergo. – 2013. – № 4. – S. 91-101
  14. Vansovich K. A., Jadrov V. I. Dvuhosnye ispytanija metallicheskih obrazcov na ispytatel'nyh mashinah s odnoj os'ju nagruzhenija // Omskij nauchnyj vestnik. – 2020. – № 5(173). – S. 10-16
  15. Shljannikov V. N., Zaharov A. P. Obrazcy dlja ispytanij pri dvuhosnom ciklicheskom nagruzhenii // Trudy Akademjenergo. – 2013. – № 3. – S. 70-79
  16. Jeffekt Kajzera pri mnogoosnom neproporcional'nom szhatii peschanika / I. A. Panteleev V. A. Mubassarova, A. V. Zajcev [i dr.] // Doklady Rossijskoj akademii nauk. Fizika, tehnicheskie nauki. – 2020. – T. 495, № 1. – S. 63-67
  17. Maklakova S. N., Galkina M. A., Brovkin V. N. Issledovanie prochnosti betona pri dvuhosnom szhatii // Vestnik TGTU. Serija: Stroitel'stvo. Jelektrotehnika i himicheskie tehnologii. – 2022. – № 1(13). – S. 23-28
  18. Tableau N. et al. Multiaxial loading on a 3D woven carbon fiber reinforced plastic composite using tensile-torsion tests: Identification of the first damage envelope and associated damage mechanisms //Composite Structures. – 2019. – Т. 227. – С. 111305
  19. Dolgih D.A., Tashkinov M.A. Issledovanie zakonomernostej nakoplenija povrezhdenij i razvitija rassloenija v polimernyh kompozicionnyh materialah na osnove dvuhurovnevyh modelej razrushenija // Vestnik PNIPU. Mehanika. - 2020. - №4. - C. 74-85
  20. Armanfard A., Melenka G. W. Experimental evaluation of carbon fibre, fibreglass and aramid tubular braided composites under combined tension–torsion loading //Composite Structures. – 2021. – Т. 269. – С. 114049
  21. Shljannikov V. N., Ishtyrjakov I. S, Jarullin R. R. Harakteristiki deformirovanija splava D16T pri sovmestnom nagruzhenii rastjazheniem, szhatiem, krucheniem i vnutrennim davleniem // Trudy Akademjenergo. – 2014. – № 3. – S. 78-90
  22. Staroverov O.A., Babushkin A.V., Gorbunov S.M. Ocenka stepeni povrezhdennosti ugleplastikovyh kompozicionnyh materialov pri udarnom vozdejstvii // Vestnik PNIPU. Mehanika. - 2019. - №1. - C. 163-174
  23. Chen, Jiwei, Weixing Yao, and Hanyu Lin. Compressive fatigue response and reliability analysis of thermoplastic composite with low‐velocity impact damage. // Polymer Composite. - 2021. - 42(11). - C. 5678-5690
  24. Sapozhnikov S.B., Zhikharev M.V., Zubova E.M. Ultra-low cycle three-point bending fatigue of glass fabric reinforced plastic// Composite Structures. – 2022. – V. 286. – paper 115293
  25. Obzor publikacij po razrabotkam lopatok iz polimernyh kompozicionnyh materialov dlja ventiljatora aviacionnogo dvigatelja / M. I. Valueva, I. V. Zelenina, K. S. Mishurov, I. N. Guljaev // Vestnik mashinostroenija. – 2019. – № 2. – S. 34-41
  26. Amoo, Leye M. On the design and structural analysis of jet engine fan blade structures. // Progress in Aerospace Sciences. - 2013. - 60. - C. 1-11
  27. Yang, Pingping, et al. Review of damage mechanism and protection of aero-engine blades based on impact properties. // Engineering Failure Analysis. – 2022. – 140. – С. 106570
  28. Hastie J. C., Kashtalyan M., Guz I. A. Failure analysis of thermoplastic composite pipe (TCP) under combined pressure, tension and thermal gradient for an offshore riser application //International Journal of Pressure Vessels and Piping. – 2019. –Т. 178. – С. 103998
  29. Ignatik A. A. Harakteristika NDS stenki truboprovoda pod vozdejstviem vnutrennego davlenija, izgiba i kruchenija // Gazovaja promyshlennost'. – 2020. – № 4(799). – S. 102-107
  30. Zhiharev M.V. Vlijanie predvaritel'nogo nagruzhenija na ballisticheskie svojstva stekloplastikovyh panelej // Vestnik Juzhno-Ural'skogo gosudarstvennogo universiteta. Serija: Mashinostroenie. – 2017. – T. 17, № 4. – S. 82-90
  31. Vil'deman V.Je., Staroverov O.A., Mugatarov A.I., Kuchukov A.M. Ustalostnaja chuvstvitel'nost' stekloplastikov v uslovijah proporcional'nogo ciklicheskogo rastjazhenija s krucheniem // Vestnik PNIPU. Mehanika. - 2023. - №6. - C. 29-40
  32. Bondarchuk D.A., Fedulov B.N., Fedorenko A.N., Lomakin E.V. Analiz ostatochnyh naprjazhenij v sloistyh kompozitah na primere simmetrichnoj shemy armirovanija [0°/90°] // Vestnik PNIPU. Mehanika. - 2019. - №3. - C. 17-2

Статистика

Просмотры

Аннотация - 1

PDF (Russian) - 0

Cited-By


PlumX


© Гурджиев А.В., Третьяков М.П., Вильдеман В.Э., 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