ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ В ШИРОКОМ ДИАПАЗОНЕ СКОРОСТЕЙ ДЕФОРМАЦИИ

  • Авторы: Конев С.Д1, Константинов А.Ю2, Сергеичев И.В1
  • Учреждения:
    1. Сколковский институт науки и технологий, Москва, Российская Федерация
    2. Нижегородский государственный университет имени Н.И. Лобачевского, Нижний Новгород, Российская Федерация
  • Выпуск: № 5 (2024)
  • Страницы: 39-51
  • Раздел: Статьи
  • URL: https://ered.pstu.ru/index.php/mechanics/article/view/4431
  • DOI: https://doi.org/10.15593/perm.mech/2024.5.04
  • Цитировать

Аннотация


Представлен обзор методов испытаний полимерных композиционных материалов при высоких скоростях деформации, с целью получения механических характеристик прочности и упругости. Отдельное внимание уделено вопросам покрытия диапазонов скоростей деформации, соответствия напряжённо-деформированного состояния (НДС) ожидаемому, соответствия моды разрушения ожидаемой. Изложение материала проходит в парадигме «подход, конфигурация, метод», где под конфигурацией подразумевается геометрия образца и вспомогательной оснастки, подход заключается в создании простой конфигурации со сложным напряженно-деформированным состоянием (неклассический подход), или сложной конфигурации, обеспечивающей однородное НДС (классический подход), а метод есть комбинация конфигурации и испытательного оборудования. Такое изложение позволяет систематизировать большое количество экспериментальных методов, наметить пути их дальнейшего развития. Также, представлены оригинальные методики и результаты испытаний, проведённых авторами с целью обогащения экспериментального инструментария и расширения покрываемого диапазона скоростей деформации. В частности, существенно расширен диапазон скоростей деформации для испытаний однонаправленных углепластиков на растяжение вдоль волокна, за счёт применения конфигурации намотанного кольцевого образца, в методах гидравлической раздачи кольца (получены скорости деформации порядка 5×102 с-1) и электрического взрыва проводника (получены скорости деформации 1,5×104 с-1). Диапазон скоростей деформации для растяжения поперёк волокна также был расширен за счёт испытаний на плосковолновой удар. В ходе эксперимента, для скорости растяжения 1,5×104 с-1 получены значения прочности в 45 и 55 МПа, что в два с половиной раза больше, чем прочность в статическом эксперименте.

Полный текст

Определение влияния скорости деформации на механическое поведение полимерных композиционных материалов (ПКМ) требуется для проектирования энергопоглощающих систем и конструкций для нужд авиации [1, 2, 3], автомобильной техники [4, 5], проектирования сосудов, работающих под давлением [6] и элементов защиты [7], устойчивых к высокоскоростным столкновениям. Для создания таких систем используются гибридные [8] и традиционные композиты [9, 10] на полимерной основе, а также металло-композиты [11]. Современный инженерный подход к созданию таких систем и конструкций подразумевает, что в начале поведение конструкции моделируется, а потом проводятся натурные испытания при высоких скоростях деформации. Важно, чтобы применяемые при моделировании механические характеристики материалов были получены на основе высокоскоростных, а не квазистатических испытаний элементарных образцов. В противном случае, поведение конструкции при моделировании не соответствует реальному [12]. Несмотря на развитие методов и инструментальных средств экспериментальных исследований материалов различной физической природы [13], задача определения механических характеристик полимерных композиционных материалов (ПКМ) в широком диапазоне скоростей деформации остается актуальной. В этой статье будет дан обзор методов определения механических характеристик и предложены собственные наработки авторов по данной теме. Необходимо заметить, что за пределами данного обзора оставлены методы исследования такой важной характеристики как трещиностойкость при высоких скоростях деформации, так как эта тема настолько обширна, что требует отдельного обзора. Также, не будут упоминаться исследования таких прочностных характеристик, как параметры многоосных критериев разрушения [14], так как экспериментальные методы для данной задачи отчасти те же, что и для «простых» характеристик, или же, наоборот, являются уникальными [15] и не распространены широко.

Об авторах

С. Д Конев

Сколковский институт науки и технологий, Москва, Российская Федерация

А. Ю Константинов

Нижегородский государственный университет имени Н.И. Лобачевского, Нижний Новгород, Российская Федерация

И. В Сергеичев

Сколковский институт науки и технологий, Москва, Российская Федерация

Список литературы

  1. Crushing of composite tubular structures and energy absorption for aircraft seats development / J. E. Chambe, O. Dorival, C. Bouvet, J. F. Ferrero // ECCM 2018 - 18th European Conference on Composite Materials. – 2020
  2. Ren, Y. A novel aircraft energy absorption strut system with corrugated composite plate to improve crashworthiness / Y. Ren, H. Zhang, J. Xiang // International Journal of Crashworthiness. – 2018. – Vol. 23. – № 1. – P. 1-10
  3. Chen, P. W. Evaluation on crashworthiness and energy absorption of composite light airplane / P. W. Chen, Y. Y. Lin // Advances in Mechanical Engineering. – 2018. – Vol. 10. – № 8. – P. 1-12
  4. Energy absorption of metal, composite and metal/composite hybrid structures under oblique crushing loading / G. Zhu, G. Sun, H. Yu [et al.] // International Journal of Mechanical Sciences. – 2018. – Vol. 135. – P. 458-483
  5. Crashworthiness of automotive composite material systems / G. C. Jacob, J. F. Fellers, J. M. Starbuck, S. Simunovic // Journal of Applied Polymer Science. – 2004. – Vol. 92. – № 5. – P. 3218-3225
  6. A comparative study of impact effect of composite cylinders and type IV pressure vessels / N. H. Farhood, S. Karuppanan, H. H. Ya, W. E. Abdul-Lateef // Emerging Materials Research. – 2021. – Vol. 10. – № 2. – P. 206-217
  7. Scazzosi, R. Numerical simulation of high-velocity impact on fiber-reinforced composites using MAT_162 / R. Scazzosi, M. Giglio, A. Manes // Material Design and Processing Communications. – 2021. – Vol. 3. – № 3
  8. Mousavi, M. V. Investigation of energy absorption in hybridized fiber-reinforced polymer composites under high-velocity impact loading / M. V. Mousavi, H. Khoramishad // International Journal of Impact Engineering. – 2020. – Vol. 146. – P. 103692
  9. Deb, A. Crashworthiness design issues for lightweight vehicles / A. Deb // Materials, Design and Manufacturing for Lightweight Vehicles. – Elsevier, 2021. – P. 433-470
  10. Effects of strain rate on failure mechanisms and energy absorption in polymer composites / M. R. R. Nurul Fazita, H. P. S. P. S. Abdul Khalil, A. Nor Amira Izzati, S. Rizal. – Text : electronic // Failure Analysis in Biocomposites, Fibre-Reinforced Composites and Hybrid Composites. – Elsevier, 2019. – P. 51-78. – URL: https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/B9780081022931000036 (date accessed: 08.04.2023)
  11. Ismail, A. E. Modeling of crushing mechanisms of hybrid metal/fiber composite cylindrical tubes / A. E. Ismail, K.-A. Kamarudin // Modelling of Damage Processes in Biocomposites, Fibre-Reinforced Composites and Hybrid Composites. – Elsevier, 2019. – P. 27-39
  12. Ahmad, B. Strain rate-dependent crash simulation of woven glass fabric thermoplastic composites / B. Ahmad, X. Fang // Journal of Reinforced Plastics and Composites. – 2022. – Vol. 41. – № 15-16. – P. 637-658
  13. Review of Intermediate Strain Rate Testing Devices / T. Bhujangrao, C. Froustey, E. Iriondo [et al.] // Metals. – 2020. – Vol. 10. – № 7. – P. 894
  14. Thomson, D. M. Physically-based meso-scale modelling of unidirectional CFRPs for impact loading applications - PhD Thesis / D. M. Thomson. – 2019
  15. Achieving synchronous compression-shear loading on SHPB by utilizing mechanical metamaterial / Q. Ren, Y. Zhang, L. Hu [et al.] // International Journal of Impact Engineering. – 2024. – Vol. 186. – P. 104888
  16. Perry, J. I. Measuring the Effect of Strain Rate on Deformation and Damage in Fibre-Reinforced Composites: A Review / J. I. Perry, S. M. Walley. – Text : electronic // Journal of Dynamic Behavior of Materials. – 2022. – Vol. 8. – № 2. – P. 178-213. – URL: https://doi.org/10.1007/s40870-022-00331-0 (date accessed: 29.11.2022)
  17. Davies, E. D. H. The dynamic compression testing of solids by the method of the split Hopkinson pressure bar / E. D. H. Davies, S. C. Hunter // Journal of the Mechanics and Physics of Solids. – 1963. – Vol. 11. – № 3
  18. George T. (Rusty) Gray, I. Classic Split-Hopkinson Pressure Bar Testing / I. George T. (Rusty) Gray // Mechanical Testing and Evaluation. – Ohio : ASM International, 2000. – P. 462-476
  19. A new technique for tensile testing of engineering materials and composites at high strain rates / J. Zhou, A. Pellegrino, U. Heisserer [et al.] // Proceedings of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences. – 2019. – Vol. 475. – № 2229. – P. 20190310
  20. Blitterswyk, J. Van. High-Strain Rate Interlaminar Shear Testing of Fibre-Reinforced Composites Using an Image-Based Inertial Impact Test / J. Van Blitterswyk, L. Fletcher, F. Pierron // Conference Proceedings of the Society for Experimental Mechanics Series / 2019. – Vol. 1. – P. 279-281
  21. Fletcher, L. A Novel Image-Based Inertial Impact Test (IBII) for the Transverse Properties of Composites at High Strain Rates / L. Fletcher, J. Van-Blitterswyk, F. Pierron // Journal of Dynamic Behavior of Materials. – 2019. – Vol. 5. – № 1. – P. 65-92
  22. Blitterswyk, J. Van. Characterisation of the Interlaminar Properties of Composites at High Strain Rates: A Review / J. Van Blitterswyk, L. Fletcher, F. Pierron // Advanced Experimental Mechanics. – 2017. – Vol. 2. – P. 3-28
  23. Blitterswyk, J. Van. Image-Based Inertial Impact Test for Composite Interlaminar Tensile Properties / J. Van Blitterswyk, L. Fletcher, F. Pierron // Journal of Dynamic Behavior of Materials. – 2018. – Vol. 4. – № 4. – P. 543-572
  24. Stress-strain synchronization for high strain rate tests on brittle composites / S. W. F. Spronk, E. Verboven, F. A. Gilabert [et al.]. – Text : electronic // Polymer Testing. – 2018. – Vol. 67. – № December 2017. – P. 477-486. – URL: https://doi.org/10.1016/j.polymertesting.2018.02.008 (date accessed: 21.04.2023)
  25. Hsiao, H. M. Strain Rate Effects on the Transverse Compressive and Shear Behavior of Unidirectional Composites / H. M. Hsiao, I. M. Daniel, R. D. Cordes // Journal of Composite Materials. – 1999. – Vol. 33. – № 17. – P. 1620-1642
  26. Duan, S. Experimental study on strain-rate-dependent behavior and failure modes of long glass fiber-reinforced polypropylene composite / S. Duan, X. Yang, Y. Tao // Journal of Reinforced Plastics and Composites. – 2015. – Vol. 34. – № 15. – P. 1261-1270
  27. Kolsky, H. An Investigation of the Mechanical Properties of Materials at very High Rates of Loading / H. Kolsky // Proceedings of the Physical Society. Section B. – 1949. – Vol. 62. – № 11
  28. Gama, B. A. Hopkinson bar experimental technique: A critical review / B. A. Gama, S. L. Lopatnikov, J. W. Gillespie // Applied Mechanics Reviews. – 2004. – Vol. 57. – № 4. – P. 223-250
  29. Matthews, F. L. Compression / F. L. Matthews. – Text : electronic // Mechanical Testing of Advanced Fibre Composites. – Woodhead Publishing, 2000. – P. 75-99. – URL: https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/B9781855733121500093 (date accessed: 06.09.2024)
  30. Mostapha, T. Experimental Investigation of Dynamic Compression and Damage Kinetics of Glass/Epoxy Laminated Composites under High Strain Rate Compression / T. Mostapha. – Text : electronic // Advances in Composite Materials - Ecodesign and Analysis / – InTech, 2011. – URL: https://www.intechopen.com/state.item.id (date accessed: 06.10.2022)
  31. Kuhn, P. Characterization of unidirectional carbon fiber reinforced polyamide-6 thermoplastic composite under longitudinal compression loading at high strain rate / P. Kuhn, M. Ploeckl, H. Koerber. – Text : electronic. – 2015. – Vol. 94. – P. 1041. – URL: https://www.researchgate.net/publication/281743559 (date accessed: 16.02.2023)
  32. A dynamic test methodology for analyzing the strain-rate effect on the longitudinal compressive behavior of fiber-reinforced composites / M. Ploeckl, P. Kuhn, J. Grosser [et al.]. – Text : electronic // Composite Structures. – 2017. – Vol. 180. – P. 429-438. – URL: http://dx.doi.org/10.1016/j.compstruct.2017.08.048 (date accessed: 10.04.2023)
  33. Lee, J. A study on the compressive strength of thick carbon fibre–epoxy laminates / J. Lee, C. Soutis // Composites Science and Technology. – 2007. – Vol. 67. – № 10. – P. 2015-2026
  34. Strain-Rate Dependency of a Unidirectional Filament Wound Composite under Compression / S. Konev, V. A. Eremeyev, H. M. Sedighi [et al.]. – Text : electronic // Computer Modeling in Engineering Sciences. – 2023. – Vol. 137. – № 3. – P. 2149-2161. – URL: http://dodssp.daps.dla.mil. (date accessed: 29.04.2023)
  35. Staab, G. H. High Strain Rate Response of Angle-Ply Glass/Epoxy Laminates / G. H. Staab, A. Gilat // Journal of Composite Materials. – 1995. – Vol. 29. – № 10. – P. 1308-1320
  36. The strain rate dependent material behavior of S-GFRP extracted from GLARE / R. Gerlach, C. R. Siviour, J. Wiegand, N. Petrinic // Mechanics of Advanced Materials and Structures. – 2013. – Vol. 20. – № 7. – P. 505-514
  37. Taniguchi, N. Tensile strength of unidirectional CFRP laminate under high strain rate / N. Taniguchi, T. Nishiwaki, H. Kawada. – Text : electronic // Advanced Composite Materials: The Official Journal of the Japan Society of Composite Materials. – 2007. – Vol. 16. – № 2. – P. 167-180. – URL: https://www.tandfonline.com/action/journalInformation?journalCode=tacm20 (date accessed: 09.04.2023)
  38. Daniel, I. M. New method for testing composites at very high strain rates / I. M. Daniel, R. H. LaBedz, T. Liber // Experimental Mechanics. – 1981. – Vol. 21. – № 2. – P. 71-77
  39. Filippov, A. R. Metodika dinamicheskikh ispytanii vysokoprochnykh kompozitov na rastiazhenie / A. R. Filippov // Problemy prochnosti i plastichnosti. – 2024. – Vol. 86. – № 1. – P. 106-119
  40. Harding, J. A tensile testing technique for fibre-reinforced composites at impact rates of strain / J. Harding, L. M. Welsh. – Text : electronic // Journal of Materials Science. – 1983. – Vol. 18. – № 6. – P. 1810-1826. – URL: https://link.springer.com/article/10.1007/BF00542078 (date accessed: 20.12.2022)
  41. Exploding wire method for the characterization of dynamic tensile strength of composite materials / A. Fedorenko, Y. Sudenkov, S. Konev, I. Sergeichev // International Journal of Impact Engineering. – 2023. – Vol. 180. – № June. – P. 104704
  42. Elamin, M. Plate impact method for shock physics testing / M. Elamin, J. Varga // Material Science Engineering International Journal. – 2020. – Vol. 4. – № 1
  43. Bragov A.M., Grushevskii G.M., O. L. K. Ustanovka dlia issledovaniia mekhanicheskikh svoistv tverdykh tel pri udarnom nagruzhenii / O. L. K. Bragov A.M., Grushevskii G.M. // Zavodskaia laboratoriia. – 1991. – Vol. 7. – P. 50-51
  44. Shear properties of epoxy under high strain rate loading / N. K. Naik, R. Gadipatri, N. M. Thoram [et al.] // Polymer Engineering Science. – 2010. – Vol. 50. – № 4. – P. 780-788
  45. Lewis, J. L. The development and use of a torsional Hopkinson-bar apparatus / J. L. Lewis, J. D. Campbell. – Text : electronic // Experimental Mechanics. – 1972. – Vol. 12. – № 11. – P. 520-524. – URL: https://link.springer.com/article/10.1007/BF02320749 (date accessed: 30.04.2023)
  46. Gilat, A. Torsional split Hopkinson bar tests at strain rates above 104 s-1 / A. Gilat, C. S. Cheng // Experimental Mechanics. – 2000. – Vol. 40. – № 1. – P. 54-59
  47. Dong, L. A single-lap shear specimen for determining the effect of strain rate on the interlaminar shear strength of carbon fibre-reinforced laminates / L. Dong, J. Harding // Composites. – 1994. – Vol. 25. – № 2. – P. 129-138
  48. Bouette, B. Effect of strain rate on interlaminar shear properties of carbon/epoxy composites / B. Bouette, C. Cazeneuve, C. Oytana // Composites Science and Technology. – 1992. – Vol. 45. – № 4. – P. 313-321
  49. Hsiao, H. M. Dynamic compressive behavior of thick composite materials / H. M. Hsiao, I. M. Daniel, R. D. Cordes // Experimental Mechanics. – 1998. – Vol. 38. – № 3. – P. 172-180
  50. Kidane, A. Strain Rate Effects in Polymer Matrix Composites Under Shear Loading: A Critical Review / A. Kidane, H. L. Gowtham, N. K. Naik // Journal of Dynamic Behavior of Materials. – 2017. – Vol. 3. – № 1. – P. 110-132
  51. Werner, S. M. The Dynamic Response of Graphite Fiber-Epoxy Laminates at High Shear Strain Rates / S. M. Werner, C. K. H. Dharan // Journal of Composite Materials. – 1986. – Vol. 20. – № 4. – P. 365-374
  52. Development and Application of Dynamic Integrated DIC Material Parameters Inversion Method for SHPB Tests / S. Cai, J. Zhao, Z. Liu, Y. Fu // Experimental Mechanics. – 2024. – Vol. 64. – № 7. – P. 995-1003
  53. Experimental Learning of a Hyperelastic Behavior with a Physics-Augmented Neural Network / C. Jailin, A. Benady, R. Legroux, E. Baranger // Experimental Mechanics. – 2024. – Vol. 64. – № 9. – P. 1465-148

Статистика

Просмотры

Аннотация - 5

PDF (Russian) - 1

Cited-By


PlumX


© Конев С.Д., Константинов А.Ю., Сергеичев И.В., 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