Моделирование испытаний на сжатие слоистых композитов с дефектами в виде расслоения

Авиационная и ракетно-космическая техника

2024. Т. 31. № 1. С. 93-104.

Авторы

Белоусов И. С.1*, Железнов Л. П.1**, Бурнышева Т. В.2***

1. Сибирский научно-исследовательский институт авиации им. С. А. Чаплыгина, 630051, Россия, г. Новосибирск-51, ул. Ползунова, 21
2. Новосибирский государственный технический университет, проспект К. Маркса, 20, Новосибирск, 630073, Россия

*e-mail: belousov.is.stud@gmail.com
**e-mail: zgeleznov@sibnia.ru
***e-mail: tburn@mail.ru

Аннотация

Полимерно-композиционные материалы (ПКМ) нашли широкое применение при проектировании элементов авиационных конструкций: панелей крыла, фюзеляжа и др. Такие материалы обладают достаточно высокой прочностью и малой плотностью. Однако, как при изготовлении, так и при эксплуатации в них возможно появление различных дефектов в виде непроклея или расслоения при ударе, что существенно снижает прочностные характеристики конструкций. Поэтому необходим учет влияния таких дефектов на прочность. Представлены материалы моделирования испытаний образцов в виде пластин, выполненных из ПКМ с дефектом в виде предварительного непроклея. Дефекты имели форму прямоугольника и круга, с различными геометрическими размерами и глубиной залегания по толщине образцов. Проведено сравнение результатов испытаний подобных образцов с результатми конечно-элементного моделировани, которое показало хорошее согласование с данными экспериментов.

Ключевые слова:

межслойные дефекты многослойных полимерных композитных материалов, устойчивость композитных пластин, нелинейный анализ методом конечных элементов, анализ закритического поведения, испытания композитных образцов

Библиографический список

  1. Максименко В.Н., Олегин И.П., Пустовой Н.В. Методы расчета на прочность и жесткость элементов конструкций из композитов: Учебник. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2015. – 424 с

  2. Жихарев М.В. Оценка прочности высоконагруженных пластин из композитных материалов при локальном ударном воздействии: Дисс. ... канд. техн. наук. – Челябинск: Южно-Уральский государственный университет (национальный исследовательский университет), 2019. – 125 с.

  3. Ле В.Т. Численное моделирование ударных повреждений льдом композитных панелей самолета // Вестник Московского авиационного института. 2023. Т. 30. № 4. С. 120–129.

  4. Небелов Е.В., Потоцкий М.В., Родионов А.В., Горский А.Н. Механизм развития повреждений лопастей воздушного винта из композиционных материалов при воздействии поражающих элементов // Вестник Московского авиационного института. 2016. Т. 23. № 1. С. 26–31.

  5. Гайдачук Ф.В., Кондратьев А.В., Омельченко Е.В. Анализ технологических дефектов, возникающих в серийном производстве интегральных авиаконструкций из полимерных композиционных материалов // Авиационно-космическая техника и технология. 2010. № 3(70). С. 11–20.

  6. Карташова Е.Д., Муйземнек А.Ю. Технологические дефекты полимерных слоистых композиционных материалов // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. 2017. № 2(42). С. 79–89. DOI: 10.21685/2072-3059-2017-2-7

  7. Sridharan S. (ed). Delamination behaviour of composites. – NW: Woodhead Publishing, 2008. – 788 p.

  8. Чермошенцева А.С. Разработка методики повышения прочности тонкостенных элементов конструкций из композитных материалов с дефектами типа расслоения: Дисс. ... канд. техн. наук: М. 2018. – 168 с.

  9. Mortell D.J., Tanner D.A., McCarthy C.T. In-situ SEM study of transverse cracking and delamination in laminated composite materials // Composites Science and Technology. 2014. Vol. 105, pp. 118–126. DOI: 10.1016/j.compscitech.2014.10.012

  10. Урнев А.С., Чернятин А.С., Матвиенко Ю.Г., Разумовский И.А. Экспериментально-численное определение размеров дефектов типа расслоения в слоистых композитных материалах // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2018, Т. 84. № 10. С. 59–66. DOI: 10.26896/1028-6861-2018-84-10-59-66

  11. Белоусов И.С., Бурнышева Т.В. Исследование влияния геометрических параметров на устойчивость композитной пластины со сквозным непроклеем // Наука. Промышленность. Оборона: Сборник трудов XXIV Всероссийской научно-технической конференции (19–21 апреля 2023; Новосибирск). Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2023. Т. 1. С. 6–17.

  12. Köllner A., Völlmecke C. Buckling and postbuckling behaviour of delaminated composite struts // International Journal for Computational Methods in Engineering Science and Mechanics. 2017. Vol. 18. No. 1, pp. 25-33. DOI: 10.1080/15502287.2016.1276340

  13. Nilsson K.-F., Thesken J.C., Sindelar P. et al. A theoretical and experimental investigation of buckling induced delamination growth // Journal of the Mechanics and Physics of Solids. 1993. Vol. 41. No. 4, pp. 749–782. DOI: 10.1016/0022-5096(93)90025-B

  14. Nilsson K.-F., Asp L.E., Alpman J.E., Nystedt L. Delamination buckling and growth for delaminations at different depths in a slender composite panel // International Journal of Solids and Structures. 2001. Vol. 38. No. 17, pp. 3039-3071. DOI: 10.1016/S0020-7683(00)00189-X

  15. Nilsson K.-F., Asp L.E., Sjögren A. On transition of delamination growth behaviour for compression loaded composite panels // International Journal of Solids and Structures. 2001. Vol. 38. Nos. 46-47, pp. 8407–8440. DOI: 10.1016/S0020-7683(01)00114-7

  16. Köllner A., Völlmecke C. Post-buckling behaviour and delamination growth characteristics of delaminated composite plates // Composite structures. 2018. Vol. 203, pp. 777- 788. DOI: 10.1016/j.compstruct.2018.03.010

  17. Shabanijafroudi Nima. Buckling and Postbuckling response of laminated composite plates with interlaminar flaws. PhD thesis. - Montreal, Quebec, Canada: Concordia University, 2020.

  18. Wang K., Zhao L., Hong H. et al. An analytical model for evaluating the buckling, delamination propagation, and failure behaviors of delaminated composites under uniaxial compression // Composite structures. 2019. Vol. 223: 110937. DOI: 10.1016/j.compstruct.2019.110937

  19. Белоусов И.С., Железнов Л.П., Бурнышева Т.В. Применение метода масштабированных конечных элементов для решения задачи о расслоении композитной пластины // Механика композиционных материалов и конструкций, сложных и гетерогенных сред: Сборник трудов 12-й Всероссийской научной конференции с международным участием им. И.Ф. Образцова и Ю.Г. Яновского (15–17 ноября 2022; Москва). – М.: Сам Полиграфист, 2022. С. 51–62.

  20. Белоусов И.С., Беспалов В.А. Экспериментальное определение вязкости межслойного разрушения композитного материала // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2023. Т. 89. № 12. С. 81–87. DOI: 10.26896/1028-6861-2023-89-12-81-87

  21. ASTM D7137/D7137M-17 Standard test method for compressive residual strength properties of damaged polymer matrix composite plates. - American Society for Testing and Materials. West Conshohocken, PA, USA, 2007.

mai.ru — информационный портал Московского авиационного института

© МАИ, 1994-2024