Комплексный анализ роста ударных повреждений в композитном элементе конструкции при циклическом сжатии

Авиационная и ракетно-космическая техника

2025. Т. 32. № 2. С. 108-117.

Авторы

Турбин Н. В.*, Кононов Н. О.**

Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет), 125993, г. Москва, Волоколамское шоссе, д. 4

*e-mail: turbinnv@mai.ru
**e-mail: kononovno@mai.ru

Аннотация

Проведены исследования роста повреждений, вызванных ударом падающим грузом, в опытных образцах из ламината, армированного углеродным волокном, под действием циклического сжатия. Цель данного исследования – является выявление закономерностей роста ударных повреждений в композитном элементе при циклических нагрузках на основе испытаний, неразрушающего контроля и теоретической модели роста заложенного расслоения. Определены размеры и глубина внутренних расслоений до и после испытаний. Представлена и протестирована теоретическая основа удельного роста повреждений. Осуществлено численное моделирование приближенного роста повреждений. Циклические испытания выявили несколько стадий нестабильного роста расслоений и их остановку до истечения заданного числа циклов. Характеристики возникновения и роста обнаруженных повреждений с помощью ультразвукового контроля прогнозируются с использованием теоретического анализа и численного моделирования. Подтверждена возможность расчетной оценки устойчивости к повреждениям композитного элемента при циклических нагрузках.

Ключевые слова:

композитные конструкции, устойчивость к повреждениям, прогрессирующее расслоение, усталость при сжатии после удара, механические испытания, механика разрушения, ультразвуковая дефектоскопия

Список источников

  1.  Митрофанов О.В., Торопылина Е.Ю. Определение толщин ортотропных панелей кессона крыла при закритическом состоянии с учетом мембранных и изгибных напряжений // Вестник Московского авиационного института. 2024. Т. 31. № 1. С. 82-92.
  2.  Бадрухин Ю.И., Терехова Е.С. Рациональное проектирование тонкостенных несущих панелей из слоистого композита при комбинированом нагружении // Вестник Московского авиационного института. 2023. Т. 30. № 4. С. 130–139. URL: https://vestnikmai.ru/publications.php?ID=177614
  3.  Davies G., Irving P. Impact, post-impact strength and post-impact fatigue behaviour of polymer composites // In book: Polymer Composites in the Aerospace Industry. Woodhead Publishing, 2015, pp. 231-259. DOI: 10.1016/B978-0-85709-523-7.00009-8
  4.  ASTM D7137/D7137M Standard Test Method for Compressive Residual Strength Properties of Damaged Polymer Matrix Composite Plates. 2013, pp. 513–529. 
  5.  Pascoe J.A. Slow-growth damage tolerance for fatigue after impact in FRP composites: Why current research won’t get us there // Procedia Structural Integrity. 2020. Vol. 28, pp. 726-733. DOI: 10.1016/j.prostr.2020.10.084
  6.  Cheng Z.Q., Tan W., Xiong J.J. Progressive damage modelling and fatigue life prediction of plain-weave composite laminates with low-velocity impact damage // Composite Structures. 2021. Vol. 273: 114262. DOI: 10.48550/arXiv.2106.09096
  7.  Cheng Z.Q., Tan W., Xiong J.J. Modelling Pre-fatigue, Low-velocity Impact and Fatigue behaviours of Composite Helicopter Tail Structures under Multipoint Coordinated Loading Spectrum // Composite Structures. 2022. DOI: 10.48550/arXiv.2205.02939
  8.  Harman A.B., Webb L., Chang P., et al. Post-Impact Fatigue Durability Assessment of Composite Laminates for Enhanced Aircraft Sustainment // AIAA Journal. 2022. Vol. 60. No. 2, pp. 938-950. DOI: 10.2514/1.J060401
  9.  Butler R., Almond D.P., Hunt G.W., et al. Compressive fatigue limit of impact damaged composite laminates // Composites Part A: Applied Science and Manufacturing. 2007. Vol. 38. No. 4, pp. 1211-1215. DOI: 10.1016/j.compositesa.2006.04.010
  10.  Staroverov O., Mugatarov A., Yankin A., et al. Description of fatigue sensitivity curves and transition to critical states of polymer composites by cumulative distribution functions // Fracture and Structural Integrity. 2022. Vol. 17. No. 63, pp. 91-99. DOI: 10.3221/IGF-ESIS.63.09
  11.  Dávila C.G., Rose C., Larve E.V. Modeling fracture and complex crack networks in laminated composites // Mathematical Methods and Models in Composites. 2013. С. 297-347. DOI: 10.1142/9781848167858_0008
  12.  Biagini D. Fatigue behavior of impacted carbon fiber reinforced plastics. Doctoral thesis. Delft University of Technology, 2024, 145 p. DOI: 10.4233/uuid:09ac860d-dbf7-4d02-a750-8267afbdb26a
  13.  Bogenfeld R., Gorsky C. An experimental study of the cyclic compression after impact behavior of CFRP composites //Journal of Composites Science. 2021. Vol. 5. No. 11, pp. 296. DOI: 10.3390/jcs5110296
  14.  Biagini D., Pascoe J.A., Alderliesten R.C. Experimental investigation of fatigue after impact damage growth in CFRP // Procedia Structural Integrity. 2022. Vol. 42, pp. 343-350. DOI: 10.1016/j.prostr.2022.12.042
  15.  Tuo H., Wu T., Lu Z. et al. Evaluation of damage evolution of impacted composite laminates under fatigue loadings by infrared thermography and ultrasonic methods // Polymer Testing. 2021. Vol. 93: 106869. DOI: 10.1016/j.polymertesting.2020.106869
  16.  Староверов О.А., Струнгарь Е.М., Мугатаров А.И. и др. Остаточная прочность и усталостная долговечность слоистого полимерного композита в условиях сжатия после удара // Вестник ПНИПУ. Механика. 2024. № 5. С. 106-119. DOI: 10.15593/perm.mech/2024.5.09
  17.  Chen A.S., Almond D.P., Harris B. Impact damage growth in composites under fatigue conditions monitored by acoustography // International journal of fatigue. 2002. Vol. 24. No. 2-4, pp. 257-261.
  18.  Болотин В.В. Дефекты типа расслоений в конструкциях из композитных материалов // Механика композитных материалов. 1984. № 2. С. 239-255. 
  19.  Griffith A.A. VI. The phenomena of rupture and flow in solids // Philosophical transactions of the royal society of London. Series A, Containing Papers of a Mathematical or Physical Character. 1921. Vol. 221. No. 582-593, pp. 163-198. DOI: 10.1098/rsta.1921.0006 
  20.  Nageswaran C., Bird C.R., Takahashi R. Phased array scanning of artificial and impact damage in carbon fibre reinforced plastic (CFRP) // Insight: Non-destructive testing & condition monitoring. 2006. Vol. 48. No. 3, pp. 155-159. URL:  https://www.ndt.net/?id=3474

mai.ru — информационный портал Московского авиационного института

© МАИ, 1994-2025