Исследование живучести деталей ЛА из конструкционных полимерных композиционных материалов в условиях циклического сжатия после удара

Авиационная и ракетно-космическая техника


Авторы

Погосян М. А.1*, Турбин Н. В.1**, Староверов О. А.2***, Мельникова В. А.2****

1. Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет), 125993, г. Москва, Волоколамское шоссе, д. 4
2. Пермский национальный исследовательский политехнический университет, ПНИПУ, Комсомольский проспект, 29, Пермь, 614990, Россия

*e-mail: kaf101@mai.ru
**e-mail: turbinnv@mai.ru
***e-mail: oastaroverov@pstu.ru
****e-mail: vamelnikova@pstu.ru

Аннотация

Представлены результаты исследования живучести конструкционных полимерных композитов в испытаниях на циклическое сжатие после удара. Описан новый подход, позволяющий экспериментально оценить прогрессирующее расслоение в слоистых композитах с помощью анализа профиля поверхности исследуемых образцов при квазистатическом деформировании. Построены диаграммы деформирования образцов слоистого углепластика с конструкционной укладкой. Показаны картины неоднородных полей перемещений в момент, соответствующий минимальной нагрузке циклического сжатия. 

Ключевые слова:

композитные конструкции, живучесть композитов, развитие расслоения в композите, циклическое сжатие после удара композита, механические испытания композитов, механика разрушения композитов, метод корреляции цифровых изображений

Список источников

  1.  Pogosyan M.A., Nazarov E.V., Bolshikh A.A., et al. Aircraft composite structures integrated approach: A review // Journal of Physics: Conference Series. 2021. No. 1925: 012005. DOI: 10.1088/1742-6596/1925/1/012005
  2.  Митрофанов О.В., Торопылина Е.Ю. Определение толщин ортотропных панелей кессона крыла при закритическом состоянии с учётом мембранных и изгибных напряжений // Вестник Московского авиационного института. 2024. Т. 31. № 1. С. 82-92.
  3.  РЦ-АП25.571-1А «Оценка допустимости повреждений и усталостной прочности конструкции». Жуковский: Издательский отдел ЦАГИ, 2015. 107 с.
  4.  Rouchon J.F., Bos M.J. Fatigue and Damage Tolerance Evaluation of Structures: The Composite Materials Response. Report NLR-TP-2009-221, 2009. 44 p.
  5.  Davies G.A., Irving P.E. Impact, post-impact strength and post-impact fatigue behaviour of polymer composites // In: Irving P., Soutis C. (eds) Polymer Composites in the Aerospace Industry. Woodhead Publishing, Cambridge, 2020, pp. 231-259. DOI: 10.1016/B978-0-85709-523-7.00009-8
  6.  ASTM D 7137/D 7137M - 12 Standard Test Method for Compressive Residual Strength Properties of Damaged Polymer Matrix Composite Plates. American Society for Testing and Materials Annual Book of Standards. 2013, pp. 513–529.
  7.  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
  8.  Staroverov O.A., Mugatarov A.I., Yankin A.S., 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
  9.  Трунин Ю.П., Ушаков А.Е. Некоторые вопросы оценки и обеспечения эксплуатационной живучести конструкций планера самолета, выполненных из композиционных материалов // Проектирование, расчет и испытания конструкций из композиционных материалов: Сборник статей. Жуковский: Издательский отдел ЦАГИ, 1984. Вып. 10. С. 84-89.
  10.  Сапожников С.Б., Жихарев М.В., Оливенко Н.А., и др. Расчётно-экспериментальная методика определения комплекса теплофизических свойств полимерных композитных материалов // Композитные материалы и конструкции: материалы II Международной конференции (16 ноября 2021; Москва): сборник тезисов. М.: Изд-во «Перо», 2021. С. 27-28.
  11.  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
  12.  Матвиенко Ю.Г., Васильев И.Е., Чернов Д.В., и др. Структурно-феноменологическая концепция и акустико-эмиссионная диагностика композитных стрингеров в условиях трехточечного изгиба // Проблемы машиностроения и надежности машин. 2024. № 3. С. 48-56. DOI: 10.31857/S0235711924030078
  13.  Фейгенбаум Ю.М., Дубинский С.В., Божевалов Д.Г. и др. Обеспечение прочности композитных авиационных конструкций с учетом случайных эксплуатационных ударных воздействий. М.: Техносфера, 2018. 505 с.
  14.  Pascoe J.A., Alderliesten R.C., Benedictus R. Methods for the prediction of fatigue delamination growth in composites and adhesive bonds: A critical review // Engineering Fracture Mechanics. 2013. Vols. 112-113, pp. 72-96. DOI: 10.1016/j.engfracmech.2013.10.003
  15.  Rans C., Alderliesten R.C., Benedictus R. Misinterpreting the results: how similitude can improve our understanding of fatigue delamination growth // Composites Science and Technology. 2011. Vol. 71. No. 2. pp. 230–238. DOI: 10.1016/j.compscitech.2010.11.010
  16.  Tu W., Pascoe J.A., Alderliesten R.C. Comparison of mode II delamination behaviours in multidirectional and unidirectional composite laminates //Composites Part B: Engineering. 2025. Vol. 291. No. 16: 111941. DOI: 10.1016/j.compositesb.2024.111941
  17.  Irving P.E. Fatigue-Based Assessments in Aircraft Structures-Designing and Retaining Aircraft Structural Integrity // In: Lidbury D. (ed) Methods for the Assessment of the Structural Integrity of Components and Structures.  CRC Press, 2024. pp. 69-102.
  18.  Урнев А.С., Чернятин А.С., Матвиенко Ю.Г., и др. Моделирование трещиноподобных дефектов в слоистой композитной конструкции //Машиностроение и инженерное образование. 2017. № 3(52). С. 64-72.
  19.  Biagini D. Fatigue behavior of impacted carbon fiber reinforced plastics. Doctoral Thesis. Delft University of Technology. 2024. 161 p.
  20.  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
  21.  Xu F., Liu W., Irving P. E. Fatigue life and failure of impact-damaged carbon fibre composites under compressive cyclic loads // 21st International Conference on Composite Materials (ICCM; 20-25 August 2017; Xi'an, China). pp. 20-25.
  22.  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
  23.  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
  24.  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
  25.  Melin L.G., Schön J. Buckling behaviour and delamination growth in impacted composite specimens under fatigue load: an experimental study // Composites Science and Technology. 2001. Vol. 61. No. 13, pp. 1841-1852. DOI: 10.1016/S0266-3538(01)00085-9
  26. Uda N., Ono K., Kunoo K. Compression fatigue failure of CFRP laminates with impact damage // Composites Science and Technology. 2009. Vol. 69. No. 14, pp. 2308-2314. DOI: 10.1016/J.COMPSCITECH.2008.11.031
  27.  Ogasawara T., Sugimoto K.H., Katoh H., et al. Fatigue behavior and lifetime distribution of impact-damaged carbon fiber/toughened epoxy composites under compressive loading // Advanced Composite Materials. 2013. Vol. 22. No. 2, pp. 65-78. DOI: 10.1080/09243046.2013.768S324
  28.  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
  29.  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.
  30.  Турбин Н.В., Кононов Н.О. Комплексный анализ роста ударных повреждений в композитном элементе конструкции при циклическом сжатии // Вестник Московского авиационного института. 2025. Т. 32. № 2. С. 108-117. URL: https://vestnikmai.ru/publications.php?ID=184996
  31.  Староверов О.А., Бабушкин А.В., Горбунов С.М. Оценка степени поврежденности углепластиковых композиционных материалов при ударном воздействии // Вестник ПНИПУ. Механика. 2019. № 1. С. 161-172. DOI: 10.15593/perm.mech/2019.1.14

mai.ru — информационный портал Московского авиационного института

© МАИ, 1994-2025