Ударостойкость композитных пластин и панелей при ортогональном армировании различными типами волокон

Проектирование элементов летательных аппаратов из полимерных композиционных материалов


Авторы

Медведский А. Л.1*, Мартиросов М. И.2**, Хомченко А. В.3***, Бутысин В. Е.1****

1. Центральный аэрогидродинамический институт имени профессора Н.Е. Жуковского (ЦАГИ), ул. Жуковского, 1, Жуковский, Московская область, 140180, Россия
2. Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет), 125993, г. Москва, Волоколамское шоссе, д. 4
3. АУРУС-АЭРО, Москва, Российская Федерация

*e-mail: aleksandr.medvedskiy@tsagi.ru
**e-mail: michaelmartirosov@yandex.ru
***e-mail: khomchenkoanton@yandex.ru
****e-mail: v.butysin@yandex.ru

Аннотация

Приведены результаты численно-экспериментального исследования влияния ортогональной прошивки на ударостойкость пластин и панелей из полимерного композиционного материала (ПКМ). В работе рассмотрены различные виды волокон прошивки: Toray T300, Dyneema SK75, Vectran T150, E-Glass, S-Glass.

Ключевые слова:

полимерные композиционные материалы, ортогональная прошивка (сквозное армирование), низкоскоростное ударное нагружение, ударостойкость композитных конструкций, расслоение и межслоевая прочность, численное моделирование в LS-DYNA, конечно-элементный анализ повреждений, натурный эксперимент и валидация, типы армирующих волокон (углеродные, стеклянные, полиэтиленовые, жидкокристаллические), сравнительный анализ эффективности прошивки, авиационные композитные панели

Список источников

  1. Ендогур А.И., Кравцов В.А., Солошенко В.Н. Принципы рационального проектирования авиационных конструкций с применением композиционных материалов // Труды МАИ. 2014. № 72. URL: https://trudymai.ru/published.php?ID=47572

  2. Гладких А.В., Курс И.С., Курс М.Г. Анализ данных натурных климатических испытаний, совмещенных с приложением эксплуатационных факторов, неметаллических материалов (обзор) // Труды ВИАМ. 2018. № 10. С. 74–82. DOI: 10.18577/2307-6046-2018-0-10-74-82

  3. Аношкин А.Н., Зуйко В.Ю., Осокин В.М. и др. Моделирование технологических дефектов и оценка их влияния на статическую прочность композитных фланцев // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. 2016. № 2. С. 5–21. DOI: 10.15593/perm.mech/2016.2.01

  4. Болотин В.В., Зебельян З.Х. Устойчивость упругих сферических оболочек с расслоениями // Расчеты на прочность: Сборник статей. М.: Машиностроение, 1981. Вып. 22. C. 150–165.

  5. Медведский А.Л., Мартиросов М.И., Хомченко А.В. Численное моделирование поведения пластины из полимерного композита под действием динамических нагрузок при наличии множественных дефектов между слоями // Известия ТулГУ. Технические науки. 2018. Выпуск 10. С. 271–278.

  6. Торопицина А.В., Маклаков Д.В., Зебзеев А.А. Нанесение низкоскоростных ударных повреждений на полноразмерные авиационные детали из полимерных композиционных материалов при подготовке объекта к прочностным испытаниям при подтверждении соответствия требованиям авиационных правил // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Аэрокосмическая техника. 2022. № 68. C. 11–20.

  7. Медведский А.Л., Мартиросов М.И., Хомченко А.В. Механика деформирования и разрушения полимерных композитов при наличии множественных расслоений произвольной формы под действием динамических нагрузок // Труды МАИ. 2022. № 124. DOI: 10.34759/trd-2022-124-06

  8. Платонов А.А. Полимерные композиционные материалы на основе прошитого наполнителя с повышенной ударостойкостью // Авиационные материалы и технологии. 2014. № 4. С. 43–46. DOI: 10.18577/2071-9140-2014-0-4-43-47

  9. Славин А.В., Силикин А.Н., Гриневич Д.В. и др. Композиционные материалы с объемно-армированной структурой (обзор) // Труды ВИАМ. 2022. № 8(114). С. 113–119. DOI: 10.18577/2307-6046-2022-0-8-113-122

  10. Гриневич Д.В., Донецкий К.И., Шершак П.В. и др. Механические свойства тканых композиционных материалов с объемно-армированной структурой (обзор) // Труды ВИАМ. 2023. № 6(124). С. 87-104. DOI: 10.18577/2307-6046-2023-0-6-87-104

  11. Tan KT, Watanabe N, Iwahori Y. Impact damage resistance, response, and mechanisms of laminated composites reinforced by through-thickness stitching. Intranational Journal of Damage Mechanics. 2012(21):51-80. DOI: 10.1177/1056789510397070

  12. Tan KT, Watanabe N, Sano M, et al. Interlaminar Fracture Toughness of Vectran-stitched Composites - Experimental and Computational Analysis. Journal of Composite Materials. 2010;44(26): 3203–3229. DOI: 10.1177/0021998310369581

  13. Tan KT, Watanabe N, Iwahori Y. Finite element model for compression after impact behaviour of stitched composites. Composites Part B: Engineering. 2015;79:53–60. DOI: 10.1016/j.compositesb.2015.04.022

  14. Liu B, Lai J, Liu H, et al. Finite Element Analysis of the Effect for Different Thicknesses and Stitching Densities under the Low-Velocity Impact of Stitched Composite Laminates. Polymers. 2023;15(24):4628. DOI: 10.3390/polym15244628

  15. Mohammadi M, Sosa EM. Enhancing mode-II delamination resistance of hybrid woven composite materials of glass/ Kevlar fabrics by stitching with Kevlar threads. Composite Structures. 2024;345:118365. DOI: 10.1016/j.compstruct.2024.118365

  16. Mei M, Zeng T, Wang W, et al. Tensile failure strain mechanism of stitched composites with z-stitch method: Influence of stitch pattern and density. Polymer Composites. 2025;46(8):7362-7376. DOI: 10.1002/pc.29435

  17. Mohamed G, Allegri G, Yasaee M, et al. Cohesive element formulation for z-pin delamination bridging in fibre reinforced laminates. International Journal of Solids and Structures. 2018;132–133:232-244. DOI: 10.1016/j.ijsolstr.2017.05.037

  18. Староверов О.А., Бабушкин А.В., Горбунов С.М. Оценка степени поврежденности углепластиковых композиционных материалов при ударном воздействии // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. 2019. № 1. С. 161-172. DOI: 10.15593/perm.mech/2019.1.14

  19. Sharma SK, Sankar BV. Effect of stitching on impact and interlaminar properties of graphite/epoxy laminates. Journal of Thermoplastic Composite Materials. 1997;10(3):241-253. DOI: 10.1177/089270579701000302

  20. Ilyas M, Espinosa Ch, Lachaud F, et al. Dynamic delamination modelling using cohesive finite elements. 9th International DYMAT Conference on the Mechanical and Physical Behaviour of Materials under Dynamic Loading (September 07-11, 2009; Brussels, Belgium). p. 1567-1573. HAL Id: hal-02280153

  21. Liao X, Jiao Y, Xie J, et al. A high-fidelity modeling method for 2D woven laminated composites based on the virtual fiber embedded technology. Polymer Composites. 2025;46(15):14321-14331. DOI: 10.1002/pc.30062

  22. Sharma SB, Porat I, Potluri P, et al. Manufacturing of doubly curved tubular composite structures: mapping and weave modifications. Journal of Thermoplastic Composite Materials. 2002;15(3):209-225. DOI: 10.1177/0892705702015003048

  23. Drake DA, Sullivan RW, Clay SB. Influence of stitch parameters on the fracture energy of stitched sandwich composites. American Society for Composites 35th Technical Conference. 2020. New Jersey, NY DOI: 10.12783/asc35/34963

  24. Furtado C, Tavares RP, Arteiro A, et al. Effects of ply thickness and architecture on the strength of composite sub-structures. Composite Structures. 2021;256:113061. DOI: 10.1016/j.compstruct.2020.113061

  25. Laux T, Gan KW, Dulieu-Barton JM, et al. Ply thickness and fibre orientation effects in multidirectional composite laminates subjected to combined tension/compression and shear. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing. 2020;133:105864. DOI: 10.1016/j.compositesa.2020.105864

  26. Li YH, Ma Y, Guan TH, et al. A meso-scale stochastic model for tensile behavior of 2D woven ceramic composites considering void defects and stacking mode. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing. 2024;176(1–3):107838. DOI: 10.1016/j.compositesa.2023.107838

  27. Wang Y, Sun X. Digital-element simulation of textile processes. Composites Science and Technology. 2001;61(2):311-319. DOI: 10.1016/S0266-3538(00)00223-2

  28. Xie J, Liang J, Fang G, et al. Effect of needling parameters on the effective properties of 3D needled C/C-SiC composites. Composites Science and Technology. 2015;117:69–77. DOI: 10.1016/j.compscitech.2015.06.003

  29. Liu C, Xie J, Sun Y, et al. Micro-scale modeling of textile composites based on the virtual fiber embedded models. Composite Structures. 2019;230:111552. DOI: 10.1016/j.compstruct.2019.111552

  30. Xie J, Chen X, Zhang Y, et al. Experimental and numerical investigation of the needling process for quartz fibers. Composites Science and Technology. 2018;165:115-123. DOI: 10.1016/j.compscitech.2018.06.009

  31. Белоусов И.С., Железнов Л.П., Бурнышева Т.В. Моделирование испытаний на сжатие слоистых композитов с дефектами в виде расслоения // Вестник Московского авиационного института. 2024. Т. 31. № 1. С. 93-104.

  32. Акулин П.В., Гаврилов Г.А. Влияние структуры многослойного композиционного материала на деградацию жесткостных характеристик конструкции летательного аппарата // Вестник Московского авиационного института. 2023. Т. 30. № 3. С. 78-84.

  33. Самуйлов А.О. Модель оценки наличия и степени опасности дефектов на основе инвариантов акустической эмиссии // Вестник Московского авиационного института. 2022. Т. 29. № 4. С. 94-103. DOI: 10.34759/vst-2022-4-94-103

mai.ru — информационный портал Московского авиационного института

© МАИ, 1994-2026