Метод определения предельной деформации растрескивания полимерных композиционных материалов на основе использования автоматизированного расчетного комплекса ДАР-МАИ

Испытания композитных элементов конструкций летательных аппаратов

2026. Т. 33. № 3. С. 224-232.

Авторы

Турбин Н. В.*, Калуцкий Н. С.**, Ипатьева И. Д.

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

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

Аннотация

Сохранение функциональных свойств конструкций из полимерных композиционных материалов в значительной степени определяется сопротивлением матрицы поперечному растрескиванию. Традиционные методы неразрушающего контроля обладают недостаточной чувствительностью для обнаружения таких повреждений, в связи с чем разработка методов расчетной оценки растрескивания матрицы на этапе проектирования представляет несомненную актуальность. В настоящей работе представлен вычислительный комплекс, базирующийся на модели дискретной механики разрушения (ДМР) и интегрированный в среду конечно-элементного анализа Abaqus/CAE®. Результаты параметрических расчетов демонстрируют, что предельная деформация растрескивания, скорость накопления трещин и характеристики насыщенного поврежденного состояния существенно зависят от толщины пакета и степени группировки слоев с одинаковой ориентацией. Показано, что расчетные значения деформации растрескивания для многослойного пакета значительно превышают консервативную величину предельной поперечной деформации отдельного монослоя. Таким образом, предлагаемый метод представляется рациональным средством снижения консервативности выбора значений толщин полимерных композиционных материалов (ПКМ), что обеспечивает возможность оптимизации массы композитных конструкций без ущерба для безопасности конструкции.

Ключевые слова:

растрескивание полимерной матрицы, дискретная механика разрушения композиционных материалов, предельная деформация растрескивания, пользовательская подпрограмма материала UGENS, расчетный комплекс ДАР-МАИ

Список источников

  1. Погосян М.А., Турбин Н.В., Староверов О.А. и др. Исследование живучести деталей ЛА из конструкционных полимерных композиционных материалов в условиях циклического сжатия после удара // Вестник Московского авиационного института. 2025. Т. 32. № 4. С. 126-136. URL: https://vestnikmai.ru/publications.php?ID=186674

  2. 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

  3. Pascoe JA. Slow-growth damage tolerance for fatigue after impact in FRP composites: Why current research won’t get us there. Procedia Structural Integrity. 2020;28:726-733. DOI: 10.1016/j.prostr.2020.10.084

  4. Molent L, Haddad A. A critical review of available composite damage growth test data under fatigue loading and implications for aircraft sustainment. Composite Structures. 2020;232:111568. DOI: 10.1016/j.compstruct.2019.111568

  5. Turbin N, Shelkov K, Kononov NO, et al. Cyclic damage quantification in composite materials using discrete damage mechanics. Composite Structures. 2024;342(3):118271. DOI: 10.1016/j.compstruct.2024.118271

  6. Shen H, Yao W, Qi W, et al. Experimental investigation on damage evolution in cross-ply laminates subjected to quasi-static and fatigue loading. Composites Part B: Engineering. 2017;120:10–26. DOI: 10.1016/j.compositesb.2017.02.033

  7. Griffith JC, Wang S, Palubiski DR, et al. Investigating the microcracking behaviour of a commercial epoxy matrix under cryogenic conditions. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing. 2025;199:109190. DOI: 10.1016/j.compositesa.2025.109190

  8. Ghani RH, Dookhi MA. Studying the effect of matrix cracking on the mechanical properties of composite materials. AIP Conference Proceedings. The National University of Science and Technology International Conference for Engineering Sciences (May 5–6, 2024; Dhi-Qar, Iraq). 2025;3303(1):060007. DOI: 10.1063/5.0261931

  9. Just G, Koch I, Gude M. Experimental Analysis of Matrix Cracking in Glass Fiber Reinforced Composite Off-Axis Plies under Static and Fatigue Loading. Polymers. 2022;14(11):2160. DOI: 10.3390/polym14112160

  10. Bashar MT, Sundararaj U, Mertiny P, et al. Study of matrix micro-cracking in nano clay and acrylic tri-block-copolymer modified epoxy/basalt fiber-reinforced pressure-retaining structures. Express Polymer Letters. 2011;5(10):882–596. DOI: 10.3144/expresspolymlett.2011.87

  11. Ussorio M. Development of matrix cracks in cross-ply laminates under bending and their detection using FBG sensors. University of Surrey. Submitted for the degree of Master of Philosophy; 2004. 230 p.

  12. Lebedev MP, Startsev OV, Petrov MG, et al. The Formation of Microcracks during Climatic Aging of Polymer-Composite Materials. Polymer Science, Series D. 2023:16:116–123. DOI: 10.1134/S199542122301015X

  13. Азаров А.В., Бабичев А.А., Васильев В.В., и др. К проблеме герметичности композитных баллонов давления // Композиты и наноструктуры. 2023. Т. 15. № 1(57). С. 1-12. DOI: 10.36236/1999-7590-2023-15-1-1-12

  14. Пантелеев А.В., Турбин Н.В., Тучков Н.А., и др. Методика количественной оценки степени растрескивания слоистого 2 композита по данным компьютерной томографии // Труды МАИ. 2025. № 143. URL: https://trudymai.ru/published.php?ID=185657

  15. Couty V, Berthe J, Deletombe E, et al. Comparing methods to detect the formation of damage in composite materials. Experimental Techniques. 2022;47(3):689-708. DOI: 10.1007/s40799-022-00574-5

  16. Morokov E, Levin V, Petronyuk Y, et al. Bending damage evolution from micro to macro level in CFRP laminates studied by high-frequency acoustic microscopy and acoustic emission. Composite Structures. 2022;288:115427. DOI: 10.1016/j.compstruct.2022.115427

  17. Barbero EJ, Barbero JC, Ugena CN. Analytical solution for plane stress/strain deformation of laminates with matrix cracks. Composite Structures. 2015;132:621-632. DOI: 10.1016/j.compstruct.2015.06.010

  18. Barbero EJ, Barbero JC. Analytical solution for bending of laminated composites with matrix cracks. Composite Structures. 2016;135:140-155. DOI: 10.1016/j.compstruct.2015.09.021

  19. Barbero EJ, Cortes DH. A mechanistic model for transverse damage initiation, evolution, and stiffness reduction in laminated composites. Composites Part B: Engineering. 2010;41(2):124-132. DOI: 10.1016/j.compositesb.2009.10.001

  20. Barbero EJ, Cosso FA. Determination of material parameters for discrete damage mechanics analysis of carbon-epoxy laminates. Composites Part B: Engineering. 2014;56:638-646. DOI: 10.1016/j.compositesb.2013.08.084

  21. Barbero EJ. Finite Element Analysis of Composite Materials using Abaqus®. 2nd ed. CRC press; 2023. 328 p. DOI: 10.1201/b16295

mai.ru — информационный портал Московского авиационного института

© МАИ, 1994-2026