Исследование усталостной прочности слоистых полимерных композиционных материалов с учетом повреждений

Авторы

Богомолова А. Д.^*, Пальчиков Д. С.^**

Центральный институт авиационного моторостроения им. П.И. Баранова, ЦИАМ, Авиамоторная ул., 2, Москва, 111116, Россия

*e-mail: adbogomolova@ciam.ru
**e-mail: dspalchikov@ciam.ru

Аннотация

Настоящая работа посвящена экспериментальному исследованию роста повреждений в полимерном композиционном материале (ПКМ) в условиях циклического нагружения (сжатия). Рассмотрены 4 категории повреждений и различные механизмы разрушения, которые следуют поочередно. Сначала на первом этапе происходит растрескивание матрицы внутри всех слоёв от действия растяжения по границе раздела матрица-волокно. На втором этапе происходит расслаивание композита на отдельные слои под действием межслоевого сдвига. При достижении максимума нагрузки начинают рваться волокна. На четвертом этапе происходит разрушение образца. Циклическими испытаниями образцов из ПКМ с повреждениями получены зависимости размера повреждения и остаточной прочности от количества циклов нагружения. Показано применение методов неразрушающего контроля (ультразвуковая дефектоскопия) для измерения размеров повреждений в ПКМ. Результаты данных исследований использовались для формирования подхода к оценке допустимого уровня повреждений для деталей из ПКМ. Предлагаемый подход основан на анализе изменения остаточной прочности углепластика с повреждением в зависимости от количества циклов нагружения. Так же изучено влияние влаги на прочность ПКМ с повреждением и произведено сравнение результатов и определена скорость роста повреждений внутри материала.

Ключевые слова:

полимерный композиционный материал (ПКМ), прочность, повреждения, циклические испытания на сжатие

Библиографический список

1. Аношкин А.Н., Зуйко В.Ю., Осокин В.М., Писарев П. Моделирование технологических дефектов и оценка их влияния на статическую прочность композитных фланцев // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. 2016. № 2. С. 58-21. DOI: 10.15593/perm.mech/2016.2.01
2. ASTM D6264/D6264M - Standard Test Method for Measuring Damage Resistance of Fiber-Reinforced Polymer-Matrix Composite to Concentrated Quasi-Static Indentation Force. URL: https://www.astm.org/d6264_d6264m-23.html
3. Ilcewicz L. Past experiences and future trends for composite aircraft structure 11/10/09 montana state university seminar FAA CS&TA, Composites. 2009. URL: http://www.coe.montana.edu/me/faculty/cairns/Composites
4. ГОСТ Р 56787-2015. Композиты полимерные. Неразрушающий контроль. - М.: Стандартинформ, 2016. - 66 c.
5. Каримбаев Т.Д., Пальчиков Д.С. Методы неразрушающего контроля деталей авиадвигателей их композиционных материалов. Выявление границ допустимости дефектов // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета. 2014. № 5 (47). Ч. 1. С. 96-105.
6. Огибалов П.М. и др. Конструкционные полимеры. в 2 кн. - М.: Издательство Московского университета, 1972. Кн. 1. – 323 с.; Кн. 2. – 306 с.
7. Стрижиус В.Е. Оценка усталостной долговечности слоистых композитов с использова¬нием нормализованных кривых усталости // Материаловедение. Энергетика. 2020. Т. 26, № 3. С. 20–32. DOI: 10.18721/JEST.26302
8. Alan T. Nettles. Damage Tolerance of Composite Laminates from an Empirical Perspective, NASA, Marshall Space Flight Centre, 2009, 26 p.
9. Давид Броек. Основы механики разрушения. – М.: Высшая школа, 1980. - 368 c.
10. ASTM D5229. Standard Test Method for Moisture Absorption Properties and Equilibrium Conditioning of Polymer Matrix Composite Materials. URL: https://www.astm.org/d5229_d5229m-92r10.html
11. Ша Мингун, Сунь Ин. Экспериментальное исследование повреждений конструкции из композитных материалов высокоскоростного летательного аппарата от дождевой каплеударной эрозии // Труды МАИ. 2022. № 126. URL: https://trudymai.ru/published.php?ID=168996. DOI: 10.34759/trd-2022-126-10
12. 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. URL: https://trudymai.ru/published.php?ID=166912. DOI: 10.34759/trd-2022-124-06
13. Голован В.И., Дударьков Ю.И., Левченко Е.А., Лимонин М.В. Несущая способность панелей из композиционных материалов при наличии эксплуатационных повреждений // Труды МАИ. 2020. № 110. URL: https://trudymai.ru/published.php?ID=112830. DOI: 10.34759/trd-2020-110-5
14. Каримбаев Т.Д. Аналитическое описание влияния повреждений на работоспособность изделий из композиционных материалов // Международная научно-техническая конференция «Проблемы и перспективы развития двигателестроения» (Самара, 23–25 июня 2021): сборник докладов. – Самара: Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева, 2021. Т. 2. - С. 370-372
15. Кинцис Т.Я., Розе А.В., Жигун И.Г. Методы статических испытаний армированных пластиков. – Рига: Зинатне, 1972. – 227 c.
16. Лехницкий С.Г. Теория упругости анизотропного тела. – М.: Наука, 1971. - 415 с.
17. Чамис К. Композиционные материалы. Анализ и проектирование конструкций. Т. 8. Ч. 2. – М.: Машиностроение, 1978. - 262 с.
18. Баженов C.Л. Механика и технология композиционных материалов. - Долгопрудный: Издательский Дом «Интеллект», 2014. - 328 с.
19. Каримбаев Т.Д., Луппов А.А., Афанасьев Д.В., Пальчиков Д.С. О формировании технических требований к полимерному материалу перспективной рабочей лопатки вентилятора ТРДД // Двигатель. 2015. № 1. C. 4-10.
20. Гольденблат И.И., Копнов В.А. Критерий прочности анизотропных материалов - М.: Машиностроение, 1968. - 192 с.

Скачать статью