Просмотр сведений о научной статье

Обложка номера

Заголовок

Валидация моделирования процесса расслоения композитных панелей силовых элементов конструкций летательных аппаратов

Автор

И.С. Белоусов

Организации

¹ФГБОУ «Новосибирский государственный технический университет»
г. Новосибирск, Российская Федерация
²ФАУ «Сибирский научно-исследовательский институт авиации им. С. А. Чаплыгина»
г. Новосибирск, Российская Федерация

Аннотация

Как при изготовлении, так и при эксплуатации элементов конструкций, выполненных из многослойных композитных материалов, возможно появление межслойных дефектов при ударе в результате эксплуатации или при нарушении технологии изготовления, что существенно снижает прочностные характеристики таких конструкций. Поэтому учет влияния таких дефектов на прочность является актуальной задачей. Основная цель данной работы – представление результатов валидации расчетных конечно-элементных моделей процесса деформирования элементов конструкций из многослойных композитов с межслойными дефектами. В работе рассматриваются два типа образцов: образцы в виде полосы с предварительным сквозным непроклеем и пластины с предварительным круглым непроклеем. Предварительный дефект создавался путем добавления в композитный пакет тонкой фторопластовой пленки необходимого размера. Проведены испытания таких образцов на сжатие, получены данные о росте межслойных дефектов. Построены конечно-элементные модели с учетом роста межслойных дефектов в процессе сжатия. С использованием построенных моделей решалась нелинейная статическая задача, учитывающая местную потерю устойчивости образца в области дефекта и дальнейшее его закритическое поведение, сопровождающееся ростом межслойного дефекта. Проведено сравнение экспериментальных и расчетных данных. Показано влияние межслойных характеристик разрушения на процесс расслоения.

Ключевые слова

многослойные композиты, межслойный дефект, процесс расслоения, метод конечных элементов, закритическое поведение

Список литературы

[1] Максименко В.Н., Олегин И. П., Пустовой Н. В. Методы расчёта на прочность и жёсткость элементов конструкций из композитов. Новосибирск, Изд-во НГТУ. 2015. 424 с.

[2] Гришин В.И., Дзюба А. С., Дударьков Ю. И. Прочность и устойчивость элементов и соединений авиационных конструкций из композитов. Москва: Физмалит. 2013. 272 с.

[3] Рана С., Фангейру Р. Современные композиционные материалы для аэрокосмической техники: обработка, свойства и применение. Кембридж, Великобритания, издательство Woodhead Publishing, 2016. 496 с.

[4] Чавла К. К. Композитные материалы: наука и техника. Бирмингем, Алабама, США, Springer Science & Business Media. 2019. 560 с.

[5] Чермошенцева А. С. Разработка методики повышения прочности тонкостенных элементов конструкций из композитных материалов с дефектами типа расслоения: дис. …канд. техн. наук: 01.02.04. Чермошенцева Анна Сергеевна; МГТУ. Москва, 2018. 168 с.

[6] Ван К., Чжао Л., Хонг Х., Гун Ю., Чжан Дж., Нин Х. Аналитическая модель для оценки потери устойчивости, распространения расслаивания и разрушения расслаивающихся композитов при одноосном сжатии. Композитные конструкции. 2019. Т. 223. С. 1–9.

[7] Ван К., Чжао Л., Хонг Х., Гун Ю., Чжан Дж., Нин Х. Исследование параметров и принципы оценки повреждений от расслаивания в слоистых композитах. Китайский журнал аэронавтики. 2021. Т. 37(7). С. 32–72.

[8] Крюгер Р. Метод виртуального закрытия трещин: история, подход и применение. Приложение. Механический выпуск. 2004. Т. 57(2). С. 109–143.

[9] Крюгер Р., О’ Брайен К. Методика оболочечного 3D-моделирования для анализа расслаивающихся композитных ламинатов. Журнал AIAA.2000. Т. 37. № 6. С. 25–44.

[10] Ирвин Г. Анализ напряжений и деформаций вблизи вершины трещины, пересекающей пластину. Журнал прикладной механики. 1957. Т. 24. С. 361–364.

[11] Дагдейл Д. С. Текучесть стальных листов с прорезями. Журнал механики и физики твердого тела. 1960. Т. 8(2). С. 100–104.

[12] Баренблатт Г. И. Математическая теория равновесных трещин при хрупком разрушении. Достижения в области прикладной механики. 1962. Т. 7. С. 55–129.

[13] Сюй Х.-П., Нидлман А. Численное моделирование быстрого роста трещин в хрупких твердых телах. Журнал механики и физики твердого тела. 1994. Т. 42. 1397–1434.

[14] Шабош Ж. Л., Жирар Р., Шафф А. Численный анализ композитных систем с использованием моделей взаимодействия фаз/интерфейсов. Вычислительная механика. 1997. Т. 20. С. 3–11.

[15] Альфано Г., Крисфилд М. Конечно-элементные модели интерфейсов для анализа расслаивания слоистых композитов: механические и вычислительные проблемы. Численные методы в инженерии, англ. 2001. Т. 50. С. 1701–1736.

[16] Каманьо П. П., Давила К. Г., Де Мура М. Ф. Численное моделирование прогрессирующего расслаивания смешанного типа в композиционных материалах. Композиционные материалы. 2003. Т. 37. С. 1415–1438.

[17] Гоял В.К., Джонсон Э. Р., Давила К. Г. Необратимый определяющий закон для моделирования процесса расслаивания с использованием неоднородностей межфазной поверхности. Композитные конструкции. 2004. Т. 65. С. 289–305.

[18] Мео М., Тийло Э. Моделирование расслоения в двойной консольной балке. Композитные конструкции. 2005. Т. 71. С. 429–434.

[19] Тайрон А., Давила К. Г., Каманьо П. П., Коста Дж. Инженерное решение для учета влияния размера конечного элемента при моделировании расслоения с использованием моделей когезионной зоны. Инженерная механика разрушения. 2007. Т. 74(10). С. 1665–1682.

[20] Тайрон А., Гонсалес Э. В., Саррадо С., Гийамет Г., Майми П. Точное моделирование расслоения при смешанном режиме нагружения с использованием модели когезионной зоны с зависящей от режима жесткостью. Композитные конструкции. 2018. Т. 184. С. 506–511.

[21] Белоусов И.С., Беспалов В. А. Экспериментальное определение вязкости межслойного разрушения композитного материала. Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2023. Т. 8. С. 81–87.

[22] ASTM D 7137/D 7137M, 2007. Стандартный метод определения остаточной прочности при сжатии поврежденных композитных плит с полимерной матрицей. Стандарт. Американское общество по испытаниям и материалам. Уэст-Коншохокен, Пенсильвания, США.

[23] Достижения в области применения ультразвуковых технологий с фазированными антенными решетками: Olympus NDT, США, Waltham, 2007. 491 с.

[24] Чернякин С.А., Скворцов Ю. В. Анализ роста расслоений в композиционных конструкциях. Вестник СибГАУ. 2014. № 4(56). С. 249–255.

Цитирование данной статьи

Белоусов И.С. Валидация моделирования процесса расслоения композитных панелей силовых элементов конструкций летательных аппаратов // Космические аппараты и технологии. 2024. Т. 8. № 4. С. 211-221.

Данная статья лицензирована по лицензии Creative Commons «Attribution-NonCommercial» («Атрибуция — Некоммерческое использование») 4.0 Всемирная.