Модель накопления повреждений в ортотропном композиционном материале
DOI:
https://doi.org/10.7242/1999-6691/2024.17.1.5Ключевые слова:
ортотропный упругий материал, тензор упругих свойств, слоистый композит, поврежденность, дефектыАннотация
Данная работа посвящена теоретическому и экспериментальному изучению связи поврежденности в композиционном материале с тензором упругих свойств четвертого ранга, а также с прочностью при квазистатических, циклических и динамических нагружениях. Рассматриваются слоистые полимерные композиты (стеклопластик или углепластик). Целью исследования является создание математической модели, описывающей поврежденность композиционного материала через тензор его упругих свойств четвертого ранга. Предложены определяющие соотношения для ортотропного композиционного материала с учетом накопления повреждений в процессе растяжения и сдвига. Для определения эффектинных упругих свойств проведено численное моделирование методом конечных элементов структурной ячейки периодичности композиционного материала разного строения (однонаправленного, слоистого и другого). Верификация предложенной модели выполнена на основе экспериментов по квазистатическому растяжению образцов композиционного материала (углепластика) и последующего определения деградации упругих свойств по данным измерений продольной скорости звука. Натурные опыты подтвердили влияние накопления поврежденности углепластика на снижение его эффективных упругих свойств. В связи с этим предложен способ учета необратимой поврежденности ортотропного композита через компоненты тензора податливости, что может быть полезным при проектировании и анализе конструкций из этих материалов. Также полученные результаты исследования могут пригодиться при разработке новых материалов с улучшенными механическими свойствами и при повышении качества уже существующих. Разработанная математическая модель ортотропного композиционного материала может использоваться при расчете прочностных характеристик конструкций при оценке способов повышения безопасности их применения в различных отраслях промышленности.
Скачивания
Библиографические ссылки
URL: https://cae-expert.ru/product/ansys-composite. (Дата обращения: 20.4.2024).
URL: https://tesis.com.ru/cae_brands/abaqus/renov_abaqus.php?sphrase_id=23531. (Дата обращения: 20.4.2024).
URL: https://www.comsol.ru/products. (Дата обращения: 20.4.2024).
Радченко П.А., Батуев С.П., Радченко А.В. Трехмерное моделирование деформации и разрушения гетерогенных материалов и конструкций при динамических нагрузках (EFES 2.0): программа для ЭВМ. № 2019660870 заявл. 14.11.2019; опубл. 14.11.2019, Бюл. № 11.85 Кб. Свидетельство RU 2019664836.
Radchenko A.V., Radchenko P.A., Batuev S.P Numerical Study of the Influence of Anisotropy of Physicomechanical Properties on the Impact Fracture of Orthotropic Composites // Russian Physics Journal. 2015. Vol. 58, no. 3. P. 319-329. DOI: 10.1007/ S11182-015-0501-1.
Radchenko P., Batuev S., Radchenko A. Modeling of interaction between projectiles and structures made of anisotropic materials // AIP Conference Proceedings. Vol. 2288. AIP Publishing LLC. 2020. 030043. DOI: 10.1063/5.0028278.
Radchenko P.A., Batuev S.P., Radchenko A.V Modeling the Destruction of an Anisotropic Composite Barrier in Interaction with Slender Strikers at an Angle // Journal of Engineering Physics and Thermophysics. 2022. Vol. 95, no. 1. P. 90-96. DOI: 10.1007/S10891-022-02457-3.
URL: https://cae-fidesys.com. (Дата обращения: 20.4.2024).
Левин В.А. Теория многократного наложения больших деформаций, развитие для решения междисциплинарных задач. Пути ее реализации в пакете Фидесис для проведения прочностного анализа в новых отраслях промышленности // Чебышевский сборник. 2017. Т. 18, №3.C. 518-537. DOI: 10.22405/2226-8383-2017-18-3-518-537.
Levin V., Vdovichenko I., Vershinin A., Yakovlev M., Zingerman K. Numerical Estimation of Effective Mechanical Properties for Reinforced Plexiglas in the Two-Dimensional Case // Modelling and Simulation in Engineering. 2016. Vol. 2016. 9010576. DOI: 10.1155/2016/9010576.
Наседкин А.В., Наседкина А.А., Ремизов В.В. Конечно-элементное моделирование пористых термоупругих композитов с учетом микроструктуры // Вычислительная механика сплошных сред. 2014. Т. 7, № 1. C. 100-109. DOI: 10.7242/1999-6691/2014.7.1.11.
Шубин С.Н., Фрейдин А.Б. Алгоритм построения пространственных стохастических микроструктур дисперсно- упрочненных композитов с включениями эллипсоидальной формы//Вестник ПНИПУ. Механика. 2016. Т. 4. C. 317-337. DOI: 10.15593/perm.mech/2016.4.19.
Ташкинов М.А. Методика расчета упругих эффективных свойств двухфазных полидисперсных сред с использованием многоточечных статистических дескрипторов и метода интегральных уравнений //Вестник ПНИПУ. Механика. 2019. Т. 2. C. 203-214. DOI: 10.15593/perm.mech/2019.2.17.
Raju B., Hiremath S., Roy Mahapatra D. A review of micromechanics based models for effective elastic properties of reinforced polymer matrix composites // Composite Structures. 2018. Vol. 204. P. 607-619. DOI: 10.1016/j.compstruct.2018.07.125.
Сапожников С.Б., Шабурова Н.А., Игнатова А.В., Шаныгин А.Н. Анализ мезоструктуры и кинетики разрушения элементов сетчатых композитных конструкций при трансверсальном сжатии с использованием стохастической МКЭ-микромеханики // Вестник ПНИПУ. Механика. 2022. Т. 4. C. 54-66. DOI: 10.15593/perm.mech/2022.4.06.
Наседкин А.В., Корниевский А.С. Конечно-элементное моделирование эффективных свойств анизотропных упругих материалов со случайной наноразмерной пористостью // Вычислительная механика сплошных сред. 2017. Т. 10, № 4. C. 375-387. DOI: 10.7242/1999-6691/2017.10.4.29.
Димитриенко Ю.И., Сборщиков С.В., Соколов А.П., Шпакова Ю.В. Численное моделирование процессов разрушения тканевых композитов // Вычислительная механика сплошных сред. 2013. Т. 6, № 4. C. 389-402. DOI: 10.7242/1999-6691/2013.6.4.43.
Долгих Д.А., Ташкинов М.А. Исследование закономерностей накопления повреждений и развития расслоения в полимерных композиционных материалах на основе двухуровневых моделей разрушения // Вестник ПНИПУ. Механика. 2020. Т 4. C. 74-85. DOI: 10.15593/perm.mech/2020.4.07.
Sun Q., Zhou G., Yang Z., Breslin J., Meng Z. Multiscale modeling of failure behaviors in carbon fiber-reinforced polymer composites // Fundamentals of Multiscale Modeling of Structural Materials. Elsevier, 2023. P 239-292. DOI: 10.1016/B978-0-12-823021-3.00005-1.
Гонтюк А.П. Программный комплекс Digimat от разработки композиционных материалов и виртуальных испытаний образцов до моделирования изготовления и расчета композитных деталей // Композитный мир. 2019. Т. 4. C. 42-51. DOI: 10.33015/2658-6730-2019-4-42-51.
Wan A., Li D., Lu P. Three-scale modeling and probabilistic progressive damage analysis of woven composite laminates // Mechanics of Advanced Materials and Structures. 2022. P 602-618. DOI: 10.1080/15376494.2022.2116757.
Трощенко В.Т. Деформирование и разрушение металлов при многоцикловом нагружении. Киев: Наукова Думка, 1981. 344 с.
Конструкционная прочность материалов и деталей газотурбинных двигателей: сб. статей / под ред. И. Биргер, Б. Балашов. М.: Машиностроение, 1981. 222 с.
Качанов Л.М. О времени разрушения в условиях ползучести // Известия Академии наук СССР. Отдел технических наук. 1958. № 8. C. 26-31.
Качанов Л.М. Основы механики разрушения. М.: Наука, 1974. 312 с.
Работнов Ю.Н. Ползучесть элементов конструкций. М.: Наука, 1966. 452 с.
Работнов Ю.Н. Механика деформируемого твердого тела. М.: Наука, 1979. 744 с.
Усталость металлов / под ред. Г.Ф. Ужик. М.: Иностр. лит., 1961.380с.
Каримбаев Т.Д. Оценка усталостной долговечности изделий из композиционных материалов // Авиационные двигатели. 2020. Т. 4, № 9. C. 75-93.
Усталость и выносливость металлов. М.: Изд. Иностр. лит., 1963. 497 с.
Матвеев В.В. К обоснованию использования деформационных критериев многоциклового усталостного разрушения металлов. Сообщение 1. Анализ известных подходов // Проблемы прочности. 1995. Т. 5. C. 11-21.
Матвеев В.В. К обоснованию использования деформационных критериев многоциклового усталостного разрушения металлов. Сообщение 2. Новый подход // Проблемы прочности. 1995. Т. 5. C. 3-12.
Трощенко В.Т., Хамаза Л.А., Цыбанев ГВ. Методы ускоренного определения пределов выносливости металлов на основе деформационных и энергетических критериев. Киев: Наукова думка, 1979. 105 с.
Трощенко В.Т., Фомичев Л.А. Энергетический критерий усталостного нагружения // Проблемы прочности. 1993. Т. 1. C. 3-10.
Вейбул В. Усталостные испытания и анализ их результатов. М.: Машиностроение, 1964. 275 с.
Болотин В.В. Прогнозирование ресурса машин и конструкций. М.: Машиностроение, 1984. 312 с.
Серенсен С.В., Когаев В.В., Шнейдеровин Р.М. Несущая способность и расчеты деталей машин на прочность. М.: Машиностроение, 1975. 488 с.
Когаев В.П. Расчеты на прочность при напряжениях переменных во времени. М.: Машиностроение, 1993. 364 с.
Афанасьев Н.Н. Статистическая теория усталостной прочности металлов. Киев: Изд-во АН УССР, 1953. 123 с.
Волков С.Д. Статистическая теория прочности. М.: Машгиз, 1960. 176 с.
Регель В.Р., Слуцкер А.И., Томашевский Э.Е. Кинетическая природа прочности твердых тел. М.: Наука, 1974.560 с.
Одинг И.А. Допускаемые напряжения в машиностроении и циклическая прочность. М.: Машгиз, 1962. 260 с.
Иванова В.С., Терентьев Ф.М. Природа усталости металлов. М.: Металлургия, 1975. 456 с.
Федоров В.В. Кинетика повреждаемости и разрушения твердых тел. Ташкент: изд-во ФАН Узбекской ССР, 1985. 168 с.
Новиков И.И. Дефекты кристаллического строения металлов. М.: Металлургия, 1975. 208 с.
Екобори Т. Физика и механика разрушения и прочности твердых тел. М.: Металлургия, 1971. 264 с.
Владимиров В.И. Физическая природа разрушения металлов. М.: Металлургия, 1984. 280 с.
Panin V.E. Methodology of physical mesomechanics as a basis for model construction in computer-aided design of materials // Russian Physics Journal. 1995. Vol. 38, no. 11. P. 1117-1131. DOI: 10.1007/BF00559394.
Физическая мезомеханика и компьютерное конструирование материалов. Т. 1 / под ред. В. Панин. Новосибирск: Наука, 1995.298 с.
Панин В.Е., ЕлсуковаТ.Ф., Ангелова Г.В., Сапожников С.В. Влияние сдвиговой устойчивости кристаллической структуры поликристаллов на механизм их усталостного разрушения на мезомасштабном уровне // Физическая мезомеханика. 1998. Т. 2. C. 45-50. DOI: 10.24411/1683-805X-1998-00010.
Победря Б.Е. Механика композиционных материалов. М.: МГУ, 1984. 336 с.
Поверхностные слои и внутренние границы раздела в гетерогенных материалах / под ред. Р. Балохонов, С. Панин. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2006. 520 с.
Наполненные полимерные композиции: монография / под ред. А. Герасимов. Томск: Изд-во ТПУ, 2014. 297 с.
Вильдеман В.Э., Соколкин Ю.В., Ташкинов А.А. Механика неупругого деформирования и разрушения композиционных материалов. М.: Наука. Физматлит, 1997. 288 с.
Lomakin E.V., Fedulov B.N. Nonlinear anisotropic elasticity for laminate composites // Meccanica. 2015. Vol. 50, no. 6. P. 1527-1535. DOI: 10.1007/s11012-015-0104-5.
Lomakin E.V., Lurie S.A., Belov P.A., Rabinskii L.N. Modeling of the localy-functional properties of the material damaged by fields of defects // Doklady Physics. 2017. Vol. 62, no. 1. P. 46-49. DOI: 10.1134/S1028335817010128.
Fedulov B.N., Fedorenko A.N., Kantor M.M., Lomakin E.V. Failure analysis of laminated composites based on degradation parameters // Meccanica. 2018. Vol. 53, no. 1/2. P. 359-372. DOI: 10.1007/s11012-017-0735-9.
Ivanov D.S., Lomov S.V Modelling the structure and behaviour of 2D and 3D woven composites used in aerospace applications // Polymer Composites in the Aerospace Industry. Elsevier, 2015. P. 21-52. DOI: 10.1016/B978-0-85709-523-7.00002-5.
Truong T.C., Ivanov D.S., Klimshin D.V., Lomov S.V., Verpoest I. Carbon composites based on multi-axial multi-ply stitched preforms. Part 7: Mechanical properties and damage observations in composites with sheared reinforcement // Composites Part A: Applied Science and Manufacturing. 2008. Vol. 39, no. 9. P 1380-1393. DOI: 10.1016/j.compositesa.2008.05.004.
Kachanov M., Sevostianov I. Micromechanics of materials, with applications. Vol. 249. Cham: Springer, 2018. 712 p. DOI: 10.1007/978-3-319-77354-3.
Степанова Л.В. Компьютерное моделирование процессов накопления повреждений в твердых телах с трещинами с помощью пользовательской процедуры UMAT вычислительного комплекса Simulia Abaqus // Вестник ПНИПУ. Механика. 2018. Т. 3. C. 71-86. DOI: 10.15593/perm.mech/2018.3.08.
Bayandin Y., Golovin M., Ledon D., Naimark O. Model of elastic modulus degradation and fracture of composite materials under cyclic loading // Procedia Structural Integrity. 2021. Vol. 32. P. 26-31. DOI: 10.1016/j.prostr.2021.09.005.
Carol I., Rizzi E., Willam K. On the formulation of anisotropic elastic degradation. I. Theory based on a pseudo-logarithmic damage tensor rate // International Journal of Solids and Structures. 2001. Vol. 38, no. 4. P. 491-518. DOI: 10.1016/S0020- 7683(00)00030-5.
Carol I., Rizzi E., Willam K. On the formulation of anisotropic elastic degradation. II. Generalized pseudo-Rankine model for tensile damage //International Journal of Solids and Structures. 2001. Vol. 38, no. 4. P. 519-546. DOI: 10.1016/S0020-7683(00)00031-7.
Subgrid Modeling and Extra Dimensions in COMSOL Webinar (Russian). 20.04.2023. https://www.comsol.ru/video/subgrid-modeling-and-extra-dimensions-in-comsol-webinar-ru.
Bayandin Y., Panteleev I., Zhitnikova K., Naimark O. Numerical simulation of deformation and failure of orthotropic composite materials // AIP Conference Proceedings. Vol. 1785. AIP Publishing. 2016. P. 040007. DOI: 10.1063/1.4967064.
BannikovM., Sazhenkov N., Balakirev A., Sazhenkov N., Uvarov S., Bayandin Y., NikitiukA., Nikhamkin M., NaimarkO. Acoustic emission phase analysis of damage-failure transition staging in composite materials // Procedia Structural Integrity. 2022. Vol. 41. P. 518-526. DOI: 10.1016/j.prostr.2022.05.059.
Пантелеев И.А., Баяндин Ю.В., Наймарк О.Б. Пространственно-временные закономерности развития поврежденности при деформировании стекловолоконного тканого ламината по данным акустической эмиссии // Физическая мезомеханика. 2016. Т. 19, № 4. C. 64-73. DOI: 10.24411/1683-805X-2016-00008.
Пантелеев И.А., Баяндин Ю.В., Плехов О.А. Эффект синхронизации статистических свойств непрерывной акустической эмиссии при деформировании структурно-неоднородных материалов // Вестник ПНИПУ. Механика. 2022. Т. 3. C. 5-13. DOI: 10.15593/perm.mech/2022.3.01.
Загрузки
Опубликован
Выпуск
Раздел
Лицензия
Copyright (c) 1970 Вычислительная механика сплошных сред
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution-NonCommercial» («Атрибуция — Некоммерческое использование») 4.0 Всемирная.