Проектирование оптимальной формы и структуры армирования образца для корректного определения прочности однонаправленных композитов на растяжение

Наивысшую прочность однонаправленные композиты имеют при растяжении вдоль волокон, но ее корректное определение связано с большими методическими сложностями. Основные проблемы испытаний полимерных композитов на растяжение состояли в разработке формы образца и способа его закрепления для обеспечения минимального влияния концентрации напряжений около захватов на реализацию прочности. Традиционные формы образцов с галтелями для однонаправленных пластиков непригодны, так как при их нагружении происходят расщепления в зонах галтели. Поэтому стандартизованы образцы в виде прямоугольных полосок, закрепляемых с помощью накладок или в специальных захватах, создающих постоянные поперечные усилия. Однако при такой форме образцов неизбежно возникает значительная концентрация напряжений у кромки захватов, причем ее влияние тем больше, чем меньше отношение межслойного модуля сдвига к продольному модулю Юнга. В целях наиболее корректного определения прочности в работе предложены образцы типа «констэра» с плавно изменяющимися размерами, но постоянной площадью поперечного сечения, что обеспечивает сохранение в каждом сечении общего числа неразрушенных волокон. При переходе от рабочей части образца к захватной его толщина уменьшается, а ширина (при сохранении площади сечения) увеличивается, чтобы не допустить смятия образца от поперечных усилий в стандартных самозатягивающихся захватах. Проведено аналитическое и МКЭ моделирование для выбора рациональной формы контура. Создано технологическое оборудование и отработана методика изготовления модельных образцов. При испытании на растяжение специально изготовленных образцов с криволинейным армированием получены более высокие значения прочности, чем при испытании стандартных образцов в виде прямоугольных полосок или с полукруглыми галтелями.

1. Полилов А. Н., Татусь Н. А. Биомеханика прочности волокнистых композитов. — М.: Физматлит, 2018. — 328 с.

2. Полилов А. Н. Экспериментальная механика композитов. — М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2015. — 376 с.

3. Малахов А. В., Полилов А. Н. Алгоритм построения рациональных траекторий волокон в произвольно нагруженной композитной пластине / Проблемы машиностроения и надежности машин. 2017. № 5. С. 71 – 80.

4. Федорова Н. А. Математическое моделирование предельных деформаций плоских конструкций, армированных вдоль криволинейных траекторий / Вестник Сибирского государственного аэрокосмического университета им. Академика М. Ф. Решетнева. 2014. № 1(53). С. 91 – 94.

5. Crothers P. J., Drechsler K., Feltin D., Herszberg I., Kruckenberg T. Tailored fibre placement to minimise stress concentrations / Composites. Part A. Appl. Sci. Manufact. 1997. Vol. 28. N 7. P. 619 – 625.

6. Hyer M. W., Charette R. F. The use of curvilinear fiber format in composite structure design / AIAA J. 1991. Vol. 29. N 6. P. 1011 – 1015.

7. Lemaire E., Zein S., Bruyneel M. Optimization of composite structures with curved fiber trajectories / Composite Struct. 2015. Vol. 131. N 5. P. 895 – 904.

8. Malakhov A. V., Polilov A. N. Design of composite structures reinforced curvilinear fibres using FEM / Composites. Part A. 2016. Vol. 87. P. 323 – 328. DOI: 10.1016/j.compositesa.2016. 04.005

9. Malakhov A. V., Polilov A. N., Tian X. Progressive failure analysis of variable stiffness composite structures / Citation. AIP Conf. Proc. 2018. 2053.030038. DOI: 10.1063/1.5084399

10. Pedersen P. Examples of density, orientation, and shape-optimal 2D-design for stiffness and/or strength with orthotropic materials / Struct. Multidisc. Opt. 2004. Vol. 26. N 1. P. 37 – 49.

11. Spickenheuer A., Schulz M., Gliesche K., Heinrich G. Using tailored fibre placement technology for stress adapted design of composite structures / Plast. Rubber Composites. Macromol. Eng. 2008. Vol. 37. N 5. P. 227 – 232.

12. Tosh M. W., Kelly D. W. On the design, manufacture and testing of trajectorial fibre steering for carbon fibre composite laminates / Composites. Part A. Appl. Sci. Manufact. 2000. Vol. 31. N 10. P. 1047 – 1060.

13. Гоцелюк Т. Б., Гришин В. И., Коваленко Н. А. Исследование прочности болтовых соединений в слоистых композитах с использованием модели прогрессирующего разрушения / Механика композиционных материалов и конструкций. 2016. Т. 22. N 2. С. 225 – 244.

14. Кокина Т. М., Шафигуллин Л. Н. Оценка влияния свойств композитных материалов на параметры болтовых соединений деталей / Прикладная физика. 2018. N 4. С. 106 – 110.

15. Grüber B., Hufenbach W., Kroll L., Lepper M., Zhou B. Stress concentration analysis of fibre-reinforced multilayered composites with pin-loaded holes / Composites Sci. Technol. 2007. Vol. 67. N 7. P. 1439 – 1450.

16. Meram A., Can A. Experimental investigation of screwed joints capabilities for the CFRP composite laminates / Composites. Part B. Eng. 2019. Vol. 176. Article 107142.

17. Zhao T., Palardy G., Villegas I. F., Rans C., Benedictus R. Mechanical behaviour of thermoplastic composites spot-welded and mechanically fastened joints: A preliminary comparison / Composites. Part B. Eng. 2017. Vol. 112. P. 224 – 234.

18. Akrami R., Fotouhi S., Fotouhi M., Bodaghi M., Bolouri A. High-performance bio-inspired composite T-joints / Composites Sci. Technol. 2019. Vol. 184. Art. 107840.

19. Burns L., Mouritz A. P., Pook D., Feih S. Bio-inspired hierarchical design of composite T-joints with improved structural properties / Composites. Part B. Eng. 2015. Vol. 69. P. 222 – 231.

20. Полилов А. Н., Арутюнова А. С., Татусь Н. А. Влияние концентрации напряжений вблизи захватов на реализацию прочности композитов при растяжении / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2020. Т. 86. № 11. С. 48 – 59. DOI: 10.26896/1028-6861-2020-86-11-48-59.

21. Гордон Дж. Почему мы не проваливаемся сквозь пол / Пер. с англ. С. Т. Милейко; под ред. Ю. Н. Работнова. — М.: Мир, 1971. — 272 с.

22. Гордон Дж. Конструкции, или почему не ломаются вещи / Пер. с англ. В. Д. Эфроса; под ред. С. Т. Милейко. — М.: Мир, 1980. — 390 с.

23. Малахов А. В., Полилов А. Н. Построение траекторий волокон, огибающих отверстие, и их сравнение со структурой древесины в зоне сучка / Проблемы машиностроения и надежности машин. 2013. № 4. С. 57 – 62.

24. Almeida J., Bittrich L., Spickenheuer A. Improving the open-hole tension characteristics with variable-axial composite laminates: Optimization, progressive damage modeling and experimental observations / Composites Sci. Technol. 2020. Vol. 185. Art. 107889.

25. Gliesche K., Hübner T., Orawetz H. Application of the tailored fibre placement (TFP) process for a local reinforcement on an «open-hole» tension plate from carbon/epoxy laminates / Composites Sci. Technol. 2003. Vol. 63. N 1. P. 81 – 88.

26. Huang J., Haftka R. T. Optimization of fiber orientation near a hole for increased load-carrying capacity of composite laminates / Struct. Multidisc. Opt. 2005. Vol. 30. N 5. P. 335 – 341.

27. Hou Z., Tian X., Zhang J., Zhe L., Zheng Z., Li D., Malakhov A. V., Polilov A. N. Design and 3D Printing of Continuous Fiber Reinforced Heterogeneous Composites / Composite Struct. 2020. Art. 111945. DOI: 10.1016/j.compstruct.2020. 111945

28. Lee J.-M., Moon J.-S., Shim D., Choi B.-H. Effect of glass fiber distributions on the mechanical and fracture behaviors of injection-molded glass fiber-filled polypropylene with 2-Hole Tension specimens / Composites Sci. Technol. 2019. Vol. 170. N 1. P. 190 – 199.

29. Polilov A. N., Tatus N. A., Kamantsev I. S., Kuznetsov A. V., Akhmedshin E. Kh., Tian X. Reducing the effect of holes on the bearing capacity of fiber-reinforced materials / AIP Conf. Proc. 2019. 2176.030010.

30. Zhu Y., Liu J., Liu D., Xu H., Hui D. Fiber path optimization based on a family of curves in composite laminate with a center hole / Composites. Part B. Eng. 2017. Vol. 111. P. 91 – 102.

31. Cho H. R., Rowlands R. E. Optimizing fiber direction in perforated orthotropic media to reduce stress concentration / J. Composite Mater. 2009. Vol. 43. N 10. P. 1177 – 1198.

32. Balla V. M., Kate K. H., Satyavolu J., Singh P., Ganesh J., Tadimeti D. Additive manufacturing of natural fiber reinforced polymer composites: Proces sing and prospects / Composites. Part B. Eng. 2019. Vol. 174. Art. 106956.

33. Dell’Anno G., Partridge I., Cartié D., Hamlyn A., Chehura E., James S. W., Tatam R. P. Automated manufacture of 3D reinforced aerospace composite structures / Int. J. Struct. Integr. 2010. Vol. 3. N 1. P. 22 – 40.

34. Dickson A. N., Barry J. N., McDonnell K. A., Dowling D. P. Fabrication of continuous carbon, glass and Kevlar fibre reinforced polymer composites using additive manufacturing / Additive Manufact. 2017. Vol. 16. P. 146 – 152.

35. Brooks H., Molony S. Design and manufactured parts with three dimensional continuous fibre reinforcement / Mater. Design. 2016. Vol. 90. P. 276 – 283.

36. Malakhov A., Polilov A., Zhang J., Hou Z., Tian X. A modeling method of continuous fiber paths for additive manufacturing (3D printing) of variable stiffness composite structures / Appl. Composite Mater. 2020. DOI: 10.1007/s10443-020-09804-8

37. Jasso A. M., Goodsell J. E., Ritchey A. J., Pipes R. B., Koslowski M. A parametric study of fiber volume fraction distribution on the failure initiation location in open hole off-axis tensile specimen / Composites Sci. Technol. 2011. Vol. 71. N 16. P. 1819 – 1825.

38. Sugiyama K., Matsuzaki R., Malakhov A. V., Polilov A. N., Ueda M., Todoroki A., Hirano Y. 3D Printing of Optimized Composites with Variable Fiber Volume Fraction and Stiffness using Continuous Fiber / Composites Sci. Technol. 2020 (online 9 November 2019). Vol. 186. 107905.

39. Akhmedshin E. Kh., Polilov A. N., Tatus’ N. A. Holes manufacturing technology influence on the strength of fibrous composites / IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. 2020. 747.012096. DOI: 10.1088/1757-899X/747/1/012096

40. Полилов А. Н., Татусь Н. А. Проектирование равнопрочных профилированных, разветвленных или расслоенных упругих композитных элементов / Изв. вузов. Машиностроение. 2018. № 5(698). С. 3 – 12. DOI: 10.18698/0536-1044-2018-5-3-12

41. Полилов А. Н., Татусь Н. А., Тян Ш. Анализ эффективности равнопрочных композитных листовых рессор при различных условиях нагружения / Проблемы машиностроения и надежности машин. 2019. № 5. С. 59 – 69.

42. Полилов А. Н., Татусь Н. А., Тян Ш. Профилированные и ветвящиеся аналоги многолистовой треугольной рессоры / Вестник ПНИПУ. Механика. 2018. № 4. С. 211 – 214. DOI: 10.15593/perm.mech/2018.3.01

43. Полилов А. Н., Татусь Н. А., Шабалин В. В. Особенности проектирования упругих элементов в виде профилированных композитных балок / Проблемы машиностроения и надежности машин. 2011. № 6. С. 34 – 41.

44. Polilov A. N., Tatus N. A., Tian X. Some features of tapered composite elements design / Citation. AIP Conf. Proc. 2018. 2053.020010. DOI: 10.1063/1.5084356

45. Полилов А. Н., Татусь Н. А., Плитов И. С. Оценка влияния разориентации волокон на жесткость и прочность профилированных композитных элементов / Проблемы машиностроения и надежности машин. 2013. № 5. С. 58 – 67.

46. Тарнопольский Ю. М., Кинцис Т. Я. Методы статических испытаний армированных пластиков. Изд. 3-е. — М.: Химия, 1981. — 271 с.

47. Портнов Г. Г., Кулаков В. Л., Арнаутов А. К. Особенности испытания высокопрочных однонаправленных композитов при одноноосном растяжении / Пластические массы. 2008. № 4. С. 40 – 45.

48. Смердов А. А., Таирова Л. П. Идентификация характеристик упругости и прочности однонаправленного слоя многослойных углепластиков — особенности реализации при исследовании влияния нанодобавок / Конструкции из композиционных материалов. 2015. № 2(138). С. 52 – 58.

49. Бабушкин А. В., Вильдеман В. Э., Лобанов Д. С. Испытания на растяжение однонаправленного высоконаполненного стеклопластика при нормальных и повышенных температурах / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2010. Т. 76. № 7. С. 57 – 59.

50. Portnov G. G., Kulakov V. L., Arnautov A. K. Grips for the transmission of tensile loads to a FRP strip / Mech. Composite Mater. 2013. Vol. 49. N 5. P. 457.

51. Robinson M. J., Adams T. C. Performance of FRP composite lap joints utilizing fiber tow steering / Composites. Part B. Eng. 2020. Vol. 190. Art. 107910.

52. Shokrieh M. M., Omidi M. J. Tension behavior of unidirectional glass/epoxy composites under different strain rates. Author links open overlay panel / Composite Struct. 2009. Vol. 88. N 4. P. 595 – 601.

53. Zhai Zh., Gröschel C., Drummer D. Tensile behavior of quasi-unidirectional glass fiber/polypropylene composites at room and elevated temperatures / Polymer Testing. 2016. Vol. 54. P. 126 – 133.

54. Daniels H. E. The Statistical Theory of the Strength of Bundles of Threads / I. Proc. R. Soc. A. Math. Phys. Eng. Sci. 1945. N 183(995). P. 405 – 435. DOI: 10.1098/rspa.1945.0011

55. Zweben C., Rosen B. W. A statistical theory of material strength with application to composite materials / J. Mech. Phys. Solids. 1970. Vol. 18. N 3. P. 189 – 206. DOI: 10.1016/ 0022-5096(70)90023-2

56. Ломакина О. Г. Реализация прочности волокон в однонаправленных композитах / Машиноведение. 1975. № 3. С. 52 – 58.

57. Работнов Ю. Н. Механика деформируемого твердого тела. Изд. 2-е. — М.: Наука, 1988. — 712 с.

58. Benjeddou O. Weibull statistical analysis and experimental investigation of size effects on tensile behavior of dry unidirectional carbon fiber sheets / Polymer Testing. 2020. Vol. 86. Art. 106498.

59. Czél G., Jalalvand M., Wisnom M. R. Hybrid specimens eliminating stress concentrations in tensile and compressive testing of unidirectional composites / Composites. Part A. Appl. Sci. Manufact. 2016. Vol. 91. Part 2. P. 436 – 447.

60. Zhavyrkin V. V., Polilov A. N., Arutjunova A. S., Tatus’ N. A. Correct FRP tensile specimen / IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. 2020. 747.012136. DOI: 10.1088/1757-899X/747/1/ 012136