Влияние отверстий на снижение прочности композитных образцов с различной укладкой волокон

Способы крепления элементов конструкций, выполненных из волокнистых композитов, к другим элементам конструкций практически не отличаются от применяемых для металлов. При наиболее распространенном болтовом креплении в элементе высверливают отверстие, т.е. удаляют часть материала элемента, вследствие чего около отверстия возникает концентрация напряжений. Поэтому при проектировании и расчете болтовых соединений металлических элементов ответственных конструкций возникают определенные сложности. Ясно, что применение композитов связано с большими проблемами. В этом случае одновременно изготавливают и элемент конструкции, и материал именно для этого элемента. Последующая механическая обработка крайне нежелательна, поскольку нарушает целостность элемента и, следовательно, несущую способность всей конструкции. На 90 % эффективность применения композитов зависит от технологии изготовления материала-элемента. Цель данной работы — экспериментально-теоретическое исследование влияния отверстий, изготовленных по различным технологиям, на снижение прочности стеклопластиковых образцов с различными схемами укладки волокон. Проведено сравнение коэффициента концентрации напряжений с коэффициентами снижения прочности для отверстий, изготовленных сверлением и раздвижением волокон без их разрушения. Представлены результаты испытаний на растяжение специально изготовленных композитных образцов с центральными отверстиями и разными структурами армирования: [0], [0/90], [0/±45/90]. Рассчитанные по результатам эксперимента коэффициенты снижения прочности оказались значительно ниже коэффициентов концентрации напряжений. Рассмотрены причины данного эффекта, а также дана оценка характерного радиуса кривизны после «затупления» отверстия в композитном образце. Полученные результаты исследования позволили сделать выводы об эффективности технологии получения отверстий в композитных образцах без разрушения волокон, а также о влиянии числа семейств волокон на коэффициент снижения прочности около отверстий.

1. Timoshenko S. P. History of the strength of materials. — McGraw-Hill, 1953. — 452 p.

2. Kolosov G. V. On one application of the complex variable theory to a flat problem of the elastic theory. Doctoral thesis. — Yur’ev, 1909. — 207 p. [in Russian].

3. Inglis C. E. Stresses in a plate due to the presence of cracks and sharp corners / SPIE Milestone Series. 1913. Vol. 137. P. 3 – 17.

4. Neuber H. Kerbspannungslehre. Theorie der spannungskonzentration genaue berechnung der festigkeit. — Berlin, Heidelberg: Springer, 2001. — 326 p. DOI:10.1007/978-3-642-56793-3

5. Polilov A. N. Mechanisms of stress concentration reduction in fiber composites / J. Appl. Mech. Tech. Phys. 2014. Vol. 55. N 1. P. 154 – 163.

6. Polilov A. N., Tatus’ N. A. Strength biomechanics of fibrous composites. — Moscow: Fizmatlit, 2018. — 328 p. [in Russian].

7. Malakhov A. V., Polilov A. N. Design algorithm of rational fiber trajectories in arbitrarily loaded composite plate / Journal of Machinery Manufacture and Reliability. 2017. Vol. 46. N 5. P. 479 – 487. DOI:10.3103/S1052618817050090

8. Khaja A., Rowlands R. Stresses associated with multiple holes whose individual stresses interact / J. Strain Anal. Eng. Design. 2017. N 52(3). P. 162 – 176. DOI:10.1177/0309324717690282

9. 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: Engineering. 2017. Vol. 111. P. 91 – 102. DOI:10.1016/j.compositesb.2016.11.051

10. Malakhov A. V., Polilov A. N. Design of composite structures reinforced curvilinear fibres using FEM / Composites Part A. Appl. Sci. Manufact. 2016. Vol. 87. P. 23 – 28. DOI:10.1016/j.compositesa.2016.04.005

11. Mori Y., Matsuzaki R., Kumekawa N. Variable thickness design for composite materials using curvilinear fiber paths / Composite Struct. 2021. Vol. 263. 113723. DOI:10.1016/j.compstruct.2021.113723

12. Pan Z. Z., Zhang L. W., Liew K. M. Adaptive surrogate-based harmony search algorithm for design optimization of variable stiffness composite materials / Computer Meth. Appl. Mech. Eng. 2021. Vol. 379. 113754. DOI:10.1016/j.cma.2021.113754

13. Balla V. M., Kate K. H., Satyavolu J., Singh P., Ganesh J., Tadimeti D. Additive manufacturing of natural fiber reinforced polymer composites: Processing and prospects / Composites Part B: Engineering. 2019. Vol. 174. 106956. DOI:10.1016/j.compositesb.2019.106956

14. Brooks H., Molony S. Design and manufactured parts with three dimensional continuous fibre reinforcement / Mater. Design. 2016. Vol. 90. P. 276 – 283. DOI:10.1016/J.MATDES.2015.10.123

15. Scott M., Dell’Anno G., Clegg H. Effect of process parameters on the geometry of composite parts reinforced by through-the-thickness tufting / Appl. Compos. Mater. 2018. N 25. P. 785 – 796. DOI:10.1007/s10443-018-9710-4

16. 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. DOI:10.1016/J.ADDMA.2017.06.004

17. Roth S., Pracisnore F., Countandin S., Fleischer J. A new approach for modelling the fibre path in bolted joints of continuous fibre reinforced composites / Composite Struct. 2020. Vol. 243. 112184. DOI:10.1016/j.compstruct.2020.112184

18. Almeida J. H. S., 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. 107889. DOI:10.1016/j.compscitech.2019.107889

19. Hou Z., Tian X., Zhang J., Li D. 3D printed continuous fibre reinforced composite corrugated structure / Composite Struct. 2018. Vol. 184. P. 1005 – 1010. DOI:10.1016/j.compstruct.2017.10.080

20. Xu J. Y., Lin T. Y., Chen M., Davim J. P. Machining responses of high-strength carbon/epoxy composites using diamond-coated brad spur drills / Mater. Manufact. Proc. 2021. Vol. 36. N 6. P. 722 – 729. DOI:10.1080/10426914.2020.1854475

21. Lin M. J., Tsai K. H., Hwan C. L. Strength prediction for composite plates with an inclined elliptical hole / Mech. Compos. Mater. 2020. N 56. P. 619 – 628. DOI:10.1007/s11029-020-09908-z

22. Komkov M. A., Bolotin Yu. Z., Vasil’eva T. V. Determination of holes forming parameters in uncured woven composite by puncturing with sharpened indenter / Inz. Zh. Nauka Innov. 2017. N 9(69). P. 11. DOI:10.18698/2308-6033-2017-9-1678

23. 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. Vol. 747. 012096. DOI:10.1088/1757-899X/747/1/012096

24. Mileiko S. T., Suleimanov F. K. Model of a macrocrack in a composite / Mech. Compos. Mater. 1981. N 17. P. 276 – 280. DOI:10.1007/BF00605067