Определение формообразующего поведения термопластичных композиционных материалов для моделирования термоформования

Формообразование композиционных консолидированных пластин в изделия – процесс комплексный. Для получения бездефектных изделий необходимо учитывать, что армированные тканями термопласты практически не растягиваются, а их формообразующее поведение определяется механизмами сдвиговых деформаций внутри слоя и между слоями, процессами скольжения композита по поверхности оснастки и изгибной жесткостью консолидированных пластин. В связи со сложным поведением материала при деформировании оптимизировать процесс термоформования методом проб и ошибок достаточно дорого, поэтому рационально его заменить предварительным моделированием. Присутствующие на рынке программные пакеты, специализирующиеся на моделировании процесса термоформования, для создания корректной модели материала требуют введения таких входных параметров, как драпируемость консолидированной пластины, т.е. способность композита, армированного тканями, принимать пространственную форму, ее изгибная жесткость, коэффициент трения между слоями и оснасткой. Однако до настоящего времени стандарты на их измерение отсутствуют, что значительно сдерживает процесс моделирования термоформования изделий из консолидированных пластин на основе термопластичных связующих. В работе приведены данные экспериментального определения некоторых физико-механических свойств углепластика на основе полипропилена PP01030. Эксперименты включали испытания на растяжение-смещение образца, тесты подвижной рамкой, позволяющие оценить сдвиговое поведение термопластичных композиционных материалов, а также испытания по определению межслоевого трения и трения композита с оснасткой. Испытания проводили при температуре плавления матрицы с использованием специализированных оснасток, изготовленных с учетом опыта физико-механических испытаний термопластичных композиционных материалов зарубежных исследователей. Предложена методика определения изгибной жесткости термопластичных углепластиков. Представленные оснастки не требуют прикладывания сложного усилия, их работа осуществляется путем использования стандартных зажимов на растяжение испытательной машины. Данные, полученные в процессе испытаний, могут быть использованы при виртуальном моделировании термоформования консолидированных композиционных пластин.

1. Bhattacharyya D., Bowis M., Jayaraman K. Thermoforming woodfibre-polypropylene composite sheets / Composites science and technology. 2003. Vol. 63. N 3 – 4. P. 353 – 365. DOI: 10.1016/S0266-3538(02)00214-2

2. Dörr D., Gergely R., Ivanov S., et al. On the applicability of thermoforming characterization and simulation approaches to glass mat thermoplastic composites / Procedia Manufacturing. 2020. Vol. 47. P. 118 – 125. DOI: 10.1016/j.promfg.2020.04.148

3. Schlothauer A., Schwob N., Pappas G. A., Ermanni P. Thin-Ply Thermoplastic Composites for Foldable Structures / Book Thin-Ply Thermoplastic Composites for Foldable Structures / Editor. 2020. DOI: 10.2514/6.2020-0206

4. Xiong H., Hamila N., Boisse P. Consolidation modeling during thermoforming of thermoplastic composite prepregs / Materials. 2019. Vol. 12. N 18. P. 2853. DOI: 10.3390/ma12182853

5. Scherer R., Friedrich K. Inter-and intraply-slip flow processes during thermoforming of CF/PP-laminates / Composites Manufacturing. 1991. Vol. 2. N 2. P. 92 – 96. DOI: 10.1016/0956-7143(91)90185-J

6. Sadighi M., Rabizadeh E., Kermansaravi F. Effects of laminate sequencing on thermoforming of thermoplastic matrix composites / Journal of Materials Processing Technology. 2008. Vol. 201. N 1 – 3. P. 725 – 730. DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2007.11.239

7. Wang P., Hamila N., Boisse P. Thermoforming simulation of multilayer composites with continuous fibres and thermoplastic matrix / Composites Part B: Engineering. 2013. Vol. 52. P. 127 – 136. DOI: 10.1016/j.compositesb.2013.03.045

8. Akkerman R., Haanappel S. Thermoplastic composites manufacturing by thermoforming / Advances in Composites Manufacturing and Process. — Design Elsevier, 2015. P. 111 – 129. DOI: 10.1016/B978-1-78242-307-2.00006-3

9. Friedrich K., Hou M. On stamp forming of curved and flexible geometry components from continuous glass fiber/polypropylene composites / Composites Part A: Applied Science and Manufacturing. 1998. Vol. 29. N 3. P. 217 – 226. DOI: 10.1016/S1359-835X(97)00087-0

10. Ropers S. Bending behavior of thermoplastic composite sheets. — Springer, 2017. DOI: 10.1007/978-3-658-17594-8

11. Cartwright B., De Luca P., Wang J., et al. Some proposed experimental tests for use in finite element simulation of composite forming / Proceedings of the 12th International Conference on Composite Materials (ICCM-12), Paris, France. 1999. P. 5 – 9.

12. Machado M., Murenu L., Fischlschweiger M., Major Z. Analysis of the thermomechanical shear behaviour of woven-reinforced thermoplastic-matrix composites during forming / Composites Part A: Applied Science and Manufacturing. 2016. Vol. 86. P. 39 – 48. DOI: 10.1016/j.compositesa.2016.03.032

13. Mostovoy G. E., Karpov A. P. Features of Mechanical Testing of Carbon and Carbon-Carbon Composite Materials at a Temperature up to 3000 °C / Zavod. Lab. Diagn. Mater. 2017. Vol. 83. N 5. P. 56 – 61.

14. Potter K. Bias extension measurements on cross-plied unidirectional prepreg / Composites Part A: Applied Science and Manufacturing. 2002. Vol. 33. N 1. P. 63 – 73. DOI: 10.1016/S1359-835X(01)00057-4

15. Alsayednoor J., Lennard F., Yu W., Harrison P. Influence of specimen pre-shear and wrinkling on the accuracy of uniaxial bias extension test results / Composites Part A: Applied Science and Manufacturing. 2017. Vol. 101. P. 81 – 97. DOI: 10.1016/j.compositesa.2017.06.006

16. Polilov A. N., Arutyunova A. S., Tatus’ N. A. Effect of stress concentration near grips on the tensile strength of composites / Zavod. Lab. Diagn. Mater. 2020. Vol. 86. N 11. P. 48 – 59. DOI: 10.26896/1028-6861-2020-86-11-48-59

17. Guzman-Maldonado E., Hamila N., Boisse P., Bikard J. Thermomechanical analysis, modelling and simulation of the forming of pre-impregnated thermoplastics composites / Composites Part A: Applied Science and Manufacturing. 2015. Vol. 78. P. 211 – 222. DOI: 10.1016/j.compositesa.2015.08.017

18. Harrison P., Alvarez M. F., Anderson D. Towards comprehensive characterisation and modelling of the forming and wrinkling mechanics of engineering fabrics / International Journal of Solids and Structures. 2018. Vol. 154. P. 2 – 18. DOI: 10.1016/j.ijsolstr.2016.11.008

19. Harrison P., Taylor E., Alsayednoor J. Improving the accuracy of the uniaxial bias extension test on engineering fabrics using a simple wrinkle mitigation technique / Composites Part A: Applied Science and Manufacturing. 2018. Vol. 108. P. 53 – 61. DOI: 10.1016/j.compositesa.2018.02.025

20. Haghi Kashani M., Hosseini A., Sassani F., et al. The role of intra-yarn shear in integrated multi-scale deformation analyses of woven fabrics: a critical review / Critical Reviews in Solid State and Materials Sciences. 2018. Vol. 43. N 3. P. 213 – 232. DOI: 10.1080/10408436.2017.1342597

21. Hosseini A., Kashani M. H., Sassani F., et al. Identifying the distinct shear wrinkling behavior of woven composite preforms under bias extension and picture frame tests / Composite Structures. 2018. Vol. 185. P. 764 – 773. DOI: 10.1016/j.compstruct.2017.11.033

22. Lebrun G., Bureau M. N., Denault J. Thermoforming-Stamping of Continuous Glass Fiber/Polypropylene Composites: Interlaminar and Tool-Laminate Shear Properties / Journal of Thermoplastic Composite Materials. 2016. Vol. 17. N 2. P. 137 – 165. DOI: 10.1177/0892705704035411

23. Selezneva M., Naouar N., Denis Y., Gorbatikh L., et al. Identification and validation of a hyperelastic model for self-reinforced polypropylene draping / International Journal of Material Forming. 2020. P. 1 – 11. DOI: 10.1007/s12289-020-01542-3

24. Cao J., Akkerman R., Boisse P., et al. Characterization of mechanical behavior of woven fabrics: Experimental methods and benchmark results / Composites Part A: Applied Science and Manufacturing. 2008. Vol. 39. N 6. P. 1037 – 1053. DOI: 10.1016/j.compositesa.2008.02.016

25. Wang P., Hamila N., Pineau P., Boisse P. Thermomechanical analysis of thermoplastic composite prepregs using bias-extension test / Journal of Thermoplastic Composite Materials. 2012. Vol. 27. N 5. P. 679 – 698. DOI: 10.1177/0892705712454289

26. Mattner T., Körbel W., Wrensch M., Drummer D. Compensation of edge effects in picture frame testing of continuous fiber reinforced thermoplastics / Composites Part B: Engineering. 2018. Vol. 142. P. 95 – 101. DOI: 10.1016/j.compositesb.2018.01.009

27. Lomov S. V., Willems A., Verpoest I., et al. Picture frame test of woven composite reinforcements with a full-field strain registration / Textile Research Journal. 2006. Vol. 76. N 3. P. 243 – 252. DOI: 10.1177/0040517506061032

28. Willems A., Lomov S. V., Verpoest I., Vandepitte D. Optical strain fields in shear and tensile testing of textile reinforcements / Composites Science and Technology. 2008. Vol. 68. N 3 – 4. P. 807 – 819. DOI: 10.1016/j.compscitech.2007.08.018

29. Mattner T., Wrensch M., Drummer D. Shear behavior of woven and non-crimp fabric based thermoplastic composites at near-processing conditions / Composites Part B: Engineering. 2020. Vol. 185. P. 107761. DOI: 10.1016/j.compositesb.2020.107761

30. Sachs U., Akkerman R., Fetfatsidis K., et al. Characterization of the dynamic friction of woven fabrics: experimental methods and benchmark results / Composites Part A: Applied Science and Manufacturing. 2014. Vol. 67. P. 289 – 298. DOI: 10.1016/j.compositesa.2014.08.026

31. Zouari B., Daniel J.-L., Boisse P. A woven reinforcement forming simulation method. Influence of the shear stiffness / Computers & structures. 2006. Vol. 84. N 5 – 6. P. 351 – 363. DOI: 10.1016/j.compstruc.2005.09.031