Уточненный критерий расслоения при изгибе композитной балки

В полимерных волокнистых композитах межслойная прочность определяется главным образом прочностью матрицы, которая значительно ниже прочности волокон. По этой причине анализ разрушения расслоением чрезвычайно важен для оценки работоспособности композитных элементов конструкций. При проектировании ответственных конструкций необходимо знать значение предела прочности на межслойный сдвиг, поэтому стандартизован метод изгиба короткой балки. В теории изгиба традиционно предполагается независимость касательных напряжений и межслойной сдвиговой прочности от длины и ширины балки. Однако в большинстве экспериментальных работ подтверждается обратное — геометрия образца влияет на значение критических напряжений. Авторами предложен линейный критерий разрушения, позволяющий объяснить и количественно описать зависимость межслойной сдвиговой прочности от геометрии образца. Исследовано влияние неоднородности межслойных касательных напряжений по ширине балки на критические напряжения. На основании строгого решения задачи изгиба показано, что учет уточненного распределения касательных напряжений дает незначительную поправку к определяемому значению межслойной прочности, что позволяет использовать при расчетах простейшее параболическое распределение по высоте. Результаты анализа подтверждаются испытаниями на трехточечный изгиб коротких композитных балок различной ширины. Представлен анализ результатов усталостных испытаний коротких балок из углепластика. С помощью предложенного линейного критерия разрушения установлена связь кривых усталости полимерных волокнистых композитов при растяжении с кривыми усталости, полученными при циклическом трехточечном изгибе коротких балок. Даны оценки масштабного эффекта прочности на основе энергетического критерия расслоения с учетом и без учета уточненного распределения межслойных касательных напряжений.

1. Bazli M., Heitzmann M., Villacorta Hernandez B. Durability of fibre-reinforced polymer-wood composite members: An overview / Composite Structures. 2022. 295. DOI: 10.1016/j.compstruct.2022.115827

2. Skoczylas J., Samborski S., Kłonica M. A multilateral study on the FRP composite’s matrix strength and damage growth resistance / Composite Structures. 2021. 263. DOI: 10.1016/j.compstruct.2021.113752

3. Hodgkinson J. M. Mechanical Testing of Advanced Fibre Composites. — Woodhead Publishing, 2010. — 378 p.

4. Kelly A., Zweben C. H. Comprehensive composite materials. — New York: Elsevier Science, 2000. — 810 p.

5. Полилов А. Н. Экспериментальная механика композитов. Учебное пособие для технических университетов. — Изд. 2-е. — М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2018. — 375 с.

6. Sieberer S., Savandaiah C., Leßlhumer J., Schagerl M. Shear property measurement of additively manufactured continuous fibre reinforced plastics by in-plane torsion testing / Additive Manufacturing. 2022. 55. DOI: 10.1016/j.addma.2022.102805

7. Peng Z., Wang X., Ding L., Wu Z. Integrative tensile prediction and parametric analysis of unidirectional carbon/basalt hybrid fiber reinforced polymer composites by bundle-based modeling / Materials and Design. 2022. 218. DOI: 10.1016/j.matdes.2022.110697

8. Gao D., Zhang Y., Wen F., et al. Transverse shear properties of fiber reinforced polymer bars with different reinforced phases / Journal of Composite Materials. 2022. 55(27). P. 4063 – 4078. DOI: 10.1177/00219983211031630

9. Фирсанов В. В. Изгиб композитной балки с учетом сдвиговой деформации / Известия тульского государственного университета. Технические науки. 2018. № 4. С. 168 – 174.

10. Дударьков Ю. И., Лимонин М. В. Определение напряжений поперечного сдвига в слоистом композите / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2020. Т. 86. № 2. С. 44 – 53. DOI: 10.26896/1028-6861-2020-86-2-44-53

11. Huang S., Yan L., Bachtiar E. V., et al. Bond behaviour between flax-glass hybrid fibre reinforced epoxy composite and laminated veneer lumber joints / Journal of Building Engineering. 2022. 50. DOI: 10.1016/j.jobe.2022.104207

12. Ascione F., Napoli A., Realfonzo R. Interface bond between FRP systems and substrate: Analytical modeling / Composite Structures. 2021. 257. DOI: 10.1016/j.compstruct.2020.112942

13. Cagnacci E., Orlando M., Salvatori L., Spinelli P. Four-point bending tests on laminated glass beams reinforced with FRP bars adhesively bonded to the glass / Glass Structures and Engineering. 2022. 6(2). P. 211 – 232. DOI: 10.1007/s40940-021-00147-9

14. Лобанов Д. С., Паньков А. М. Влияние повышенных температур на усталостную долговечность конструкционного стеклопластика при испытаниях на межслоевой сдвиг / Аэрокосмическая техника, высокие технологии и инновации. 2020. Т. 2. С. 62 – 65.

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

16. Полилов А. Н., Хохлов В. К. Расчетный критерий прочности композитных балок при изгибе / Машиноведение. 1979. № 2. С. 53 – 57.

17. Самсонов В. А., Шляховой В. С. Расчет на прочность коротких балок при их поперечном изгибе / Перспективы научно-технологического развития агропромышленного комплекса России. 2019. С. 410 – 413.

18. Жигун В. И., Плуме Э. З., Муйжниекс К. И., Краснов Л. Л. Универсальные методы определения модулей сдвига композиционных материалов / Механика композиционных материалов и конструкций. 2020. Т. 26. № 3. С. 313 – 326. DOI: 10.33113/mkmk.ras.2020.26.03.313_326.02

19. Полилов А. Н., Власов Д. Д., Татусь Н. А. Уточненный метод оценки модуля межслойного сдвига по поправке к прогибу образцов из полимерных композитов / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2023. Т. 89. № 3. С. 57 – 69. DOI: 10.26896/1028-6861-2023-89-3-57-69

20. Лехницкий С. Г. Теория упругости анизотропного тела. — М.: Наука, 1977. — 416 с.

21. Работнов Ю. Н., Когаев В. П., Полилов А. Н., Стрекалов В. Б. Критерий межслойной прочности углепластиков при циклических нагрузках / Механика композитных материалов. 1982. № 6. С. 983 – 986.