Экспериментально-численное определение размеров дефектов типа расслоения в слоистых композитных материалах

Изложен метод оценки зоны локализации и геометрических параметров дефекта типа расслоения в слоистых композитных материалах (КМ) на основе математической обработки результатов измерений деформаций, полученных с помощью сетки волоконно-оптических датчиков в процессе эксперимента. Представлены результаты методических разработок, связанных с определением оптимальной топологии сетки датчиков для обеспечения детектирования дефектов заданных размеров с необходимой точностью и определения их параметров. Описаны методики моделирования дефекта и расчетного анализа НДС в его зоне, основанные на алгоритме моделирования задач анализа напряженно-деформированного состояния в зоне дефекта с использованием двухмерных конечных элементов (вместо трехмерных), обеспечивающие возможность использования моделей меньшей размерности при сохранении всех особенностей напряженно-деформированного состояния. Представлены результаты определения параметров дефекта по данным измерений деформаций на основе методики решения обратных задач, основанной на решении задачи минимизации расхождения между вектором деформационных откликов и вектором искомых параметров. Методика реализована в виде вычислительного комплекса (ВК), состоящего из ряда макросов для ПК ANSYS и программ с графическим интерфейсом для ПК MATLAB. Приведены результаты циклических испытаний образца из многослойного КМ с дефектом типа расслоения. Оценку приращения размеров дефекта в процессе нагружения выполняли путем математической обработки данных, зарегистрированных волоконно-оптическими датчиками деформаций, наклеенными на одной из поверхностей образца, на основе решения обратной задачи. Сопоставление результатов расчетов геометрических параметров дефектов с данными измерений, полученными методом ультразвуковой дефектоскопии, показало их хорошее соответствие.

компьютерное моделирование, композитный материал, дефект, расслоение, определение геометрических параметров

1. Чернышев С. Л. Новый этап применения композиционных материалов в авиастроении / Проблемы машиностроения и автоматизации. 2013. № 1. С. 3 – 10.

2. Каблов Е. Н., Сиваков Д. В., Гуляев И. Н., Сорокин К. В., Федотов М. Ю., Дианов Е. М., Васильев С. А., Медведков О. И. Применение оптического волокна в качестве датчиков деформации в полимерных композиционных материалах / Все материалы. Энциклопедический справочник. 2010. № 3. С 10 – 15.

3. Davis C., Tejedor S., Grabovac I., Kopczyk J. and Ravis T. High-Strain Fiber Bragg Gratings for Structural Fatigue Testing of Military Aircraft / Photonic Sensors. 2012. Vol. 2. N 3. P. 215 – 224.

4. Di Sante R. Fibre Optic Sensors for Structural Health Monitoring of Aircraft Composite Structures: Recent Advances and Applications / Sensors. 2015. N 15. P. 18666 – 18713.

5. Полилов А. Н. Экспериментальная механика композитов. — М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2015. — 375 с.

6. Черепанов Г. П. Механика разрушения композиционных материалов. — М.: Наука, 1983. — 296 с.

7. Справочник по композиционным материалам. В 2-х кн. / Под ред. Дж. Любина, Б. Э. Геллера. — М.: Машиностроение, 1988. — 896 с.

8. Матвиенко Ю. Г. Тенденции нелинейной механики разрушения в проблемах машиностроения. — М. – Ижевск: Институт компьютерных исследований, 2015. — 56 с.

9. Урнев А. С., Чернятин А. С., Матвиенко Ю. Г., Разумовский И. А. Моделирование трещиноподобных дефектов в слоистой композитной конструкции / Машиностроение и инженерное образование. 2017. № 3(52). С. 64 – 72.

10. Чернятин А. С., Разумовский И. А. Комплексный анализ элементов конструкций с поверхностными трещинами / Машиностроение и инженерное образование. 2011. № 1. С. 66 – 76.

11. Chernyatin A. S., Razumovskii I. A. Methodology and software package for assessment of stress-strain state parameters of full-scale structures and its application to a study of loading level, defect rate, and residual stress level in elements of NPP equipment / Strength of materials. 2013. Vol. 45. Issue 4. P. 506 – 511.

12. Разумовский И. А., Чернятин А. С., Фомин А. В. Экспериментально-расчетные методы определения напряженно-деформированного состояния элементов конструкций / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2013. Т. 79. № 10. С. 57 – 65.