Экспериментальные исследования механизмов формирования остаточных деформаций волокнистых композитов слоистой структуры при циклическом нагружении
В.Н. Паймушин1,2, С.А. Холмогоров1, Р.А. Каюмов3
1 Казанский национальный исследовательский технический университет имени А.Н. Туполева, г. Казань, 420111, Россия
2 Казанский Приволжский федеральный университет, г. Казань, 420008, Россия
3 Казанский государственный архитектурно-строительный университет, г. Казань, 420043, Россия
Аннотация
Проведены экспериментальные исследования на циклическое растяжение образцов из перекрёстно-армированного композита на основе углеленты ЭЛУР-П и связующего холодного отверждения ХТ-118. На основе полученных экспериментальных результатов выявлен и качественно исследован процесс формирования остаточных деформаций. Показано, что для исследуемого композита в осях орторопии существует такой уровень максимальных нормальных напряжений в условиях циклического нагружения, ниже которого происходит стабилизация параметра приращения деформаций на каждом цикле нагружения. Предложена методика определения формирующихся на каждом цикле нагружения остаточных деформаций путём введения в рассмотрение секущих модулей упругости на этапах нагружения и разгрузки и их определения исходя из экспериментальных диаграмм деформирования. Для различных, значительно отличающихся между собой скоростей нагружения получены экспериментальные зависимости значений секущих модулей упругости, формирующихся на этапах нагружения и разгрузки, от номера цикла. Предложена методика, которая позволяет из накопленной в процессе циклического нагружения полной деформации выделить вязкоупругую составляющую, обусловленную ползучестью связующего в условиях сдвига. Установлено, что для волокнистых композитов рассматриваемого класса при циклическом нагружении полная деформация может быть представлена в виде суммы вязкоупругой части, восстанавливающейся со временем, и остаточной деформации, по-видимому, связанной с необратимыми структурными изменениями в композите.
Ключевые слова: углелента, перекрестно-армированный композит, тест-образец, циклическое растяжение, разгрузка, секущий модуль упругости, остаточные деформации, деформация ползучести, приспособляемость, необратимая составляющая деформации, вязкоупругая обратимая часть деформации
Литература
1. Ashcroft I.A., Hughes D.J., Shaw S.J. Adhesive bonding of fibre reinforced polymer composite materials // Assem. Autom. – 2000. – V. 20, No 2. – P. 150–161. – doi: 10.1108/01445150010321797.
2. Bunsell A.R., Renard J. Fundamentals of Fibre Reinforced Composite Materials. – Boca Raton: CRC Press, 2005. – 225 p.
3. Hodzic A., Shanks B. Natural fibre composites : materials, processes and properties. – Philadelphia, PA : Woodhead Pub., 2014. – xvii, 389 p.
4. Pickering K.L., Aruan Efendy M.G., Le T.M. A review of recent developments in natural fibre composites and their mechanical performance // Composites, Part A. – 2016. – V. 83. – P. 98–112. – doi: 10.1016/j.compositesa.2015.08.038.
5. Badriev I.B., Makarov M.V., Paymushin V.N. Mathematical Simulation of Nonlinear Problem of Three-point Composite Sample Bending Test // Procedia Eng. – 2016. – V. 150. – P. 1056–1062. – doi: 10.1016/j.proeng.2016.07.214.
6. Van Paepegem W., Degrieck J. A new coupled approach of residual stiffness and strength for fatigue of fibre-reinforced composites // Int. J. Fatigue. – 2002. – V. 24. – P. 747–762.
7. Van Paepegem W. Fatigue damage modelling of composite materials with the phenomenological residual stiffness approach // Fatigue Life Predict. Compos. Compos. Struct. – 2010. – V. 1. – P. 102–138.
8. Razvan A., Reifsnider K.L. Fiber fracture and strength degradation in unidirectional graphite/epoxy composite materials // Theor. Appl. Fract. Mech. – 1991. – V. 16. – P. 81–89.
9. Reifsnider K.L., Zhanjun Gao. A micromechanics model for composites under fatigue loading // Int. J. Fatigue. – 1992. – V. 13, No 2. – P. 149–156.
10. Keiichiro T., Shiuji N., Kazuro K. Fatigue behavior of CFRP cross-ply laminates under on-axis and off-axis cyclic loading // Int. J. Fatigue. – 2006. – V. 28. – P. 1254–1262.
11. Kawai M. A phenomenological model for off-axis fatigue behavior of unidirectional polymer matrix composites under different stress ratios // Composites, Part A. – 2004. – V. 35. – P. 955–963.
12. Whitworth H.A. A stiffness degradation model for composite laminates under fatigue loading // Compos, Struct. – 1998. – V. 40, No 2. – P. 95–101.
13. Xu J., Lomov S.V., Verpoest I., Daggumati S., Van Paepegem W., Degrieck J. A comparative study of twill weave reinforced composites under tension-tension fatigue loading: Experiments and meso-modelling // Compos. Struct. – 2016. – V. 135. – P. 306–315. – doi: 10.1016/j.compstruct.2015.09.005.
14. Kawai M., Yajima S., Hachinohe A., Takano Y. Off-axis fatigue behavior of unidirectional carbon fiber-reinforced composites at room and high temperatures // J. Compos. Mater. – 2001. – V. 35, No 7. – P. 545–576.
15. Hahn H.T., Tsai S.W. Nonlinear elastic behavior of unidirectional composite laminae // J. Compos. Mater. – 1973. – V. 7, No 1. – P. 102–118.
16. Ditcher, A.K., Webber, J.P.H., Rhodes, F.E. Non-linear stress-strain behaviour of carbon fibre reinforced plastic laminates // J. Strain Anal. Eng. Des. – 1981. – V. 16, No 1. – P. 43–51.
17. Думанский А.М., Таирова Л.П., Горлач И., Алимов М.А. Расчётно-экспериментальное исследование нелинейных свойств углепластика // Проблемы машиностроения и надёжности машин. – 2011. – № 5. – С. 91–97.
18. Herakovich C.T. Schroedter R.D., Gasser A., Guitard A. Damage evolution in [+/ − 45]s laminates with fiber rotation // Compos. Sci. Technol. – 2000. – V. 60. – P. 2781–2789.
19. Паймушин В.Н., Фирсов В.А., Холмогоров С.А. Нелинейное поведение волокнистого композита на основе углеродного волокна в условиях сдвига // Материалы XXII Междунар. симпозиума «Динамические и технологические проблемы механики конструкций и сплошных сред» им. А.Г. Горшкова. – М.: ООО «ТРП», 2016. – С. 143–145.
20. Van Paepegem W., De Baere I., Degrieck J. Modelling the nonlinear shear stress-strain response of glass fiber-reinforced composites. Part I: Experimental results // Compos. Sci. Technol. – 2006. – V. 66. – P. 1455–1464.
21. Паймушин В.Н., Тарлаковский Д.В., Холмогоров С.А. О неклассической форме потери устойчивости и разрушении композитных тест-образцов в условиях трёхточечного изгиба // Учён. зап. Казан. ун-та. Сер. Физ-матем. науки. – 2016. – Т. 158, кн. 3. – С. 350–375.
22. Paimushin V.N., Kholmogorov S.A., Badriev I.B. Theoretical and experimental investigations of the formation mechanisms of residual deformations of fibrous layered structure composites // MATEC Web of Conf. – 2017. – V. 129. – Art. 02042, P. 1–5. – doi: 10.1051/matecconf/201712902042.
23. Васильев В.В., Дудченко А.А., Елпатьевский А.Н. Об особенностях деформирования ортотропного стеклопластика при растяжении // Механика полимеров. – 1970. – № 1. – С. 144–146.
24. Образцов И.Ф., Васильев В.В., Бунаков В.А. Оптимальное армирование оболочек вращения из композиционных материалов. – М.: Машиностроение, 1977. – 144 с.
25. Алфутов Н.А., Зиновьев П.А., Попов Б.Г. Расчет многослойных пластин и оболочек из композиционных материалов. – М.: Машиностроение, 1984. – 264 с.
Поступила в редакцию
12.09.17
Паймушин Виталий Николаевич, доктор физико-математических наук, профессор кафедры прочности конструкций; главный научный сотрудник
Казанский национальный исследовательский технический университет имени А.Н. Туполева
ул. К. Маркса, д. 10, г. Казань, 420111, Россия
Казанский (Приволжский) федеральный университет
ул. Кремлевская, д. 18, г. Казань, 420008, Россия
E-mail: vpajmushin@mail.ru
Холмогоров Сергей Андреевич, кандидат физико-математических наук, научный сотрудник
Казанский национальный исследовательский технический университет имени А.Н. Туполева
ул. К. Маркса, д. 10, г. Казань, 420111, Россия
E-mail: hkazan@yandex.ru
Каюмов Рашит Абдулхакович, доктор физико-математических наук, профессор кафедры механики
Казанский государственный архитектурно-строительный университет
ул. Зеленая, д. 1, г. Казань, 420043, Россия
E-mail: kayumov@rambler.ru
Для цитирования: Паймушин В.Н., Холмогоров С.А., Каюмов Р.А. Экспериментальные исследования механизмов формирования остаточных деформаций волокнистых композитов слоистой структуры при циклическом нагружении // Учен. зап. Казан. ун-та. Сер. Физ.-матем. науки. – 2017. – Т. 159, кн. 4. – С. 473–492.
For citation: Paimushin V.N., Kholmogorov S.A., Kaymov R.A. Experimental investigation of residual strain formation mechanisms in composite laminates under cycling loading. Uchenye Zapiski Kazanskogo Universiteta. Seriya Fiziko-Matematicheskie Nauki, 2017, vol. 159, no. 4, pp. 473–492. (In Russian)
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.
