Экспериментальные исследования механизмов разрушения трехслойных тест-образцов с несущими слоями из однонаправленного волокнистого композита 0? при осевом сжатии

С.А. Холмогоров, Н.В. Левшонкова

Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева – КАИ, г. Казань, 420111, Россия

Казанский (Приволжский) федеральный университет, г. Казань, 420008, Россия

ОРИГИНАЛЬНАЯ СТАТЬЯ

Полный текст PDF

DOI: 10.26907/2541-7746.2022.4.357-370

Для цитирования: Холмогоров С.А., Левшонкова Н.В. Экспериментальные исследования механизмов разрушения трехслойных тест-образцов с несущими слоями из однонаправленного волокнистого композита [0°] при осевом сжатии // Учен. зап. Казан. ун-та. Сер. Физ.-матем. науки. – 2022. – Т. 164, кн. 4. – С. 357–370. – doi: 10.26907/2541-7746.2022.4.357-370.

For citation: Kholmogorov S.A., Levshonkova N.V. Experimental research of the failure mechanisms of sandwich specimens with facing layers from unidirectional fiber-reinforced plastic with [0°] lay-up under axial compression. Uchenye Zapiski Kazanskogo Universiteta. Seriya Fiziko-Matematicheskie Nauki, 2022, vol. 164, no. 4, pp. 357–370. doi: 10.26907/2541-7746.2022.4.357-370. (In Russian)

Аннотация

Предложена экспериментальная методика испытаний на сжатие трехслойных тест-образцов с тонкими несущими слоями, изготовленными из волокнистого композита. Данный способ ориентирован на испытания тонких слоев композиционного материала, тест-образцы из которых даже при весьма короткой рабочей части теряют устойчивость по изгибной форме, тем самым искажая определяемую величину разрушающих напряжений. Проведены экспериментальные исследования механизмов разрушения трехслойных тест-образцов с несущими слоями [0°] из однонаправленного волокнистого композита под действием осевого сжатия. Выявлена возможность реализации сдвиговой формы потери устойчивости для тест-образцов с различными геометрическими параметрами, что позволяет определяемые предельные напряжения, формирующиеся в несущих слоях, принять в качестве механической характеристики при расчете на прочность конструкций из композиционных материалов. Показано, что для тест-образцов с сотовым заполнителем в несущих слоях при сжатии реализуется синфазная изгибная форма потери устойчивости. Реализация неклассической сдвиговой формы потери устойчивости возможна только для тест-образцов с жестким заполнителем, в качестве которого была использована древесина породы бальса.

Ключевые слова: волокнистый композит, трехслойный тест-образец, трансверсально-мягкий заполнитель, осевое сжатие, сдвиговая форма потери устойчивости

Благодарности. Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда (проект № 19-79-10018, изготовление образцов и проведение экспериментов) и за счет средств Программы стратегического академического лидерства Казанского (Приволжского) федерального университета (ПРИОРИТЕТ-2030, аналитическое решение).

Литература

1. Petras A., Sutcliffe M.P.F. Failure mode maps for honeycomb sandwich panels // Compos. Struct. – 1999. – V. 44, No 4. – P. 237–252. – doi: 10.1016/S0263-8223(98)00123-8.
2. Rupp P., Elsner P., Weidenmann Kay A. Failure mode maps for four-point-bending of hybrid sandwich structures with carbon fiber reinforced plastic face sheets and aluminum foam cores manufactured by a polyurethane spraying process // J. Sandwich Struct. Mater. – 2019. – V. 21, No 8. – P. 2654–2679. – doi: 10.1177/1099636217722.
3. Shi H., Liu W., Fang H. Damage characteristics analysis of GFRP-Balsa sandwich beams under four-point fatigue bending // Composites, Part A. – 2018. – V. 109. – P. 564–577. – doi: 10.1016/j.compositesa.2018.04.005.
4. Sokolinsky V.S., Shen H., Vaikhanski L., Nutt S.R. Experimental and analytical study of nonlinear bending response of sandwich beams // Compos. Struct. – 2003. – V. 60, No 2. – P. 219–229. – doi: 10.1016/S0263-8223(02)00293-3.
5. Jiang B., Li Zh., Lu F. Failure mechanisms of sandwich beams subjected to three-point bending // Compos. Struct. – 2015. – V. 133. – P. 739–745. – doi: 10.1016/j.compstruct.2015.07.056.
6. Fathi A., Woff-Fabris F., Altst¨adt V., G¨atzi R. An investigation of the flexural properties of balsa and polymer foam core sandwich structures: Influence of core type and contour finishing options // J. Sandwich Struct. Mater. – 2013. – V. 15, No 5. – P. 487–508. – doi: 10.1177/1099636213487004.
7. Alila F., Fajoui J., Gerard R., Casari P., Kchaou M., Jacquemin F. Viscoelastic behaviour investigation and new developed laboratory slamming test on foam core sandwich // J. Sandwich Struct. Mater. – 2020. – V. 22, No 6. – P. 2049–2074. – doi: 10.1177/1099636218792729.
8. Piov´ar S., Korman´ikova´ E. Sandwich beam in four-point bending test: Experiment and numerical models // Adv. Mater. Res. – 2014. – V. 969. – P. 316–319. – doi: 10.4028/www.scientific.net/AMR.969.316.
9. Russo A., Zuccarello B. Experimental and numerical evaluation of the mechanical behaviour of GFRP sandwich panels // Compos. Struct. – 2007. – V. 81, No 4. – P. 575– 586. – doi: 10.1016/j.compstruct.2006.10.007.
10. Crupi V., Epasto G., Guglielmino E. Comparison of aluminium sandwiches for lightweight ship structures: Honeycomb vs. foam // Mar. Struct. – 2013. – V. 30. – P. 74–96. – doi: 10.1016/j.marstruc.2012.11.002.
11. Paimushin V.N., Makarov M.V., Badriev I.B., Kholmogorov S.A. Geometrically nonlinear strain and buckling analysis of sandwich plates and shells reinforced on their edge // Shell Structures: Theory and Applications. – London: CRC Press, 2017. – V. 4. – P. 267–270. – doi: 10.1201/9781315166605-59.
12. Badriev I.B., Makarov M.V., Paimushin V.N. Solvability of physically and geomentrically nonlinear problem of the theory of sandwich plates with transversally-soft core // Russ. Math. – 2015. – V. 59, No 10. – P. 57–60. – doi: 10.3103/S1066369X15100072.
13. Budiansky B., Fleck N.A. Compressive failure of fibre composites // J. Mech. Phys. Solids. – 1993. – V. 41, No 1. – P. 183–211. – doi: 10.1016/0022-5096(93)90068-Q.
14. Jumahat A., Soutis C., Jones F.R., Hodzic A. Fracture mechanisms and failure analysis of carbon fibre/toughened epoxy composites subjected to compressive loading // Compos. Struct. – 2010. – V. 92, No 2. – P. 295–305. – doi: 10.1016/j.compstruct.2009.08.010.
15. Паймушин В.Н., Тарлаковский Д.В., Холмогоров С.А. О неклассической форме потери устойчивости и разрушении композитных тест-образцов в условиях трёхточечного изгиба // Учен. зап. Казан. ун-та. Сер. Физ.-матем. науки. – 2016. – Т. 158, кн 3. – C. 350–375.
16. Paimushin V.N., Kholmogorov S.A., Makarov M.V., Tarlakovskii D.V., Lukaszewicz A. Mechanics of fiber composites: Forms of loss of stability and fracture of test specimens resulting from three-point bending tests // Z. Angew. Math. Mech. – 2018. – V. 99, No 1. – Art. e201800063, P. 1–25. – doi: 10.1002/zamm.201800063.
17. Paimushin V.N., Gazizullin R.K., Polyakova N.V., Shishov M.A. Sandwich shells with composite facings and transversally flexible core: Refined equations and buckling modes of specimens under four-point bending tests // Altenbach H., Eremeyev V.A., Igumnov L.A. (Eds.) Multiscale Solid Mechanics. Advanced Structured Materials, V. 141. – Springer, Cham., 2021. – P. 391–411. – doi: 10.1007/978-3-030-54928-2_29.
18. Полилов А.Н. Этюды по механике композитов. – М.: Физматлит, 2015. – 320 с.
19. Paimushin V.N., Firsov V.A., Kholmogorov S.A., Makarov M.V. Experimental investigations of failure of sandwich specimens with composite facing layers under four-point bending conditions // Altenbach H., Eremeyev V.A., Igumnov L.A. (Eds.) Multiscale Solid Mechanics. Advanced Structured Materials, V. 141. – Springer, Cham., 2021. – P. 377–390. – doi: 10.1007/978-3-030-54928-2_28.

Поступила в редакцию

19.09.2022

Холмогоров Сергей Андреевич, кандидат физико-математических наук, доцент кафедры прочности конструкций; старший научный сотрудник НИЛ «Интеллектуальные биомиметические и природосообразные системы»

Казанский национальный исследовательский технический университет имени А.Н. Туполева – КАИ

ул. К. Маркса, д. 10, г. Казань, 420111, Россия

Казанский (Приволжский) федеральный университет

ул. Кремлевская, д. 18, г. Казань, 420008, Россия

E-mail: hkazan@yandex.ru

Левшонкова Наталья Витальевна, ведущий инженер кафедры ПиПСиК; ведущий инженер НИЛ «Интеллектуальные биомиметические и природосообразные системы»

Казанский национальный исследовательский технический университет имени А.Н. Туполева – КАИ

ул. К. Маркса, д. 10, г. Казань, 420111, Россия

Казанский (Приволжский) федеральный университет

ул. Кремлевская, д. 18, г. Казань, 420008, Россия

E-mail: chydo.n@mail.ru

Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.