Методика по определению уровня деградации упругих свойств композитных панелей больших толщин под воздействием низкоскоростных ударных воздействий
Авторы: Мольков О.Р., Больших А.А.
Опубликовано в выпуске: #8(152)/2024
DOI: 10.18698/2308-6033-2024-8-2379
Раздел: Авиационная и ракетно-космическая техника | Рубрика: Проектирование, конструкция и производство летательных аппаратов
Предложена методика расчета уровня деградации упругих свойств композитных панелей под воздействием низкоскоростных ударов, позволяющая приводить их дефекты к линейной постановке на основе энергии удара и толщины исследуемой панели. Проведено исследование по определению уровня деградации упругих свойств композитных панелей больших толщин под воздействием низкоскоростных ударных нагрузок, приводящих к дефектам 1-й категории. Для представления разработанной методики была проведена серия численных моделирований ортотропных композитных панелей разных толщин на основе экспериментального стандарта по копровым испытаниям ASTM D7136 по моделированию ударных повреждений композитной панели. Данная методика представляет собой комбинацию как численного анализа, так и эмпирического подхода для выявления уровня деградации упругих свойств композитных панелей больших толщин под воздействием низкоскоростных ударных нагружений, а также вычисления эмпирического коэффициента. Определено, что с помощью данной методики можно предварительно оценивать остаточную прочность и критическое усилие по потере устойчивости композитных панелей на ранних этапах проектирования летательных аппаратов без проведения сложных и ресурсоемких расчетов. При апробации предложенная методика показала хорошую сходимость полученных численных результатов и экспериментальных данных. Отмечено приемлемое качественное сходство моделируемого механизма и формы разрушения с наблюдаемыми в экспериментах.
EDN LJDGYS
Литература
[1] Pogosyan M., Nazarov E., Bolshikh A., Koroliskii V., Turbin N., Shramko K. Aircraft composite structures integrated approach: a review. Journal of Physics: Conference Series, 2021, vol. 1925, p. 012005. DOI: 10.1088/1742-6596/1925/1/012005
[2] Фейгенбаум Ю.М., Дубинский С.В., Божевалов Д.Г., Соколов Ю.С., Метелкин Е.С., Миколайчук Ю.А., Шапкин В.С. Обеспечение прочности композитных авиационных конструкций с учетом случайных эксплуатационных ударных воздействий. Москва, Техносфера, 2018.
[3] Abrate S. Impact on Composite Structures Cambridge, Cambridge University Press, 1998.
[4] Abrate S. Damage in laminates from low-velocity impacts. In: Dynamic Deformation, Damage and Fracture in Composite Materials and Structures. Woodhead Publishing, 2016, pp. 35–69. DOI: 10.1016/B978-0-08-100080-9.00003-8
[5] Авиационные правила АП-25. Нормы летной годности самолетов транспортной категории. Москва, 2009.
[6] Olsson R., Robin F. Analytical prediction of large mass impact damage in composite laminates. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 2001, vol. 32, iss. 9, pp. 1207–1215. https://doi.org/10.1016/S1359-835X(01)00073-2
[7] Lin Sh., Solver I., Thorsson M., Waas A.M. Predicting the low velocity impact damage of a quasi-isotropic laminate using EST. Composite Structures, 2020, vol. 251, p. 112530. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2020.112530
[8] Lin Sh., Waas A.M. Experimental and high-fidelity computational investigations on the low velocity impact damage of laminated composite materials. AIAA Scitech 2020 Forum, 2020, p. 0724. DOI: 10.2514/6.2020-0724
[9] Kassapoglou C. Modeling the effect of damage in composite structures: simplified approaches. John Wiley & Sons, 2015.
[10] Abrate S. Modeling of impacts on composite structures. Composite Structures, 2001, vol. 51 (2), pp. 129–138. DOI: 10.1016/S0263-8223(00)00138-0
[11] A.S. ASTM D7136. A standard method for determining the damage of a composite material with a polymer matrix, reinforced with fiber, as part of a falling load impact test. 2015, p. 39.
[12] Falcó O., Ávila R.L., Tijs B., Lopes C.S. Modelling and simulation methodology for unidirectional composite laminates in a virtual test lab framework. Composite Structures, 2018, vol. 190, pp. 137–159. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2018.02.016
[13] Abaqus 2021 User Guide.
[14] Tan W., Falzon B., Chiu L., Price M. Predicting low velocity impact damage and Compression-After-Impact (CAI) behaviour of composite laminates. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 2015, vol. 71, pp. 212–226. DOI: 10.1016/j.compositesa.2015.01.025
[15] Pham D.C., Lua J., Sun H., Zhang D. A three-dimensional progressive damage model for drop-weight impact and compression after impact. Journal of Composite Materials, 2019, vol. 54 (4), pp. 449–462. DOI: 10.1177/0021998319859050
[16] Chen F., Yao W., Jiang W. Experimental and simulation investigation on BVID and CAI behaviors of CFRP laminates manufactured by RTM technology. Engineering Computations, 2021, vol. 38, no. 5, pp. 2252–2273. https://doi.org/10.1108/EC-01-2020-0008
[17] Abir M., Tay E., Ridha M., Lee P. On the relationship between failure mechanism and compression after impact (CAI) strength in composites. Composite Structures, 2017, vol. 182, pp. 242–250. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2017.09.038
[18] Rivallant S., Bouvet C., Hongkarnjanakul N. Failure analysis of CFRP laminates subjected to compression after impact: FE simulation using discrete interface elements. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 2013, vol. 55, pp. 83–93. https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2013.08.003
[19] Sun C., Hallett R. Failure mechanisms and damage evolution of laminated composites under compression after impact (CAI): Experimental and numerical study. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 2018, vol. 104, pp. 41–59. https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2017.10.026
[20] Shao R., Liu N., Zheng J. Numerical comparison between Hashin and Chang-Chang failure criteria in terms of inter-laminar damage behavior of laminated composite. Materials Research Express 8.8, 2021, p. 085602. DOI: 10.1088/2053-1591/ac1d40
[21] Chi-Seung Lee, Jeong-Hyeon Kim, Seul-kee Kim, Dong-Man Ryu, Jae-Myung Lee. Initial and progressive failure analyses for composite laminates using Puck failure criterion and damage-coupled finite element method. Composite Structures, 2015, vol. 121, pp. 406–419. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2014.11.011
[22] Wang J., Pineda E., Ranatunga V., Smeltzer S.S. 3D progressive damage modeling for laminated composite based on crack band theory and continuum damage mechanics. In: American Society for Composites. 30th Technical Conference, East Lansing, MI, 2015, p. 20682.
[23] Lopes S., Seresta O., Coquet Y., Gürdal Z., Camanho P., Thuis B. Low-velocity impact damage on dispersed stacking sequence laminates. Part I: Experiments. Composites Science and Technology, 2009, vol. 69 (7–8), pp. 926–936. DOI: 10.1016/j.compscitech.2009.02.009
[24] Lopes S., Camanho P., Gürdal Z., Maimí P., González V. Low-velocity impact damage on dispersed stacking sequence laminates. Part II: Numerical simulations. Composites Science and Technology, 2009, vol. 69 (7–8), pp. 937–947. DOI: 10.1016/j.compscitech.2009.02.015