Определение параметров модели накопления повреждения в монослое композиционного материала с использованием численного моделирования
Авторы: Акулин П.В., Турбин Н.В., Дудченко А.А.
Опубликовано в выпуске: #10(166)/2025
DOI: 10.18698/2308-6033-2025-10-2483
Раздел: Авиационная и ракетно-космическая техника | Рубрика: Прочность и тепловые режимы летательных аппаратов
При проектировании конструкции из композиционного материала необходимо учитывать снижение жесткостных характеристик материала в ходе эксплуатации. В связи с этим требуется обширная база экспериментов, описывающих поведение композиционного материала при разных видах нагружения. Натурные эксперименты позволяют определить параметры деградации свойств композиционного материала, но они являются дорогостоящими и зачастую трудно реализуемыми при исследовании сложнонапряженного состояния. В данной работе проведено численное моделирование деградации свойств однонаправленного композиционного материала при малоцикловом нагружении. Одной из основных причин деградации жесткостных характеристик монослоя является зарождение трещин в матричной структуре. Для проведения виртуального эксперимента в подпрограмме UMAT конечно-элементного комплекса Abaqus реализована математическая модель, описывающая упругопластическое поведение матрицы с учетом снижения ее физических свойств. Для определения параметров деградации монослоя рассмотрен элементарный репрезентативный объем, состоящий из матрицы и волокон композиционного материала. Проведена валидация результатов численного моделирования по данным натурных испытаний. Полученные параметры деградации монослоя композиционного материала в ходе виртуального эксперимента на микроуровне позволяют описывать нелинейное поведение монослоя с учетом деградации свойств на макроуровне при проектировании авиационных конструкций из композиционного материала.
EDN WYBQIV
Литература
[1] Рейфснайдер К. Повреждение конструкций из композитов в процессе эксплуатации. Ю.М. Тарнопольский, ред. Прикладная механика композитов. Сб. ст. Москва, Мир, 1989, 350 с.
[2] Ванин Г.А. Микромеханика композиционных материалов. Киев, Наукова думка, 1985, 300 с.
[3] Малмейстер А.К., Тамуж В.П., Тетерс Г.А. Сопротивление полимерных и композитных материалов. Рига, Зинатне, 1980, 527 с.
[4] Дудченко А.А. Оптимальное проектирование элементов авиационных конструкций из композиционных материалов. Москва, МАИ, 2002, 84 с.
[5] Гриневич Д.В., Яковлев Н.О, Славин А.В. Критерии разрушения полимерных композиционных материалов. Труды ВИАМ, 2019, № 7, с. 92–111.
[6] Кривородов В.С., Лексовский А.М. Энергоемкость процесса разрушения и прочность композиционных материалов. Механика композитных материалов, 1987, № 6, с. 999–1006.
[7] Дудченко А.А., Лурье С.А. Моделирование процессов роста поврежденности и деградации механических свойств слоистых композитов. Москва, Изд-во МАИ, 2019, c. 60–61.
[8] Doan Chucr Luat, Lurie S.A., Dudchenko A.A. Modeling of degradation of the composite properties on cracking and delamination when subjected to static and cycling loading. Applications, 2010, vol. 1, pp. 1–19.
[9] Dudchenko A.A., Lurie S.A., Halim K. Multiscale modeling on damage mechanics of laminated composite materials. Proc. of Conference on Damage in Composite Materials: Simulation and non-destructive testing. Stuttgart, 2006, pp. 23–26.
[10] Lurie S.A. On the entropy damage accumulation model of composite materials. Proc. of Workshop on computer synthesis structure and properties of advanced composites. Russia–US, Institute of Applied Mechanics; 1994, pp. 6–18.
[11] Киялбаев Д.А., Чудновский А.И. О разрушении деформируемых тел. ПМТФ, 1970, № 3, с. 105–110.
[12] Ladevèze P.A. A damage computational method for composite structures. Computer and Structure, 1992, vol. 44, pp. 79–87.
[13] Allix O., Ladevèze P., Gilletta D., Ohayon R.A. Damage prediction method for composite structures. International Journal for Numerical Methods in Engineering, 1989, vol. 27, pp. 271–83.
[14] Asp L.E., Berglund L.A. Effects of a composite-like stress state on the fracture of epoxies. Composite Science and Technology, 1995, vol. 53, pp. 27–37.
[15] Kinloch A.J, Young R.J. Fracture behaviour of polymers. London, Elsevier Applied Science, 1983.
[16] Asp L.E., Berglund L.A., Talreja R. A criterion for crack initiation in glassy polymers subjected to a composite like stress state. Composite Science and Technology, 1996, vol. 56, pp. 1291–1301.
[17] Asp L.E., Berglund L.A., Talreja R. Prediction of matrix-initiated transverse failure in polymer composites. Composite Science and Technology, 1996, vol. 56, pp. 1089–1097.
[18] Daguo Wang, Chaochao Han, Bing Xu, Bin Li. Numerical study on rupture process of fiber-reinforced composites. Journal of Applied Biomaterials & Functional Materials, 2018, vol. 16, pp. 46–54.
[19] Ишлинский А.Ю., Ивлев Д.Д. Математическая теория пластичности. Москва, Физматлит, 2003, 704 с.
[20] Book Abaqus 2018 Analysis User’s Guide. Editor SIMULIA, 2018.
[21] Каркашадзе Г.Г. Механическое разрушение горных пород. Москва, Московский государственный горный университет, 2004, 221 с.
[22] Fiedler B., Hojo M., Ochiai S., Schulte K., Andoc M. Failure behavior of an epoxy matrix under different kinds of static loading. Composites Science and Technology, 2001, vol. 61, pp. 1615–1624.
[23] Barbero E.J. Finite Element Analysis of Composite Materials using Abaqus. CRC Press, 2013, 438 р.
[24] Pahr D.H., Böhm H.J. Assessment of mixed uniform boundary conditions for predicting the mechanical behavior of elastic and inelastic discontinuously reinforced composites. Computer Modeling in Engineering & Sciences, 2008, vol. 34, pp. 117–136.
[25] Wenlong Tian, Lehua Qi, Xujiang Chao, Junhao Liang, Mingwang Fu. Periodic boundary condition and its numerical implementation algorithm for the evaluation of effective mechanical properties of the composites with complicated micro-structures. Composites. Part B: Engineering, 2019, vol. 162, pp. 1–10.
[26] Zihui Xia, Yunfa Zhang, Fernand E. A unified periodical boundary conditions for representative volume elements of composites and applications. International Journal of Solids and Structures, 2003, vol. 40, pp. 1907–1921.
[27] Васильев В.В. Механика конструкций из композиционных материалов. Москва, Машиностроение, 1988, 272 с.
[28] Garoz D., Gilabert F.A., Sevenois R.D.B., Spronk S.W.F., Van Paepegem W. Material parameter identification of the elementary ply damage mesomodel using virtual micro-mechanical tests of a carbon fiber epoxy system. Composite Structures, 2017, vol. 181, pp. 391–404.
[29] Ladevèze P., Le Dantec E. Damage modelling of the elementary ply for laminated composites. Composites Science and Technology, 1992, vol. 43, рр. 257–67.
[30] Ladevèze P., Lubineau G. On a damage mesomodel for laminates: micromechanics basis and improvement. Mechanics of Materials, 2003, vol. 35, pp. 763–775.
[31] Kleisner V., Zemcik R., Kroupa T. Identification and verification of the composite material parameters for the Ladevèze damage model. Materiali in Tehnologije, 2011, vol. 45, pp. 567–570.