zldmЗаводская лаборатория. Диагностика материаловIndustrial laboratory. Diagnostics of materials1028-68612588-0187ООО «Издательство «ТЕСТ-ЗЛ»10.26896/1028-6861-2022-88-4-58-65zldm-1647Research ArticleМЕХАНИКА МАТЕРИАЛА: ПРОЧНОСТЬ, РЕСУРС, БЕЗОПАСНОСТЬMATERIALS MECHANICS: STRENGTH, DURABILITY, SAFETYВлияние отверстий на снижение прочности композитных образцов с различной укладкой волоконThe impact of holes on the reduction of the strength of composite specimens with different laying of fibersТатусьН. А.TatusN. A.

101000, Москва, Малый Харитоньевский переулок, д. 4

101000, Moscow, Maly Kharitonyevsky Per., 4

nikalet@mail.ruПолиловА. Н.PolilovA. N.

101000, Москва, Малый Харитоньевский переулок, д. 4

101000, Moscow, Maly Kharitonyevsky Per., 4

ВласовД. Д.VlasovD. D.

101000, Москва, Малый Харитоньевский переулок, д. 4

101000, Moscow, Maly Kharitonyevsky Per., 4

Институт машиноведения им. А. А. Благонравова РАНРоссияA. A. Blagonravov Mechanical Engineering Research Institute of the Russian Academy of SciencesRussian Federation2022270420228845865Copyright © Татусь Н.А., Полилов А.Н., Власов Д.Д., 20222022Татусь Н.А., Полилов А.Н., Власов Д.Д.Tatus N.A., Polilov A.N., Vlasov D.D.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.zldm.ru/jour/article/view/1647

Способы крепления элементов конструкций, выполненных из волокнистых композитов, к другим элементам конструкций практически не отличаются от применяемых для металлов. При наиболее распространенном болтовом креплении в элементе высверливают отверстие, т.е. удаляют часть материала элемента, вследствие чего около отверстия возникает концентрация напряжений. Поэтому при проектировании и расчете болтовых соединений металлических элементов ответственных конструкций возникают определенные сложности. Ясно, что применение композитов связано с большими проблемами. В этом случае одновременно изготавливают и элемент конструкции, и материал именно для этого элемента. Последующая механическая обработка крайне нежелательна, поскольку нарушает целостность элемента и, следовательно, несущую способность всей конструкции. На 90 % эффективность применения композитов зависит от технологии изготовления материала-элемента. Цель данной работы — экспериментально-теоретическое исследование влияния отверстий, изготовленных по различным технологиям, на снижение прочности стеклопластиковых образцов с различными схемами укладки волокон. Проведено сравнение коэффициента концентрации напряжений с коэффициентами снижения прочности для отверстий, изготовленных сверлением и раздвижением волокон без их разрушения. Представлены результаты испытаний на растяжение специально изготовленных композитных образцов с центральными отверстиями и разными структурами армирования: [0], [0/90], [0/±45/90]. Рассчитанные по результатам эксперимента коэффициенты снижения прочности оказались значительно ниже коэффициентов концентрации напряжений. Рассмотрены причины данного эффекта, а также дана оценка характерного радиуса кривизны после «затупления» отверстия в композитном образце. Полученные результаты исследования позволили сделать выводы об эффективности технологии получения отверстий в композитных образцах без разрушения волокон, а также о влиянии числа семейств волокон на коэффициент снижения прочности около отверстий.

The methods of fastening structural elements made of fiber composites to other structural elements are almost the same as those used for metals. With the most common bolting, a hole is drilled in the element, i.e., a part of the material is removed, thus resulting in a stress concentration near the hole. Certain difficulties can thus arise in designing and calculating of bolted joints of metal elements of critical structures. The use of composites is associated with more serious problems. In this case, both the structural element and the material for this element are manufactured simultaneously. Subsequent machining is quite undesirable, since it violates the integrity of the element and, consequently, the bearing capacity of the entire structure. The efficiency of using composites depends on the technology of manufacturing the material of the element by 90%. We present the results of experimental and theoretical study of the effect of holes made by different technologies on the strength and bearing capacity of fiberglass specimens with different fiber laying patterns. The stress concentration coefficient is compared with the strength reduction coefficients for the holes made by drilling and by expanding the fibers without their damage. The results of tensile tests of specially made composite specimens with different reinforcement structures: [0], [0/90], [0/±45/90] and with central holes are presented. The strength reduction factors calculated from the results of the experiment turned out to be significantly lower than the stress concentration factors. The reasons for this effect are considered and an estimate of the characteristic curvature radius formed after «blunting» of a hole in a composite specimen is given. The obtained results of the study made it possible to draw conclusions about the effectiveness of the technology for hole production in composite samples without breaking fibers, as well as about the effect of the number of fiber families on the strength reduction coefficient near the holes.

стеклопластиккоэффициент концентрации напряженийкоэффициент снижения прочности«обтекание» отверстия волокнамиструктура армированияfiberglassglass-fiber reinforced plastic (GFRP)stress concentration factorstrength reduction factorfiber flow around the holereinforcement structureReferencesTimoshenko S. P. History of the strength of materials. — McGraw-Hill, 1953. — 452 p.Timoshenko S. P. History of the strength of materials. — McGraw-Hill, 1953. — 452 p.Kolosov G. V. On one application of the complex variable theory to a flat problem of the elastic theory. Doctoral thesis. — Yur’ev, 1909. — 207 p. [in Russian].Kolosov G. V. On one application of the complex variable theory to a flat problem of the elastic theory. Doctoral thesis. — Yur’ev, 1909. — 207 p. [in Russian].Inglis C. E. Stresses in a plate due to the presence of cracks and sharp corners / SPIE Milestone Series. 1913. Vol. 137. P. 3 – 17.Inglis C. E. Stresses in a plate due to the presence of cracks and sharp corners / SPIE Milestone Series. 1913. Vol. 137. P. 3 – 17.Neuber H. Kerbspannungslehre. Theorie der spannungskonzentration genaue berechnung der festigkeit. — Berlin, Heidelberg: Springer, 2001. — 326 p. DOI:10.1007/978-3-642-56793-3Neuber H. Kerbspannungslehre. Theorie der spannungskonzentration genaue berechnung der festigkeit. — Berlin, Heidelberg: Springer, 2001. — 326 p. DOI:10.1007/978-3-642-56793-3Polilov A. N. Mechanisms of stress concentration reduction in fiber composites / J. Appl. Mech. Tech. Phys. 2014. Vol. 55. N 1. P. 154 – 163.Polilov A. N. Mechanisms of stress concentration reduction in fiber composites / J. Appl. Mech. Tech. Phys. 2014. Vol. 55. N 1. P. 154 – 163.Polilov A. N., Tatus’ N. A. Strength biomechanics of fibrous composites. — Moscow: Fizmatlit, 2018. — 328 p. [in Russian].Polilov A. N., Tatus’ N. A. Strength biomechanics of fibrous composites. — Moscow: Fizmatlit, 2018. — 328 p. [in Russian].Malakhov A. V., Polilov A. N. Design algorithm of rational fiber trajectories in arbitrarily loaded composite plate / Journal of Machinery Manufacture and Reliability. 2017. Vol. 46. N 5. P. 479 – 487. DOI:10.3103/S1052618817050090Malakhov A. V., Polilov A. N. Design algorithm of rational fiber trajectories in arbitrarily loaded composite plate / Journal of Machinery Manufacture and Reliability. 2017. Vol. 46. N 5. P. 479 – 487. DOI:10.3103/S1052618817050090Khaja A., Rowlands R. Stresses associated with multiple holes whose individual stresses interact / J. Strain Anal. Eng. Design. 2017. N 52(3). P. 162 – 176. DOI:10.1177/0309324717690282Khaja A., Rowlands R. Stresses associated with multiple holes whose individual stresses interact / J. Strain Anal. Eng. Design. 2017. N 52(3). P. 162 – 176. DOI:10.1177/0309324717690282Zhu Y., Liu J., Liu D., Xu H., Hui D. Fiber path optimization based on a family of curves in composite laminate with a center hole / Composites Part B: Engineering. 2017. Vol. 111. P. 91 – 102. DOI:10.1016/j.compositesb.2016.11.051Zhu Y., Liu J., Liu D., Xu H., Hui D. Fiber path optimization based on a family of curves in composite laminate with a center hole / Composites Part B: Engineering. 2017. Vol. 111. P. 91 – 102. DOI:10.1016/j.compositesb.2016.11.051Malakhov A. V., Polilov A. N. Design of composite structures reinforced curvilinear fibres using FEM / Composites Part A. Appl. Sci. Manufact. 2016. Vol. 87. P. 23 – 28. DOI:10.1016/j.compositesa.2016.04.005Malakhov A. V., Polilov A. N. Design of composite structures reinforced curvilinear fibres using FEM / Composites Part A. Appl. Sci. Manufact. 2016. Vol. 87. P. 23 – 28. DOI:10.1016/j.compositesa.2016.04.005Mori Y., Matsuzaki R., Kumekawa N. Variable thickness design for composite materials using curvilinear fiber paths / Composite Struct. 2021. Vol. 263. 113723. DOI:10.1016/j.compstruct.2021.113723Mori Y., Matsuzaki R., Kumekawa N. Variable thickness design for composite materials using curvilinear fiber paths / Composite Struct. 2021. Vol. 263. 113723. DOI:10.1016/j.compstruct.2021.113723Pan Z. Z., Zhang L. W., Liew K. M. Adaptive surrogate-based harmony search algorithm for design optimization of variable stiffness composite materials / Computer Meth. Appl. Mech. Eng. 2021. Vol. 379. 113754. DOI:10.1016/j.cma.2021.113754Pan Z. Z., Zhang L. W., Liew K. M. Adaptive surrogate-based harmony search algorithm for design optimization of variable stiffness composite materials / Computer Meth. Appl. Mech. Eng. 2021. Vol. 379. 113754. DOI:10.1016/j.cma.2021.113754Balla V. M., Kate K. H., Satyavolu J., Singh P., Ganesh J., Tadimeti D. Additive manufacturing of natural fiber reinforced polymer composites: Processing and prospects / Composites Part B: Engineering. 2019. Vol. 174. 106956. DOI:10.1016/j.compositesb.2019.106956Balla V. M., Kate K. H., Satyavolu J., Singh P., Ganesh J., Tadimeti D. Additive manufacturing of natural fiber reinforced polymer composites: Processing and prospects / Composites Part B: Engineering. 2019. Vol. 174. 106956. DOI:10.1016/j.compositesb.2019.106956Brooks H., Molony S. Design and manufactured parts with three dimensional continuous fibre reinforcement / Mater. Design. 2016. Vol. 90. P. 276 – 283. DOI:10.1016/J.MATDES.2015.10.123Brooks H., Molony S. Design and manufactured parts with three dimensional continuous fibre reinforcement / Mater. Design. 2016. Vol. 90. P. 276 – 283. DOI:10.1016/J.MATDES.2015.10.123Scott M., Dell’Anno G., Clegg H. Effect of process parameters on the geometry of composite parts reinforced by through-the-thickness tufting / Appl. Compos. Mater. 2018. N 25. P. 785 – 796. DOI:10.1007/s10443-018-9710-4Scott M., Dell’Anno G., Clegg H. Effect of process parameters on the geometry of composite parts reinforced by through-the-thickness tufting / Appl. Compos. Mater. 2018. N 25. P. 785 – 796. DOI:10.1007/s10443-018-9710-4Dickson A. N., Barry J. N., McDonnell K. A., Dowling D. P. Fabrication of continuous carbon, glass and kevlar fibre reinforced polymer composites using additive manufacturing / Additive Manufact. 2017. Vol. 16. P. 146 – 152. DOI:10.1016/J.ADDMA.2017.06.004Dickson A. N., Barry J. N., McDonnell K. A., Dowling D. P. Fabrication of continuous carbon, glass and kevlar fibre reinforced polymer composites using additive manufacturing / Additive Manufact. 2017. Vol. 16. P. 146 – 152. DOI:10.1016/J.ADDMA.2017.06.004Roth S., Pracisnore F., Countandin S., Fleischer J. A new approach for modelling the fibre path in bolted joints of continuous fibre reinforced composites / Composite Struct. 2020. Vol. 243. 112184. DOI:10.1016/j.compstruct.2020.112184Roth S., Pracisnore F., Countandin S., Fleischer J. A new approach for modelling the fibre path in bolted joints of continuous fibre reinforced composites / Composite Struct. 2020. Vol. 243. 112184. DOI:10.1016/j.compstruct.2020.112184Almeida J. H. S., Bittrich L., Spickenheuer A. Improving the open-hole tension characteristics with variable-axial composite laminates: Optimization, progressive damage modeling and experimental observations / Composites Sci. Technol. 2020. Vol. 185. 107889. DOI:10.1016/j.compscitech.2019.107889Almeida J. H. S., Bittrich L., Spickenheuer A. Improving the open-hole tension characteristics with variable-axial composite laminates: Optimization, progressive damage modeling and experimental observations / Composites Sci. Technol. 2020. Vol. 185. 107889. DOI:10.1016/j.compscitech.2019.107889Hou Z., Tian X., Zhang J., Li D. 3D printed continuous fibre reinforced composite corrugated structure / Composite Struct. 2018. Vol. 184. P. 1005 – 1010. DOI:10.1016/j.compstruct.2017.10.080Hou Z., Tian X., Zhang J., Li D. 3D printed continuous fibre reinforced composite corrugated structure / Composite Struct. 2018. Vol. 184. P. 1005 – 1010. DOI:10.1016/j.compstruct.2017.10.080Xu J. Y., Lin T. Y., Chen M., Davim J. P. Machining responses of high-strength carbon/epoxy composites using diamond-coated brad spur drills / Mater. Manufact. Proc. 2021. Vol. 36. N 6. P. 722 – 729. DOI:10.1080/10426914.2020.1854475Xu J. Y., Lin T. Y., Chen M., Davim J. P. Machining responses of high-strength carbon/epoxy composites using diamond-coated brad spur drills / Mater. Manufact. Proc. 2021. Vol. 36. N 6. P. 722 – 729. DOI:10.1080/10426914.2020.1854475Lin M. J., Tsai K. H., Hwan C. L. Strength prediction for composite plates with an inclined elliptical hole / Mech. Compos. Mater. 2020. N 56. P. 619 – 628. DOI:10.1007/s11029-020-09908-zLin M. J., Tsai K. H., Hwan C. L. Strength prediction for composite plates with an inclined elliptical hole / Mech. Compos. Mater. 2020. N 56. P. 619 – 628. DOI:10.1007/s11029-020-09908-zKomkov M. A., Bolotin Yu. Z., Vasil’eva T. V. Determination of holes forming parameters in uncured woven composite by puncturing with sharpened indenter / Inz. Zh. Nauka Innov. 2017. N 9(69). P. 11. DOI:10.18698/2308-6033-2017-9-1678Komkov M. A., Bolotin Yu. Z., Vasil’eva T. V. Determination of holes forming parameters in uncured woven composite by puncturing with sharpened indenter / Inz. Zh. Nauka Innov. 2017. N 9(69). P. 11. DOI:10.18698/2308-6033-2017-9-1678Akhmedshin E. Kh., Polilov A. N., Tatus’ N. A. Holes manufacturing technology influence on the strength of fibrous composites / IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. 2020. Vol. 747. 012096. DOI:10.1088/1757-899X/747/1/012096Akhmedshin E. Kh., Polilov A. N., Tatus’ N. A. Holes manufacturing technology influence on the strength of fibrous composites / IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. 2020. Vol. 747. 012096. DOI:10.1088/1757-899X/747/1/012096Mileiko S. T., Suleimanov F. K. Model of a macrocrack in a composite / Mech. Compos. Mater. 1981. N 17. P. 276 – 280. DOI:10.1007/BF00605067Mileiko S. T., Suleimanov F. K. Model of a macrocrack in a composite / Mech. Compos. Mater. 1981. N 17. P. 276 – 280. DOI:10.1007/BF00605067

The authors declare that there are no conflicts of interest present.