zldmЗаводская лаборатория. Диагностика материаловIndustrial laboratory. Diagnostics of materials1028-68612588-0187ООО «Издательство «ТЕСТ-ЗЛ»10.26896/1028-6861-2024-90-3-62-69zldm-2141Research ArticleИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ. МЕХАНИКА МАТЕРИАЛОВ: ПРОЧНОСТЬ, РЕСУРС, БЕЗОПАСНОСТЬTESTING OF STRUCTURE AND PARAMETERS. MECHANICAL TESTING METHODSАнализ влияния укладки армирования волокнистого композиционного материала на неоднородность локализации деформаций и напряжений методом термоупругого откликаAnalysis of the effect of the direction of reinforcement of a fibrous composite material on the inhomogeneity of localization of deformations and stresses using the method of thermoelastic responseАхметхановР. С.AkhmetkhanovR. S.

Расим Султанович Ахметханов

101990, Москва, Малый Харитоньевский пер. д. 4

Rasim S. Akhmetkhanov

4, Maly Kharitonevsky per., Moscow, 101990

mibsts@mail.ruИнститут машиноведения им. А. А. Благонравова РАНРоссияA. A. Blagonravov Mechanical Engineering Research Institute of the Russian Academy of SciencesRussian Federation2024220320249036269Copyright © Ахметханов Р.С., 20242024Ахметханов Р.С.Akhmetkhanov R.S.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/2141

Цель работы — исследование влияния направления армирования композиционного материала относительно циклической нагрузки на неоднородность распределения напряжений тепловым методом неразрушающего контроля за счет термоупругого эффекта. Данный метод широко применяется во всех отраслях промышленности для контроля элементов конструкции и в исследовательских работах. Степень неоднородности напряжений используется при выборе коэффициентов запаса прочности, необходимых для обеспечения безопасности технических объектов. В проведенном исследовании тепловым методом за счет термоупругого эффекта показана возможность оценки локального распределения напряжений по температурному полю объекта контроля. При этом температура упругого тела и механические напряжения связаны между собой линейно. Объекты исследования — ламинаты из композиционного материала, состоящего из волокнистого наполнителя (стекловолокна) с эпоксидной матрицей. Исследованы различные варианты укладки волокон по отношению к направлению нагрузки. Рассмотрены четыре варианта ламинатов: однослойные [0] и [90]; трехслойные [0]3 и [90]3. В работе использованы статистические данные и оценки коэффициентов вариации, методы кластеризации и усреднения по длине ламинатов значений распределения температуры по поверхности ламинатов. Получены числовые характеристики распределения локальных температур. Установлено, что их более однородное распределение происходит при армировании материала по направлению нагружения детали. Проведено сравнение интегральных и локальных характеристик распределения температур в образцах. Визуально отмечены отличия в локальном распределении температуры в зависимости от толщины ламината (однослойные и трехслойные). Нагрузка распределяется более равномерно при армировании в ее направлении, а также при увеличении количества слоев армирования. Результаты исследования показали, что выбор значения коэффициента безопасности, оценивающего уровень неоднородности напряжения, зависит от конструктивных особенностей ламинатов. В ходе эксплуатации изделий из композиционных материалов при наличии значительных накопленных повреждений, когда неравномерность их распределения усиливается, следует корректировать уровни коэффициентов безопасности.

The purpose of the article is to study the effect of the direction of reinforcement of a composite material relative to the cyclic load on the inhomogeneity of stress distribution by the thermal method of non-destructive testing using the thermoelastic effect. This method is widely used in all industries for the control of structural elements and in research work. The degree of stress inhomogeneity is used when choosing the safety factors necessary to ensure the safety of technical objects. In this study, the thermoelastic effect is used to show the possibility of estimating the local distribution of stresses using the temperature field of the test object, proceeding from the linear relation between the temperature of the elastic body and mechanical stresses. The results of studying composite laminates (fibrous filler (fiberglass) with an epoxy matrix) with different laying of fibers with respect to the direction of loading are presented. Four laminate samples were considered: single-layer [0] and [90], three-layer [0]3 and [90]3. Statistical data and estimates of the coefficients of variation, methods of clustering and averaging over the length of the laminates the values of the temperature distribution over the surface of the laminates. The numerical characteristics of the distribution of local temperatures are obtained. It is shown that a more uniform distribution occurs when reinforcing is directed along the direction of the material loading. The integral and local characteristics of the temperature distribution in the samples are compared. The differences in the local temperature distribution depending on the laminate thickness were noted visually for single-layer and three-layer samples. A more uniform distribution of the load is also observed in the direction of reinforcement and with an increase in the number of reinforcement layers. The results obtained lead to the conclusion that the choice of the value of the safety factor, which evaluates the level of stress inhomogeneity, depends on the design features of the laminates. During operation of products made of composite materials in the presence of significant accumulated damage, when the uneven distribution of stresses increases, the levels of safety factors should be adjusted.

коэффициент запаса прочноститермограмматермоупругий откликтемпературанапряжениедеформациянеоднородностькоэффициент вариацииsafety factorthermogramthermoelastic responsetemperaturestressstraininhomogeneitycoefficient of variationReferencesТатусь Н. А., Полилов А. Н., Власов Д. Д. Влияние отверстий на снижение прочности композитных образцов с различной укладкой волокон / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2022. Т. 88. № 4. С. 58 – 65. DOI: 10.26896/1028-6861-2022-88-4-58-65Tatus N. A., Polilov A. N., Vlasov D. D. Influence of holes on the strength reduction of composite specimens with different fiber placement / Industr. Lab. Mater. Diagn. 2022. Vol. 88. N 4. P. 58 – 65 [in Russian]. DOI: 10.26896/1028-6861-2022-88-4-58-65Тюменцев В. А., Фазлитдинова А. Г. Исследование структуры волокнистых углеродных материалов методом рентгеновской дифрактометрии / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2019. Т. 85. № 11. С. 31 – 36. DOI: 10.26896/1028-6861-2019-85-11-31-36Tyumentsev V. A., Fazlitdinova A. G. Investigation of the structure of fibrous carbon materials by X-ray diffractometry / Industr. Lab. Mater. Diagn. 2019. Vol. 85. N 11. P. 31 – 36 [in Russian]. DOI: 10.26896/1028-6861-2019-85-11-31-36Биткина О. В., Биткина Е. В. Анализ технологических остаточных напряжений, возникающих в многослойных композитных панелях с несимметричной структурой пакета композита по толщине / Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2012. Т. 14. № 4(2). С. 561 – 567.Bitkina O. V., Bitkina E. V. Analysis of technological residual stresses arising in multilayer composite panels with an asymmetric structure of the composite package in thickness / Izv. Samar. NTs RAN. 2012. Vol. 14. N 4(2). P. 561 – 567 [in Russian].Антонов В. М., Аль-Накди И. А. Влияние армирования на характер напряжений в песчаном основании / Вестник науки и образования Северо-Запада России. 2020. Т. 20. № 1. С. 20 – 27.Antonov V. M., Al-Nakdi I. A. Influence of reinforcement on the nature of stresses in a sandy base / Vestn. Nauki Obrazov. Sev.-Zap. Rossii. 2020. Vol. 20. N 1. P. 20 – 27 [in Russian].Матвиенко Ю. Г., Васильев И. Е., Чернов Д. В. Исследование кинетики разрушения однонаправленного ламината с применением акустической эмиссии и видеорегистрации / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2019. Т. 85. № 11. С. 45 – 61. DOI: 10.26896/1028-6861-2019-85-11-45-61Matvienko Yu. G., Vasiliev I. E., Chernov D. V. Study of the kinetics of destruction of a unidirectional laminate using acoustic emission and video recording / Industr. Lab. Mater. Diagn. 2019. Vol. 85. N 11. P. 45 – 61 [in Russian]. DOI: 10.26896/1028-6861-2019-85-11-45-61Нестерук Д. А., Вавилов В. П. Тепловой контроль и диагностика. Учебное пособие для подготовки специалистов I, II, III уровня. — Томск: Издательство ТПУ, 2007. — 104 с.Nesteruk D. A., Vavilov V. P. Thermal control and diagnostics. Textbook for training I, II, III level specialists. — Tomsk: Izd. TPU, 2007. — 104 p. [in Russian].Мойсейчик А. Е., Мойсейчик Е. А. Основы теплового контроля несущих конструкций с использованием деформационного теплообразования / Неразрушающий контроль и диагностика. 2014. № 3. С. 3 – 19.Moiseichik A. E., Moiseichik E. A. Fundamentals of thermal control of load-bearing structures using deformation heat generation / Nerazrush. Kontrol’ Diagn. 2014. N 3. P. 3 – 19 [in Russian].Мойсейчик А. Е. Исследование и разработка метода теплового неразрушающего контроля стальных конструкций на основе механизма деформационного теплообразования: дис. ... докт. техн. наук. — Новосибирск, 2018. — 377 с.Moiseichik A. E. Research and development of a method of thermal non-destructive testing of steel structures based on the mechanism of deformation heat generation. Doctoral Thesis. — Novosibirsk, 2018. 377 p. [in Russian].Robinson A. F., Dulieu-Barton J. M., Quinn S., et al. A Review of Residual Stress Analysis using Thermoelastic Techniques / 7th International Conference on Modern Practice in Stress and Vibration Analysis IOP Publishing. Journal of Physics: Conference Series. 2009. 181 (012029). — 8 p.Robinson A. F., Dulieu-Barton J. M., Quinn S., et al. A Review of Residual Stress Analysis using Thermoelastic Techniques / 7th International Conference on Modern Practice in Stress and Vibration Analysis IOP Publishing. Journal of Physics: Conference Series. 2009. 181 (012029). — 8 p.Daiki Shiozawa, Takahide Sakagami, Yu Nakamura, et al. Fatigue Damage Evaluation of Short Carbon Fiber Reinforced Plastics Based on Phase Information of Thermoelastic Temperature Change / Sensors. 2017. N 17. P. 1 – 9.Daiki Shiozawa, Takahide Sakagami, Yu Nakamura, et al. Fatigue Damage Evaluation of Short Carbon Fiber Reinforced Plastics Based on Phase Information of Thermoelastic Temperature Change / Sensors. 2017. N 17. P. 1 – 9.Кенжалиев Б. К., Черноглазова Т. В., Мофа Н. Н. и др. Локализация пластической деформации и неравновесные структурно-деформационные превращения. — Алма-Аты: Издательство «Комплекс», 2004. — 271 с.Kenzhaliev B. K., Chernoglazova T. V., Mofa N. N., et al. Localization of plastic deformation and non-equilibrium structural deformation transformations. — Almaty: Izd. «Complex». 2004. — 271 p. [in Russian].Панин В. Е., Егорушкин В. Е. Деформируемое твердое тело как нелинейная иерархически организованная система / Физическая мезомеханика. 2011. Т. 14. ¹ 3. С. 7 – 26.Panin V. E., Egorushkin V. E. Deformable solid body as a nonlinear hierarchically organized system / Fiz. Mezomekh. 2011. Vol. 14. N 3. P. 7 – 26 [in Russian).Sambasivam S. Quinn, Dulieu-Barton J. M. Identification of the source of the thermoelastic response from orthotropic laminated composites. School of Engineering Sciences, University of Southampton, Highfield, Southampton SO17 1BJ, United Kingdom. https://www.researchgate.net/publication/240641936_Identification_of_the_source_of_the_thermoelastic_response_from_orthotropic_laminated_composites [процитировано 11 апреля 2023].Sambasivam S. Quinn, Dulieu-Barton J. M. Identification of the source of the thermoelastic response from orthotropic laminated composites. School of Engineering Sciences, University of Southampton, Highfield, Southampton SO17 1BJ, United Kingdom. https://www.researchgate.net/publication/240641936_Identification_of_the_source_of_the_ thermoelastic_ response_from_orthotropic_laminated_composites [accessed April 11, 2023].Дюкина Т. О. Модифицированный коэффициент корреляции. Труды XIX Международной конференции «Аналитика и управление данными в областях с интенсивным использованием (DAMDID / RCDL’2017)», Москва, Россия, 2018. С. 10 – 13.Dyukina T. O. Modified correlation coefficient/ Proceedings XIX International «Analytics and data management in areas with intensive use (DAMDID/ RCDL’2017)», Moscow, Russia, 2018. P. 10 – 13 [in Russian].Павлов А. Н., Анищенко В. С. Мультифрактальный анализ сложных сигналов/ Успехи физических наук. 2007. Т. 177. № 8. С. 859 – 876.Pavlov A. N., Anishchenko V. S. Multifractal analysis of complex signals / Usp. Fiz. Nauk. 2007. Vol. 177. N 8. P. 859 – 876 [in Russian].Ахметханов Р. С., Шульженко А. А. Электропроводность и фрактальные свойства углеродных нитей / Проблемы машиностроения и надежности машин. 2019. № 6. С. 85 – 91.Akhmetkhanov R. S., Shulzhenko A. A. Electrical conductivity and fractal properties of carbon threads / Probl. Mashinostr. Nadezhn. Mash. 2019. N 6. P. 85 – 91 [in Russian].Кабалдин Ю. Г., Аносов М. С., Шатагин Д. А. и др. Оценка устойчивости структурного состояния металлических материалов при их деформации на основе подходов нелинейной динамики и фрактального анализа / Успехи современной науки. 2016. Т. 4. № 9. С. 100 – 107.Kabaldin Yu. G., Anosov M. S., Shatagin D. A. Evaluation of the stability of the structural state of metallic materials during their deformation based on approaches nonlinear dynamics and fractal analysis / Usp. Sovr. Nauki. 2016. Vol. 4. N 9. P. 100 – 107 [in Russian].Klapetek P., Nečas D., Anderson Ch. Руководство пользователя. wyddion. http://gwyddion.net/download/user-guide/gwyddion-user-guide-en.pdf [процитировано 11 апреля 2023].Klapetek P., Nečas D., Anderson Ch. User Guide. wyddion. http://gwyddion.net/download/user-guide/gwyddion-user-guide-en.pdf [accessed April 11, 2023].

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