zldmЗаводская лаборатория. Диагностика материаловIndustrial laboratory. Diagnostics of materials1028-68612588-0187ООО «Издательство «ТЕСТ-ЗЛ»10.26896/1028-6861-2026-92-2-62-67zldm-2731Research ArticleМЕХАНИКА МАТЕРИАЛА: ПРОЧНОСТЬ, РЕСУРС, БЕЗОПАСНОСТЬMATERIALS MECHANICS: STRENGTH, DURABILITY, SAFETYЭкспериментальное исследование прочности композитных панелей при воздействии ледяного индентораExperimental investigation of composite panel strength under ice impactЛе ВьетТуанTuan LeVie

Ле Вьет Туан

12713, г. Ханой, район Сон Тай

Tuan Le Viet

Sontay, Hanoi, 12713

tuanleviet86@gmail.comБурнышеваТ. В.BurnyshevaT. V.

Татьяна Витальевна Бурнышева

630073, г. Новосибирск, просп. К. Маркса, д. 20

Tatiana V. Burnysheva

20, prosp. K. Marksa, Novosibirsk, 630073

burnysheva@corp.nstu.ruКожевниковА. Н.KozhevnikovA. N.

Алексей Николаевич Кожевников

630073, г. Новосибирск, просп. К. Маркса, д. 20

Aleksey N. Kozhevnikov

20, prosp. K. Marksa, Novosibirsk, 630073

Академия противовоздушной обороны и военно-воздушных силВьетнамAir Defense — Air Force AcademyViet NamНовосибирский государственный технический университетРоссияNovosibirsk State Technical UniversityRussian Federation2026230220269226267Copyright © Ле Вьет Т., Бурнышева Т.В., Кожевников А.Н., 20262026Ле Вьет Т., Бурнышева Т.В., Кожевников А.Н.Tuan Le V., Burnysheva T.V., Kozhevnikov A.N.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/2731

Цель работы — исследование процессов образования дефектов и распределения энергии при ударном взаимодействии композитного материала с хрупким телом. В качестве хрупкого индентора использовали шарики льда, имитирующие частицы града. В Новосибирском государственном техническом университете разработана и создана специализированная лабораторная установка для проведения баллистических испытаний. Данная экспериментальная установка оснащена газовой пушкой, способной разгонять хрупкие инденторы до скорости 200 м/с, что позволяет точно воспроизводить условия ударного взаимодействия. Сферические образцы диаметром 35 мм создавали с помощью силиконовых форм, обеспечивающих высокую точность геометрии ударников. Исследуемые материалы — композитные панели из углеродно-эпоксидной системы Toray T800-24K/UD — выбирали исходя из их широкого применения в различных областях промышленности. Натурные испытания, включавшие воздействие частиц града диаметром 35 мм на панели, показали, что повреждения начинают формироваться при скорости удара индентора от 130 м/с. Эксперименты, включающие детальный визуальный осмотр поверхности панелей, а также ультразвуковое исследование внутренних структур, позволили выявить и классифицировать возникшие повреждения. Результаты ультразвукового контроля показали, что в большинстве случаев разрушение начиналось с центра удара и распространялось на прилегающие области. Полученные данные представлены в виде подробных таблиц и графиков, иллюстрирующих взаимосвязь между кинетической энергией удара и степенью повреждений композитного материала. Результаты работы содержат важную информацию для дальнейшего анализа и улучшения характеристик композитных структур, используемых в реальных условиях эксплуатации.

The purpose of the presented work is an in-depth study of the processes of defect formation and energy distribution during the impact interaction of a composite material with a fragile body. Ice balls imitating hail particles acted as a fragile indenter. A specialized laboratory setup for ballistic testing was developed and constructed at Novosibirsk State Technical University. This experimental system is equipped with a gas gun capable of accelerating projectiles to speeds of up to 200 m/sec, enabling precise simulation of impact conditions. Spherical projectiles with a diameter of 35 mm were fabricated using silicone molds to ensure high geometric accuracy. Composite panels made from the carbon-epoxy system Toray T800-24K/UD were selected as test materials due to their widespread application in various industries. Real-world testing, involving impacts of hail-like particles with a diameter of 35 mm on the panels, demonstrated that damage begins to form at impactor velocities starting from 130 m/sec. Experimental results, including detailed visual inspection of panel surfaces and ultrasonic analysis of internal structures, allowed the identification and classification of observed damage. The results of ultrasonic testing showed that in most cases, the destruction began from the center of the impact and spread to the adjacent areas. The data obtained were presented in detailed tables and graphs illustrating the relationship between the kinetic energy of the impact and the degree of damage to the composite material. These findings provide critical insights for further analysis and optimization of composite structures used in practical applications.

композитные материалывоздействие частиц льдабаллистические испытанияуглеродно-эпоксидная системакинетическая энергияанализ поврежденийcomposite materialsice impactballistic testingcarbon-epoxykinetic energyfailure analysisReferencesMacdonald J. R., Stack M. M. Some thoughts on modelling hail impact on surfaces / J. Bio. Tribo-Corr. 2021. Vol. 7. Art. 37. P. 1 – 7. DOI: 10.1007/s40735-020-00458-4Macdonald J. R., Stack M. M. Some thoughts on modelling hail impact on surfaces / J. Bio. Tribo-Corr. 2021. Vol. 7. Art. 37. P. 1 – 7. DOI: 10.1007/s40735-020-00458-4Kim H., Halpin J. C., DeFrancisci G. K. Impact damage of composite structures / Long-term durability of polymeric matrix composites. — New York: Springer, 2012. P. 143 – 180.Kim H., Halpin J. C., DeFrancisci G. K. Impact damage of composite structures / Long-term durability of polymeric matrix composites. — New York: Springer, 2012. P. 143 – 180.Pernas-Sánchez J., Pedroche D. A., Varas D., et al. Numerical modeling of ice behavior under high velocity impacts / Int. J. Solids Struct. 2012. Vol. 49. No. 14. P. 1919 – 1927. DOI: 10.1016/j.ijsolstr.2012.03.038Pernas-Sánchez J., Pedroche D. A., Varas D., et al. Numerical modeling of ice behavior under high velocity impacts / Int. J. Solids Struct. 2012. Vol. 49. No. 14. P. 1919 – 1927. DOI: 10.1016/j.ijsolstr.2012.03.038Field P. R., Hand W., Cappelluti G., et al. Hail threat standardisation. — EASA, in Final Report EASA_REP_RESEA, 2009. — 133 p.Field P. R., Hand W., Cappelluti G., et al. Hail threat standardisation. — EASA, in Final Report EASA_REP_RESEA, 2009. — 133 p.Urnev A. S., Chernyatin A. S., Matvienko Yu. G., Razumovskii I. A. Experimental and numerical sizing of a delamination defect in layered composite materials / Industr. Lab. Mater. Diagn. 2018. Vol. 84. No. 10. P. 59 – 66 [in Russian]. DOI: 10.26896/1028-6861-2018-84-10-59-66Urnev A. S., Chernyatin A. S., Matvienko Yu. G., Razumovskii I. A. Experimental and numerical sizing of a delamination defect in layered composite materials / Industr. Lab. Mater. Diagn. 2018. Vol. 84. No. 10. P. 59 – 66 [in Russian]. DOI: 10.26896/1028-6861-2018-84-10-59-66Vasil’ev I. E., Matvienko Yu. G., Pankov A. V., Kalinin A. G. Application of the early damage diagnostics technique to examination of the aviation panel / Industr. Lab. Mater. Diagn. 2019. Vol. 85. No. 6. P. 53 – 63 [in Russian]. DOI: 10.26896/1028-6861-2019-85-6-53-63Vasil’ev I. E., Matvienko Yu. G., Pankov A. V., Kalinin A. G. Application of the early damage diagnostics technique to examination of the aviation panel / Industr. Lab. Mater. Diagn. 2019. Vol. 85. No. 6. P. 53 – 63 [in Russian]. DOI: 10.26896/1028-6861-2019-85-6-53-63Kim H., Keune J. N. Compressive strength of ice at impact strain rates / J. Mater. Sci. 2007. Vol. 42. P. 2802 – 2806. DOI: 10.1007/s10853-006-1376-xKim H., Keune J. N. Compressive strength of ice at impact strain rates / J. Mater. Sci. 2007. Vol. 42. P. 2802 – 2806. DOI: 10.1007/s10853-006-1376-xKim H., Welch D. A., Kedward K. T. Experimental investigation of high velocity ice impacts on woven carbon/epoxy composite panels / Compos. Part A. Appl. Sci. Manuf. 2003. Vol. 34. No. 1. P. 25 – 41. DOI: 10.1016/s1359-835x(02)00258-0Kim H., Welch D. A., Kedward K. T. Experimental investigation of high velocity ice impacts on woven carbon/epoxy composite panels / Compos. Part A. Appl. Sci. Manuf. 2003. Vol. 34. No. 1. P. 25 – 41. DOI: 10.1016/s1359-835x(02)00258-0Olsson R., Juntikka R., Asp L. E. High velocity hail impact on composite laminates / Modelling and Testing. 2013. P. 393 – 426. DOI: 10.1007/978-94-007-5329-7_9Olsson R., Juntikka R., Asp L. E. High velocity hail impact on composite laminates / Modelling and Testing. 2013. P. 393 – 426. DOI: 10.1007/978-94-007-5329-7_9Macdonald H., Nash D., Stack M. M. Repeated impact of simulated hail ice on glass fibre composite materials / Wear. 2019. Vol. 432 – 433. P. 1 – 10. DOI: 10.1016/j.wear.2019.06.001Macdonald H., Nash D., Stack M. M. Repeated impact of simulated hail ice on glass fibre composite materials / Wear. 2019. Vol. 432 – 433. P. 1 – 10. DOI: 10.1016/j.wear.2019.06.001Dieling C., Smith M., Beruvides M. Review of impact factors of the velocity of large hailstones for laboratory hail impact testing consideration / Geosciences. 2020. Vol. 10. No. 12. P. 1 – 16. DOI: 10.3390/geosciences10120500Dieling C., Smith M., Beruvides M. Review of impact factors of the velocity of large hailstones for laboratory hail impact testing consideration / Geosciences. 2020. Vol. 10. No. 12. P. 1 – 16. DOI: 10.3390/geosciences10120500Chuzel Y., Combescure A., Nucci M., et al. Development of hail material model for high speed impacts on aircraft engine / 11th Int. LS-DYNA Users Conf. 2010. Vol. 1. P. 17 – 26.Chuzel Y., Combescure A., Nucci M., et al. Development of hail material model for high speed impacts on aircraft engine / 11th Int. LS-DYNA Users Conf. 2010. Vol. 1. P. 17 – 26.Vargas M. M., Ruggeri C. R., Pereira M., Revilock D. M. Ice particles impacting on a flat plate: Temperature and velocity effect / AIAA Aviation 2020 Forum. 2020. P. 1 – 41. DOI: 10.2514/6.2020-2843Vargas M. M., Ruggeri C. R., Pereira M., Revilock D. M. Ice particles impacting on a flat plate: Temperature and velocity effect / AIAA Aviation 2020 Forum. 2020. P. 1 – 41. DOI: 10.2514/6.2020-2843Kim H., Kedward K. T. Modeling hail ice impacts and predicting impact damage initiation in composite structures / AIAA J. 2000. Vol. 38. No. 7. P. 1278 – 1288. DOI: 10.2514/2.1099Kim H., Kedward K. T. Modeling hail ice impacts and predicting impact damage initiation in composite structures / AIAA J. 2000. Vol. 38. No. 7. P. 1278 – 1288. DOI: 10.2514/2.1099Lavoie M.-A., Gakwaya A., Richard M. J., et al. Numerical and experimental modeling for bird and hail impacts on aircraft structure / Proc. of the IMAC-XXVIII, February 1 – 4, 2010, Jacksonville, Florida, USA. 2011. Vol. 3. P. 1403 – 1410. DOI: 10.1007/978-1-4419-9834-7_123Lavoie M.-A., Gakwaya A., Richard M. J., et al. Numerical and experimental modeling for bird and hail impacts on aircraft structure / Proc. of the IMAC-XXVIII, February 1 – 4, 2010, Jacksonville, Florida, USA. 2011. Vol. 3. P. 1403 – 1410. DOI: 10.1007/978-1-4419-9834-7_123Lavoie M.-A., Nejad Ensan M., Gakwaya A. Development of an efficient numerical model for hail impact simulation based on experimental data obtained from pressure sensitive film / Mech. Res. Commun. 2011. Vol. 38. No. 1. P. 72 – 76. DOI: 10.1016/j.mechrescom.2010.07.014Lavoie M.-A., Nejad Ensan M., Gakwaya A. Development of an efficient numerical model for hail impact simulation based on experimental data obtained from pressure sensitive film / Mech. Res. Commun. 2011. Vol. 38. No. 1. P. 72 – 76. DOI: 10.1016/j.mechrescom.2010.07.014Pernas-Sánchez J., Artero-Guerrero J. A., Varas D., López-Puente J. Experimental analysis of ice sphere impacts on unidirectional carbon/epoxy laminates / Int. J. Impact Eng. 2016. Vol. 96. P. 1 – 10. DOI: 10.1016/j.ijimpeng.2016.05.010Pernas-Sánchez J., Artero-Guerrero J. A., Varas D., López-Puente J. Experimental analysis of ice sphere impacts on unidirectional carbon/epoxy laminates / Int. J. Impact Eng. 2016. Vol. 96. P. 1 – 10. DOI: 10.1016/j.ijimpeng.2016.05.010Meo M., Morris A. J., Vignjevic R., Marengo G. Numerical simulations of low-velocity impact on an aircraft sandwich panel / Compos. Struct. 2003. Vol. 62. Nos. 3 – 4. P. 353 – 360. DOI: 10.1016/j.compstruct.2003.09.035Meo M., Morris A. J., Vignjevic R., Marengo G. Numerical simulations of low-velocity impact on an aircraft sandwich panel / Compos. Struct. 2003. Vol. 62. Nos. 3 – 4. P. 353 – 360. DOI: 10.1016/j.compstruct.2003.09.035Appleby-Thomas G. J., Hazell P. J., Dahini G. On the response of two commercially-important CFRP structures to multiple ice impacts / Compos. Struct. 2011. Vol. 93. No. 10. P. 2619 – 2627. DOI: 10.1016/j.compstruct.2011.04.029Appleby-Thomas G. J., Hazell P. J., Dahini G. On the response of two commercially-important CFRP structures to multiple ice impacts / Compos. Struct. 2011. Vol. 93. No. 10. P. 2619 – 2627. DOI: 10.1016/j.compstruct.2011.04.029Render P. M., Pan H. Experimental studies into hail impact characteristics / J. Propul. and Power. 1995. Vol. 11. No. 6. P. 1224 – 1230. DOI: 10.2514/3.23961Render P. M., Pan H. Experimental studies into hail impact characteristics / J. Propul. and Power. 1995. Vol. 11. No. 6. P. 1224 – 1230. DOI: 10.2514/3.23961

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