Влияние концентрации напряжений вблизи захватов на прочность композитов при растяжении

Прочность вдоль волокон однонаправленного композита — важнейшая характеристика для проектного расчета композитных изделий, но именно ее труднее всего корректно определить в эксперименте. Основная проблема связана с формой и способами закрепления образца, обеспечивающими минимальное влияние концентрации напряжений вблизи захватов на прочность. Невозможность непосредственного использования стандартных самозатягивающихся захватов из-за поперечного смятия образца привела к необходимости применения либо образцов с приклеенными накладками, либо специальных захватов с постоянным поперечным усилием. Для однонаправленно армированных пластиков нельзя использовать образцы с галтелями. На стандартизованных образцах в виде прямоугольных полосок, к боковой поверхности которых приложены меняющиеся касательные усилия, вызывающие значительную концентрацию растягивающих напряжений, получают неверные результаты. В данной работе проведены расчеты коэффициента концентрации напряжений вблизи захватов — по упрощенной модели сдвигового анализа и методом конечных элементов (МКЭ). Поскольку коэффициент снижения прочности всегда меньше, чем теоретический коэффициент концентрации напряжений, для оценки прочности необходимо введение феноменологического параметра материала с размерностью длины как размера зоны усреднения напряжений. Предложено три метода нахождения этого характерного размера по результатам испытаний образцов: 1) гладких с различными толщинами; 2) разной толщины — гладких и с отверстиями (разрушение происходит по отверстию, вдали от захватов); 3) с серией отверстий с убывающим радиусом (для нахождения того малого радиуса, влияние которого на снижение прочности эквивалентно влиянию захватов). На основе экспериментально определенного характерного размера рассчитаны зависимости прочности от толщины образца, отношения модулей Юнга и сдвига, длины захватов и рабочей части, степени сглаживания напряжений около кромок захватов. Предложенная расчетно-экспериментальная методика позволяет более точно оценивать «истинную» прочность композитов при растяжении, которая может быть примерно на 10 % выше определяемой на образцах большой толщины. Учет подобной поправки на влияние захватов дает возможность снизить коэффициент запаса, а следовательно, массу композитных конструкций.

1. Тарнопольский Ю. М., Кинцис Т. Я. Методы статических испытаний армированных пластиков. Изд. 3-е. — М.: Химия, 1981. — 271 с.

2. Алфутов Н. А., Зиновьев П. А., Попов Б. Г. Расчет многослойных пластин и оболочек из композиционных материалов. — М.: Машиностроение, 1984. — 446 с.

3. Васильев В. В. Механика конструкций из композиционных материалов. — М.: Машиностроение, 1988. — 272 с.

4. Кербер М. Л. Полимерные композиционные материалы. Структура. Свойства. Технологии. — СПб.: Профессия, 2008. — 560 с.

5. Полилов А. Н. Экспериментальная механика композитов. — М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2015. — 375 с.

6. Pagano F., Paulmier P., Kaminski M., Thionnet A. Numerical and experimental approach for improving quasi-static and fatigue testing of a unidirectional CFRP composite laminate / Procedia Engineering. 2018. Vol. 213. P. 804 – 815. DOI: 10.1016/j.proeng.2018.02.076.

7. Shokrieh M. M., Omidi M. J. Tension behavior of unidirectional glass/epoxy composites under different strain rates / Composite Structures. 2009. Vol. 88. Issue 4. May. P. 595 – 601.

8. Czél G., Jalalvand M., Wisnom M. R. Hybrid specimens eliminating stress concentrations in tensile and compressive testing of unidirectional composites / Composites Part A: Applied Science and Manufacturing. 2016. Vol. 91. P. 436 – 447. DOI: 10.1016/j.compositesa.2016.07.021.

9. Олейников А. И. Оценка статической прочности слоистых композитов / Ученые записки ЦАГИ. 2019. Т. 50. № 4. С. 53 – 66.

10. Мельников Д. А., Ильичев А. В., Вавилова М. И. Сравнение стандартов для проведения механических испытаний стеклопластиков на сжатие / Труды ВИАМ. 2017. № 3(51). С. 6.

11. Бабушкин А. В., Вильдеман В. Э., Лобанов Д. С. Испытания на растяжение однонаправленного высоконаполненного стеклопластика при нормальных и повышенных температурах / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2010. Т. 76. № 7. С. 57 – 59.

12. Тихонов В. Б., Блазнов А. Н., Савин В. Ф. Метод испытаний стеклопластиков на статическую долговечность / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2010. Т. 76. № 9. С. 63 – 67.

13. Lebrun G., Couture A., and Laperriиre L. Tensile and impregnation behavior of unidirectional hemp/paper/epoxy and flax/paper/epoxy composites / Composite Structures. 2013. Vol. 103. P. 151 – 160. DOI: 10.1016/j.compstruct.2013.04.028.

14. Смердов А. А., Таирова Л. П. Идентификация характеристик упругости и прочности однонаправленного слоя многослойных углепластиков — особенности реализации при исследовании влияния нанодобавок / Конструкции из композиционных материалов. 2015. № 2(138). С. 52 – 58.

15. Комаров В. А., Кишов Е. А., Чарквиани Р. В., Павлов А. А. Расчетно-экспериментальный анализ прочности изделий из тканевого эпоксидного углепластика / Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета им. академика С. П. Королева (национального исследовательского университета). 2015. Т. 14. № 2. С. 106 – 112.

16. Кошелева Н. А., Шипунов Г. С., Воронков А. А., Меркушева Н. П., Тихонова А. А. Экспериментальные исследования по определению деформаций образцов из полимерного композиционного материала с применением волоконно-оптических датчиков / Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Аэрокосмическая техника. 2017. № 50. С. 26 – 35.

17. Кирюшина В. В., Ковалева Ю. Ю., Степанов П. А., Коваленко П. В. Исследование влияния масштабного фактора на прочностные свойства полимерных композиционных материалов / Известия высших учебных заведений. Ядерная энергетика. 2019. № 1. С. 97 – 106.

18. Kroupa T., Zemčík H., Zemčík R. Micromechanical analysis of fiber spatial distribution influence in unidirectional composite cross-section on overall response in terms of tensile curves / Materials Today: Proceedings. 2019. Vol. 12. P. 395 – 403. DOI: 10.1016/j.matpr.2019.03.141.

19. Полилов А. Н. Механизмы снижения концентрации напряжений в волокнистых композитах / Прикладная механика и техническая физика. 2014. Т. 55. № 1. С. 187 – 197.

20. Полилов А. Н. Этюды по механике композитов. — М.: Физматлит, 2015. — 320 с.