Особенности нелинейного деформирования при сдвиге в плоскости листа однонаправленных и ортогонально-армированных полимерных композиционных материалов

Проведен сравнительный анализ типовых диаграмм деформирования при сдвиге в плоскости листа в условиях квазистатического нагружения 25 однонаправленных и ортогонально-армированных полимерных композиционных материалов, три из которых испытаны в рамках данной работы, а экспериментальные данные по остальным материалам взяты из публикаций других авторов. Исследование приведенных диаграмм деформирования показало, что большинство из них имеют сходный характер, зависящий от приведенного начального модуля сдвига материалов: в начале нагружения наблюдается линейный участок, при дальнейшем нагружении наклон диаграммы уменьшается, достигая минимума в точке разрушения. Для трех параметров (координаты точки окончания линейного участка, максимального приведенного отклонения диаграммы, приведенного касательного модуля сдвига в точке разрушения), характеризующих индивидуальные особенности представленных диаграмм деформирования, получены аппроксимирующие зависимости от величины приведенного начального модуля сдвига. В характерных точках диаграмм деформирования определены граничные условия, которые можно использовать при нахождении параметров аппроксимирующих функций. Предложено условие для определения координат точки окончания линейного участка на экспериментальной кривой деформирования, согласно которому максимальное отклонение между экспериментальными и расчетными (по закону Гука) значениями напряжения сдвига на этом участке составляет не более 1 %, что позволяет обеспечить высокую точность аппроксимации на линейном участке диаграммы. Результаты работы рекомендуется использовать для разработки универсальных относительно простых по структуре аппроксимирующих функций, учитывающих характерные свойства экспериментальных кривых деформирования полимерных композиционных материалов при сдвиге в плоскости листа. Для определения параметров этих функций необходим минимальный набор экспериментальных данных.

1. Hinton M. J., Kaddour A. S., Soden P. D. Failure criteria in fibre reinforced polymer composites: The World-Wide Failure Exercise. — Elsevier Ltd., 2004. — 1268 p. DOI: 10.1016/B978-0-080-44475-8.X5000-8

2. Fanteria D., Panettieri E. A non-linear model for in-plane shear damage and failure of composite laminates / Aerotecnica Missili & Spazio, The Journal of Aerospace Science, Technology and Systems. 2014. Vol. 93. P. 17 – 24. DOI: 10.1007/BF03404672

3. McCarthy C. T., O’Higgins R. M., Frizzell R. M. A cubic spline implementation of non-linear shear behaviour in three-dimensional progressive damage models for composite laminates / Composite Structures. 2010. Vol. 92. P. 173 – 181. DOI: 10.1016/j.compstruct.2009.07.025

4. Думанский А. М., Таирова Л. П., Горлач И., Алимов М. А. Расчетно-экспериментальное исследование нелинейных свойств углепластика / Проблемы машиностроения и надежности машин. 2011. № 5. С. 91 – 97.

5. Русланцев А. Н., Думанский А. М. Модель нелинейного деформирования и накопление повреждений в полимерных композитах / Наука и образование. МГТУ им. Н. Э. Баумана. Электронный журнал. 2014. № 2. С. 324 – 331. DOI: 10.7463/0214.0687567

6. Mohseni Shakib S. M., Li S. Modified three rail shear fixture (ASTM D 4255/D 4255M) and an experimental study of nonlinear in-plane shear behaviour of FRC / Comp. Sci. Technol. 2009. Vol. 69. P. 1854 – 1866. DOI: 10.1016/j.compscitech.2009. 04.003

7. Fedulov B., Fedorenko A., Safonov A., Lomakin E. Nonlinear shear behavior and failure of composite materials under plane stress conditions / Acta Mech. 2017. Vol. 228. N 6. P. 2033 – 2040. DOI: 10.1007/s00707-017-1817-4

8. Totry E., Molina-Aldareguia J. M., Gonzalez C., Llorca J. Effect of fiber, matrix and interface properties on the in-plane shear deformation of carbon-fiber reinforced composites / Composites Science and Technology. 2010. Vol. 70. P. 970 – 980. DOI: 10.1016/j.compscitech.2010.02.014

9. Kaddour A. S., Hinton M. J. Input data for test cases used in benchmark triaxial failure theories of composites / J. Composite Mater. 2012. Vol. 46. P. 2295 – 2312. DOI: 10.1177/0021998312449886

10. Chamis C. C., Sinclair J. H. Ten-deg off-axis test for shear properties in fiber composites / Exp. Mech. 1977. Vol. 17. P. 339 – 346. DOI: 10.1007/BF02326320

11. Liang Y., Wang H., Gu X. In-plane shear response of unidirectional fiber reinforced and fabric reinforced carbon/epoxy composites / Polymer Testing. 2013. Vol. 32. P. 594 – 601.

12. Soutis C., Turkmen D. Moisture and temperature effects on the compressive failure of CFRP unidirectional laminates / J. Composite Mater. 1997. Vol. 31. P. 832 – 849. DOI: 10.1177/002199839703100805

13. Selmy A. I., Elsesi A. R., Azab N. A., Abd El-baky M. A. In-plane shear properties of unidirectional glass fiber (U)/random glass fiber (R)/epoxy hybrid and non-hybrid composites / Composites. Part B. 2012. Vol. 43. P. 431 – 438. DOI: 10.1016/j.compositesb.2011.06.001

14. Choia J.-H., Janga J., Shima W., Chob J.-M., Yoonb S.-J., Choib Ch.-H., Hana H. N., Yu W.-R. Determination of the in-plane shear modulus of unidirectional carbon fiber reinforced plastics using digital image correlation and finite-element analysis / Composite Struct. 2019. Vol. 229. Art. N 111392. DOI: 10.1016/j.compstruct.2019.111392

15. Эконометрика: Учебник. Изд. 2-е / Под ред. В. Б. Уткина. — М.: Издательско-торговая корпорация «Дашков и К°», 2012. — 564 с.