Определение межслоевой трещиностойкости прошитых тонколистовых эпоксидных углекомпозитов методом расслоения клином (расклинивания)

Методом расслоения клином (.расклинивания) в рамках линейной упругой механики разрушения при моде нагружения I с использованием стандартных образцов в виде двойной консольной балки (ДКБ) определены локальные показатели трещиностойкости тонколистового армированного полимерного углекомпозита (УКМ), прошитого стеклянной и арамидной нитями двойным челночным стежком. Прошивку проводили с различным количеством стежков и строчек при разных направлениях распространения трещины относительно укладки армирующей ткани и строчек прошивки. Установлено, что вне зависимости от типа прошивочной нити и направления прохождения трещины средние и нормированные относительно не прошитых образцов значения параметров локальной трещиностойкости прошитых образцов УКМ в наибольшей степени зависят от области прохождения трещины и плотности (шага) прошивок. Это обусловливает резко выраженную локальность и анизотропию трещиностойкости. Наибольшая устойчивость к распространению трещины наблюдается в областях переплетения нитей прошивок в результате затрат энергии на деформирование и разрыв прошивочных нитей, а наименьшая — в областях между прошивками по стежку или шагу между строчками как при продольном, так и перпендикулярном направлениях распространения трещины относительно укладки ткани и строчек прошивок. Проведена оценка удельных средних значений параметров локальной трещиностойкости прошитых образцов УКМ, отнесенных к одной строчке прошивки при продольном распространении трещины или к одному стежку — при распространении трещины поперек строчек прошивки. Эффект повышения локальной трещиностойкости в областях переплетения нитей оказывается существенно меньшим, а ее снижения в областях стежка и между строчками прошивки — существенно большим. Для объективной оценки трещиностойкости тонколистовых прошитых УКМ рекомендуется определять и использовать конкретные локальные параметры с учетом масштабных эффектов.

1. Степанов Н. В., Соколова А. В., Синицын А. Ю. Особенности технологии изготовления лонжерона из композиционных материалов методом вакуумной инфузии / Конструкции из композиционных материалов. 2016. № 3. С. 25 - 29.

2. Зимбицкий А. В., Стасюк Ю. В. Применение композиционных материалов в современном авиастроении;, контроль за их состоянием в эксплуатации / Научный вестник МГТУ ГА. 2014. № 208. С. 99 - 103.

3. Гуняев Г. М., Кривошей В. В., Румянцев А. Ф., Железина Г. Ф. Полимерные композиционные материалы в конструкциях летательных аппаратов / Конверсия в машиностроении. 2004. № 4. С. 65 - 69.

4. Старокадомский Д. Л., Решетник М. Н. Исследование реставрационных эпокси-композитов с исходными и водоотвержденными гипсовыми и цементными наполнителями / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2021. Т. 87. № 8. С. 34-35. DOI: 10.26896/1028-6861-2021-87-8-34-41

5. Полилов А. Н., Власов Д. Д., Татусь Н. А. Проектирование оптимальной формы и структуры армирования образца для корректного определения прочности однонаправленных композитов на растяжение / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2021. Т. 87. № 2. С. 43 - 52. DOI: 10.26896/1028-6861-2021-87-2-43-55

6. Татусь 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: 10.26896/1028-6861-2022-88-4-58-65

7. O’Brien К. Т. Development of a Composite Delamination Fatigue Life Prediction Methodology — NASA Technical reports server, 2009. https://ntrs.nasa.gov/api/citations/20090037430/down-loads/20090037430.pdf

8. Bertolini J., Castanie B., Barrau J.-J., Navarro J.-P. Multi-level experimental and numerical analysis of composite stiffener debonding / Composite Structures. 2009. Vol. 90. Part 1: Non-specific specimen level. P. 381-391. Part 2: Element and panel level. P. 392-403. DOI: 10.1016/j.compstruct.2009.04.002

9. Матвиенко Ю. Г., Махутов H. А., Васильев И. Е. и др. Оценка остаточной прочности композитных изделий на основе структурно-феноменологической концепции повреждений и акустико-эмиссионной диагностики / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2022. Т. 88. № 1. Ч. I. С. 69 - 70. DOI: 10.26896/1028-6861-2022-88-1-1-69-81

10. Оспенникова О. Г., Мараховский П. С., Воробьев Н. Н. и др. Исследование влияния направления армирования на идентификацию релаксационных переходов влагонасыщенного углепластика марки ВКУ-25 / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2021. Т. 87. № 9. С. 38 - 43. DOI: 10.26896/1028-6861-2021-87-9-38-43

11. Баренблатт Г. И. Математическая теория равновесных трещин, образующихся при хрупком разрушении / Прикладная механика и теоретическая физика. 1961. № 4. С. 3 - 56.

12. Бабаевский П. Г., Кулик С. Г. Трещиностойкость отвержденных полимерных композиций. — М.: Химия, 1991. — 336 с.

13. Комаров В. А., Одинцова С. А. Влияние пространственного армирования на несущую способность в зонах радиального перехода композитных конструкций / Сборник трудов XIX всероссийского семинара по управлению движением и навигации летательных аппаратов. — Самара, 2017. С. 79 - 82.

14. Бабаевский П. Г., Синицын А. Ю., Синицына А. В. Влияние трансверсальной прошивки на деформационно-прочностные характеристики и остаточную прочность после удара слоистого ПКМ на основе равнопрочной углеродной ткани и эпоксидного связующего / Конструкции из композиционных материалов. 2019. № 4. С. 39 - 44.

15. Komarov V. A., Pavlov A. A., Pavlova S. A., Charkviani R. V. Reinforcement of aerospace structural elements made of layered composite materials / Procedia Engineering. 2017. Vol. 185. P. 126 - 130. DOI: 10.1016/j.proeng.2017.03.329

16. Куперман A. M., Зеленский Э. С. Исследование возможности увеличения упруго-прочностных характеристик композитов путем их трехмерного армирования / Механика композиционных материалов и конструкций. 2001. Т. 7. № 4. С. 434 - 444.

17. Kimberley A. Dansfield, Lalit К. Jain, Yiu-Wing Mai. On the effects of stitching in CFRPs — I. MODE I delamination toughness / Composites Science and Technology. 1998. Vol. 58. P. 815 - 827. DOI: 10.1016/s0266-3538(97)00229-7

18. Rys T. P., Chen L., Sankar В. V. Mixed Mode Fracture Toughness of Laminated Stitched Composites / Abstract of thesis. 2004. Department of Mechanical and Aerospace Engineering. https://www.researchgate.net/publication/267771874_Mixed_Mode_Fracture_Toughness_of_Laminated_Stitched_Composites

19. Wood M., Sun X., Tong L., et al. The effect of stitch distribution on Mode I delamination toughness of stitched laminated composites — experimental results and FEA simulation / Composites Science and Technology. 2007. Vol. 67. P. 1058 - 1072. DOI: 10.1016/j.compscitech.2006.06.002

20. Pingkarawat K., Mouritz A. P. Stitched mendable composites: Balancing healing performance against mechanical performance / Composite Structures. 2015. Vol. 123. P. 54 - 64. DOI: 10.1016/j.compstruct.2014.12.034

21. Ghasemnejad H. Interlaminar Fracture Toughness of stitched FRP Composites / Computers and Mathematics in Automation and Materials Science. 2014. P. 93 - 96. https://www.seman-ticscholar.org/paper/Interlaminar-Fracture-Toughness-of-Stitched-FRP-Ghasemnejad/b5a4ba8bae64a5013fede7dd57530854b3642d67

22. Tarfaoui M., Hamitoche L., Khamassi S., Shah O. Examination of the Delamination of a Stitched Laminated Composite with Experimental and Numerical Analysis Using Mode I Interlaminar / Arabian Journal for Science and Engineering. 2020. Vol. 45. P. 5873 - 5882. DOI: 10.1007/s13369-020-04599-z

23. Stegschuster G., Pingkarawat G., Wendland B., Mouritz A. P. Experimental determination of the mode I delamination fracture and fatigue properties of thin 3D woven composites / Composites: Part A. 2016. Vol. 84. P. 308 - 315. DOI: 10.1016/j.compositesa.2016.02.008

24. Goktas D., Kennon W. R., Potluri P. Improvement of Mode I Interlaminar Fracture Toughness of stitched Glaa/Epoxy Composites / Appl Compos Mater. 2017. P. 351 - 375. DOI: 10.1007/s10443-016-9560-x

25. Abdelal N. R., Donaldson S. L. Interlaminar fracture toughness and electromagnetic interference shielding of hybrid-stitched carbon fiber composites / Journal of Reinforced Plastics and Composites. 2018. Vol. 0. N 0. P. 1-11. DOI: 10.1177/0731684418787642

26. Ravandi M., Teo W. S., Yong M. S., Tay T. E. Prediction of Mode I interlaminar fracture toughness of stitched flax fiber composites / Journal of Materials Science. 2018. Vol. 53. P. 4173 - 4188. DOI: 10.1007/s10853-017-1859-y

27. Abdelal N. R., Donaldson S. L. The Effect of Stitching with Conductive and Nonconductive Materials on the Mode I Interlaminar Fracture Toughness of Carbon Fiber Composites / Polymer Composites. 2018. Vol. 40. P. 1 - 11. DOI: 10.1002/pc.24958

28. Drake D., Sullivan R., Lovejoy A., et al. Influence of stitching on the out-of-plane behavior of composite materials — A mechanistic review / Journal of Composite Materials. 2021. Vol. 55(23). P. 3307-3321. DOI: 10.1177/00219983211009290

29. Ponnusami S. A., Hao Cui, Erice B., et al. A Wedge-DCB Test Methodology to Characterise High Rate Mode-I Interlaminar Fracture Properties of Fibre Composites / EPJ Web of Conferences. 2018. DOI: 10.1051/epjconf/201818302052

30. Riezzo M. A., Simmons M., Gonzalez C., Sket F. Dynamic characterization of interlaminar toughness in carbon fibre epoxy composite laminates / 18th European Conference on Composite Materials. Greece. Athens. 2018. https://az659834.vo.msecnd.net/eventsairwesteuprod/production-pcoconvin-public/b0с02сb638а647е791се853с2с19392с

31. Пат. 2627882 Российская Федерация, МПК7 В29С 70/08 (2006.01). Способ изготовления изделия из композиционного материала / Степанов Н. В., Соколова А. В., Синицын А. Ю., Мазур В. В., Портнова Я. М.; заявитель и патентообладатель Акционерное общество «Обнинское научно-производственное предприятие «Технология» им. А. Г. Ромашина. — №2016115135; заявл. 19.04.2016; опубл. 14.08.2017. Бюл. №23.

32. Пат. 2626413 Российская федерация, МПК7 В29С 70/44 (2006.01). Способ изготовления пропитанных смолой деталей из композиционного материала / Степанов Н. В., Соколова А. В., Войлочников А. И., Алексанян Р. А., Синицын А. Ю.; заявитель и патентообладатель Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) — №2016108244; заявл.09.03.2016; опубл. 27.07.2017. Бюл №21.