Анализ эффективности современных методов испытаний при сдвиге в плоскости листа образцов из высокопрочных углепластиков

В процессе проведения механических испытаний для определения сдвиговых характеристик современных углепластиков возникают существенные проблемы. Это в первую очередь связано с трудностями реализации однородного распределения сдвиговых напряжений в рабочей части образцов, особенно при определении прочностных характеристик современных ПКМ на основе высокомодульных или высокопрочных углеродных волокон с укладкой [±45°]g. В отличие от образцов из однонаправленных композитов свойства такого материала зависят от качества не только матрицы, но и волокон. Кроме того, следует отметить наличие большого количества методов испытаний при сдвиге в плоскости листа и соответствующих им стандартов. При этом результаты испытаний, выполненных по различным стандартам, на практике, как правило, не согласуются друг с другом. В работе проведен анализ сдвиговых характеристик углепластиков, полученных в результате применения различных методов испытаний. Получены расчетные и экспериментальные данные распределения напряженно-деформированного состояния (НДС) для различных типов образцов. Экспериментальные прочностные и упругие характеристики углепластиков при сдвиге в плоскости листа определены в процессе испытаний 125 плоских образцов, изготовленных из четырех марок углепластиков, армированных слоями ±45. Установлено, что ни один из рассмотренных в данной работе стандартизованных методов не обеспечивает равномерного распределения сдвиговых напряжений в рабочей зоне испытываемого образца. Значения прочности, наиболее близкие к прогнозируемым, получены на образцах, выполненных по стандарту ASTM D7078 (ГОСТ Р 57207) на основе метода перекашивания пластины с V-образным вырезом. В то же время метод перекашивания пластины в шарнирном четырехзвеннике (ГОСТ 24778, ASTM D2719) и метод Иосипеску (ASTM D5379, ГОСТ Р 56799) однозначно не могут быть использованы для достоверного определения прочностных характеристик при сдвиге современных углепластиков, армированных слоями ±45°.

1. Tarnopolskiy Yu. М., Kintsis Т. Ya. Static test methods for reinforced plastics. 3rd edition. — Moscow: Khimiya, 1981. — 272 p. [in Russian].

2. Adams D. F. A comparison of shear test methods. Composites World. 2009. https://www.compositesworld.com/ articles/a-comparison-of-shear-test-methods

3. Adams D. F. V-notched shear testing of composites. Composites World. 2015. https://www.compositesworld.com/articles/vnotched-shear-testing-of-composites

4. Arnautov A., Bax T. Determination of in-plane shear characteristics of composite materials with [±45°] layup / Mekh. Kompozit. Mater. 1996. Vol. 32. N 2. E 256 - 264 [in Russian].

5. Popov A. G., Matyushevsky N. V. Abstracts of the XX International scientific and technical conference "Structures and technologies of production from nonmetallic materials". — Obninsk, 2013. E 146 - 148 [in Russian].

6. Park S. Y., Choi W. J. Review of material test standardization status for the material qualification of laminated thermosetting composite structures / J. Reinforced Plast. Composites. 2020. Vol. 40. N 5 - 6. E 235 - 258. DOE 10.1177/0731684420958107

7. Taheri-Behrooz F, Moghaddam H. S. Nonlinear numerical analysis of the V-notched rail shear test specimen / Folymer Testing. 2018. Vol. 65. E 44 - 53. DOE 10.1016/j.polymertesting.2017.11.008

8. Alfutov N. A., Zinoviev P. A., Popov В. G. Calculation of multilayered plates and shells. — Moscow: Mashinostroenie, 1984. — 264 p. [in Russian].

9. Polovyi A. O., Lisachenko N. G. Approximation of non-linear in-plane shear stress-strain diagrams of unidirectional and cross-ply reinforced polimer matrix composites / Zavod. Lab. Diagn. Mater. 2022. Vol. 88. N 4. E 48 - 57 [in Russian]. DOI: 10.26896/1028-6861-2022-88-4-48-57

10. Ilichev A. V, Gubin A. M., Akmeev A. R., Ivanov N. V Definition of area of the maximum shear deformations for CFRP samples on Iosipescu method, with use of optical system of measurements / Tr. VIAM. 2018. N 6(66). E 99 - 109 [in Russian]. DOI: 10.18577/2307-6046-2018-0-6-99-109

11. Tan W., Falzon B. G. Modelling the nonlinear behaviour and fracture process of AS4/PEKK thermoplastic composite under shear loading / Compos. Sci. Technol. 2016. Vol. 126. E 60 - 77. DOI: 10.1016/j.compscitech.2016.02.008

12. An Q., Merzkirch M., Forster A. Characterizing Fiber Reinforced Polymer Composites Shear Behavior with Digital Image Correlation. — American Society for Composites. 33rd Technical Conference Proceedings. — Seattle, 2018. DOI: 10.12783/ASC33/25914

13. Bru Т., Hellstrom P., Gutkin R., et al. Characterisation of the mechanical and fracture properties of a uni-weave carbon fibre/epoxy non-crimp fabric composite / Data in Brief. 2016. Vol. 6. E 680 - 695. DOI: 10.1016/j.dib.2016.01.010

14. Adams D. F. The Picture Frame Shear Test method. Composites World. 2014. https://www.compositesworld.com/articles/the-picture-frame-shear-test-method

15. Chaterjee S., Adams D., Oplinger W. D. Test Methods for Composites: A Status Report. Vol. 3. Shear Test Methods. DOT/FAAICT-93/1 7, III. Final Report. National Technical Information Service. — Springfield, VA, 1993. — 117 p.

16. Polilov A. N. Etudes on Composite Mechanics. — Moscow: Fizmatlit, 2015. — 320 p. [in Russian].

17. Baere I. D., Paepegem W., Degrieck J. Design of a modified three-rail shear test for shear fatigue of composites / Polymer Testing. 2008. N 27. E 346 – 359. DOI: 10.1016/j.polymertesting.2007.12.006

18. Hussain A. K., Adams D. F. Experimental Evaluation of the Wyoming-modified Two-rail Shear Test Method for Composite Materials / Exp. Mech. 2004. Vol. 44. N 4. E 354 - 364. DOI: 10.1177/0014485104044317

19. Iosipescu N. New Accurate Procedure for Single Shear testing of Metals / J. Mater. 1967. Vol. 2. N 3. E 537 - 566.

20. Walrath D. E., Adams D. F. The Iosipescu Shear Test as Applied to Composite Materials / Exp. Mech. 1983. Vol. 23. N 1. E 105 - 110. DOI: 10.1007/BF02328688

21. Adams D. F., Walrath D. E. Further Development of the Iosipescu Shear Test Method / Exp. Mech. 1987. Vol. 27. N 2. P 113 - 119. DOI: 10.1007/BF02319461

22. Crossan M. Mechanical Characterization and Shear Test Comparison for Continuous-Fiber Polymer Composites. Electronic Thesis and Dissertation Repository. — Ontario, Canada, 2018. — 118 p. https://ir.lib.uwo.ca/etd/5408

23. Ifju P. G. The Shear Gage: For Reliable Shear Modulus Measurements of Composite Materials / Exp. Mech. 1994. Vol. 34. N 4. E 369 - 378. DOI: 10.1007/BF02325152

24. Conant N. R., Odom E. M. An improved Iosipescu shear test fixture / J. Compos. Technol. Res. 1995. Vol. 17. N 1. E 50 - 55. DOI: 10.1520/CTR10513J

25. Adams D. O., Moriarty J. M., Gallegos A. M., Adams D. F. Development and Evaluation of the V-Notched Rail Shear Test for Composite Laminates. DOT/FAA/AR-03/63. Final Report. National Technical Information Service. — Springfield, VA, 2003. — 90 p.

26. Adams D. F V-Notch Rail Shear test (ASTM D 7078-05). Composites World. 2009. https://www.compositesworld.com/articles/v-notch-rail-shear-test-astm-d-7078-05

27. Litz D. J. Development of the Combined Loading Shear Test Method and Shear Strain Measurement in the V-Notched Rail Shear Test. MS Thesis. — Department of Mechanical Engineering. University of Utah, 2012. — 126 p.

28. Adams D. O., Moriarty J. M., Gallegos A. M., Adams D. F. The V-Notched Rail Shear Test / J. Composite Mater. 2007. Vol. 41. N 3. E 281 - 297. DOI: 10.1177/0021998306063369

29. Liu G., Zhang L., Guo L., et al. A modified V-notched beam test method for interlaminar shear behavior of 3D woven composites / Composite Struct. 2017. Vol. 181. E 46 - 57. DOI: 10.1016/j.compstruct.2017.08.056