Экспериментальное определение вязкости межслойного разрушения композитного материала

При решении задачи моделирования распространения межслоевых дефектов в многослойных композитных материалах необходимо знать характеристики рассматриваемого материала, связанные с процессами разрушения. Цель данной работы — определение межслоевой вязкости разрушения в случае нормального отрыва — G_Ic. Представлены результаты испытаний по определению вязкости разрушения в условиях нормального отрыва. На основании полученных данных проведено конечно-элементное моделирование испытаний. Процесс расслоения моделировали с помощью подходов, наиболее распространенных в рамках метода конечных элементов: VCCT (virtual crack closure technique) и CZM (cohesive zone model). В данных подходах вязкость разрушения используется как основной параметр возникновения расслоения. Проведено сравнение полученных данных с экспериментом. Для подтверждения корректности экспериментальных данных вязкости разрушения G_Iс проведено моделирование процесса испытаний на сжатие образца типа полоса с дефектом в виде сквозного непроклея. Данная задача включает в себя нелинейный статический расчёт с учетом потери устойчивости и последующего закритического поведения и, как следствие, распространения зоны расслоения. Результаты, полученные с помощью конечно-элементного моделирования, согласуются с имеющимися экспериментальными данными.

1. Sridharan S. (ed.). Delamination behaviour of composites. 1st ed. — NW: Woodhead Publishing, 2008. — 788 p.

2. Chermoshentseva A. S. Development of a technique for increasing the strength of thin-walled structural elements made of composite materials with delamination-type defects: dis. phd. — Moscow, 2018. — 168 p. [in Russian].

3. Zhiharev M. V. Estimation of the strength of high-loaded plates made of composite materials under local impact. Candidate’s Thesis — Chelyabinsk, 2019. — 125 p. [in Russian].

4. Mortell D. J., Tanner D. A., McCarthy C. T. In-situ SEM study of transverse cracking and delamination in laminated composite materials / Composites Science and Technology. 2014. Vol. 105. P. 118 – 126. DOI: 10.1016/j.compscitech.2014.10.012

5. Urnev A. S., Chernyatin A. S., Matvienko Y. G., Razumovskii I. A. Experimental and numerical sizing of a delamination defect in layered composite material / Industr. Lab. Mater. Diagn. 2018. Vol. 84. N 10. P. 59 – 66 [in Russian]. DOI: 10.26896/1028-6861-2018-84-10-59-66

6. Bokhoeva L. A. Peculiarities of strength calculation of structural elements made of isotropic and composite materials with permissible defects. — Ulan-Ude: VSGTU, 2007. — 192 p. [in Russian].

7. Refahi Oskouei A., Zucchelli A., Ahmadi M., Minak G. An integrated approach based on acoustic emission and mechanical information to evaluate the delamination fracture toughness at mode I in composite laminate / Materials & Design. 2010. Vol. 32. P. 1444 – 1455. DOI: 10.1016/j.matdes.2010.08.048

8. Heidari-Rarani M., Sayedain M. Finite element modeling strategies for 2D and 3D delamination propagation in composite DCB specimens using VCCT, CZM and XFEM approaches / Theor. Appl. Fracture Mech. 2019. Vol. 103. DOI: 10.1016/j.tafmec.2019.102246

9. Ekhtiyari A., Alderliesten R., Shokrieh M. M. Loading rate dependency of strain energy release rate in mode I delamination of composite laminates / Theor. Appl. Fracture Mech. 2021. Vol. 112. DOI: 10.1016/j.tafmec.2021.102894

10. Krueger R. Virtual crack closure technique: History, approach, and applications / Appl. Mech. Rev. Vol. 57(2). P. 109 – 143. DOI: 10.1115/1.1595677

11. Irwin G. Analysis of stresses and strains near the end of the crack traversing a plate / J. Appl. Mech. 1957. Vol. 24. P. 361 – 364.

12. Dugdale D. S. Yielding of steel sheets containing slits / J. Mech. Phys. Solids. 1960. Vol. 8. P. 100 – 104. DOI: 10.1016/0022-5096(60)90013-2

13. Barenblatt G. I. The Mathematical Theory of Equilibrium Cracks in Brittle Fracture / Adv. Appl. Mech. 1962. Vol. 7. P. 55 – 129. DOI: 10.1016/S0065-2156(08)70121-2

14. Tamuzs V., Tarasovs S., Viks U. Progressive delamination and fiber bridging modeling in double cantilever beam composite specimens / Eng. Fracture Mech. 2001. Vol. 68. P. 513 – 525. DOI: 10.1016/S0013-7944(00)00131-4

15. Liaojun Yao, Jurui Liu, Zhangming Lyu, Alderliesten R. C., Cui Hao, Chuanxi Ren, Licheng Guo. In-situ damage mechanism investigation and a prediction model for delamination with fibre bridging in composites / Eng. Fracture Mech. 2023. Vol. 281. DOI: 10.1016/j.engfracmech.2023.109079

16. Shokrieh M. M., Salamat-talab M., Heidari-Rarani M. Dependency of bridging traction of DCB composite specimen on interface fiber angle / Theor. Appl. Fracture Mech. 2017. Vol. 90. P. 22 – 32. DOI: 10.1016/j.tafmec.2017.02.009

17. Maksimenko V. N., Olegin I. P., Pustovoi N. V. Methods for calculating the strength and stiffness of structural elements made of composites: textbook. — Novosibirsk: NSTU, 2015. — 424 p. [in Russian].

18. Shokrieh M. M., Rajabpour-Shirazi H., Heidari-Rarani M., Haghpanahi M. Simulation of mode I delamination propagation in multidirectional composites with R-curve effects using VCCT method / Computational Materials Science. 2012. Vol. 65. P. 66 – 73.