Анализ влияния укладки армирования волокнистого композиционного материала на неоднородность локализации деформаций и напряжений методом термоупругого отклика

Цель работы — исследование влияния направления армирования композиционного материала относительно циклической нагрузки на неоднородность распределения напряжений тепловым методом неразрушающего контроля за счет термоупругого эффекта. Данный метод широко применяется во всех отраслях промышленности для контроля элементов конструкции и в исследовательских работах. Степень неоднородности напряжений используется при выборе коэффициентов запаса прочности, необходимых для обеспечения безопасности технических объектов. В проведенном исследовании тепловым методом за счет термоупругого эффекта показана возможность оценки локального распределения напряжений по температурному полю объекта контроля. При этом температура упругого тела и механические напряжения связаны между собой линейно. Объекты исследования — ламинаты из композиционного материала, состоящего из волокнистого наполнителя (стекловолокна) с эпоксидной матрицей. Исследованы различные варианты укладки волокон по отношению к направлению нагрузки. Рассмотрены четыре варианта ламинатов: однослойные [0] и [90]; трехслойные [0]₃ и [90]₃. В работе использованы статистические данные и оценки коэффициентов вариации, методы кластеризации и усреднения по длине ламинатов значений распределения температуры по поверхности ламинатов. Получены числовые характеристики распределения локальных температур. Установлено, что их более однородное распределение происходит при армировании материала по направлению нагружения детали. Проведено сравнение интегральных и локальных характеристик распределения температур в образцах. Визуально отмечены отличия в локальном распределении температуры в зависимости от толщины ламината (однослойные и трехслойные). Нагрузка распределяется более равномерно при армировании в ее направлении, а также при увеличении количества слоев армирования. Результаты исследования показали, что выбор значения коэффициента безопасности, оценивающего уровень неоднородности напряжения, зависит от конструктивных особенностей ламинатов. В ходе эксплуатации изделий из композиционных материалов при наличии значительных накопленных повреждений, когда неравномерность их распределения усиливается, следует корректировать уровни коэффициентов безопасности.

1. 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

2. Тюменцев В. А., Фазлитдинова А. Г. Исследование структуры волокнистых углеродных материалов методом рентгеновской дифрактометрии / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2019. Т. 85. № 11. С. 31 – 36. DOI: 10.26896/1028-6861-2019-85-11-31-36

3. Биткина О. В., Биткина Е. В. Анализ технологических остаточных напряжений, возникающих в многослойных композитных панелях с несимметричной структурой пакета композита по толщине / Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2012. Т. 14. № 4(2). С. 561 – 567.

4. Антонов В. М., Аль-Накди И. А. Влияние армирования на характер напряжений в песчаном основании / Вестник науки и образования Северо-Запада России. 2020. Т. 20. № 1. С. 20 – 27.

5. Матвиенко Ю. Г., Васильев И. Е., Чернов Д. В. Исследование кинетики разрушения однонаправленного ламината с применением акустической эмиссии и видеорегистрации / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2019. Т. 85. № 11. С. 45 – 61. DOI: 10.26896/1028-6861-2019-85-11-45-61

6. Нестерук Д. А., Вавилов В. П. Тепловой контроль и диагностика. Учебное пособие для подготовки специалистов I, II, III уровня. — Томск: Издательство ТПУ, 2007. — 104 с.

7. Мойсейчик А. Е., Мойсейчик Е. А. Основы теплового контроля несущих конструкций с использованием деформационного теплообразования / Неразрушающий контроль и диагностика. 2014. № 3. С. 3 – 19.

8. Мойсейчик А. Е. Исследование и разработка метода теплового неразрушающего контроля стальных конструкций на основе механизма деформационного теплообразования: дис. ... докт. техн. наук. — Новосибирск, 2018. — 377 с.

9. Robinson A. F., Dulieu-Barton J. M., Quinn S., et al. A Review of Residual Stress Analysis using Thermoelastic Techniques / 7th International Conference on Modern Practice in Stress and Vibration Analysis IOP Publishing. Journal of Physics: Conference Series. 2009. 181 (012029). — 8 p.

10. Daiki Shiozawa, Takahide Sakagami, Yu Nakamura, et al. Fatigue Damage Evaluation of Short Carbon Fiber Reinforced Plastics Based on Phase Information of Thermoelastic Temperature Change / Sensors. 2017. N 17. P. 1 – 9.

11. Кенжалиев Б. К., Черноглазова Т. В., Мофа Н. Н. и др. Локализация пластической деформации и неравновесные структурно-деформационные превращения. — Алма-Аты: Издательство «Комплекс», 2004. — 271 с.

12. Панин В. Е., Егорушкин В. Е. Деформируемое твердое тело как нелинейная иерархически организованная система / Физическая мезомеханика. 2011. Т. 14. ¹ 3. С. 7 – 26.

13. Sambasivam S. Quinn, Dulieu-Barton J. M. Identification of the source of the thermoelastic response from orthotropic laminated composites. School of Engineering Sciences, University of Southampton, Highfield, Southampton SO17 1BJ, United Kingdom. https://www.researchgate.net/publication/240641936_Identification_of_the_source_of_the_thermoelastic_response_from_orthotropic_laminated_composites [процитировано 11 апреля 2023].

14. Дюкина Т. О. Модифицированный коэффициент корреляции. Труды XIX Международной конференции «Аналитика и управление данными в областях с интенсивным использованием (DAMDID / RCDL’2017)», Москва, Россия, 2018. С. 10 – 13.

15. Павлов А. Н., Анищенко В. С. Мультифрактальный анализ сложных сигналов/ Успехи физических наук. 2007. Т. 177. № 8. С. 859 – 876.

16. Ахметханов Р. С., Шульженко А. А. Электропроводность и фрактальные свойства углеродных нитей / Проблемы машиностроения и надежности машин. 2019. № 6. С. 85 – 91.

17. Кабалдин Ю. Г., Аносов М. С., Шатагин Д. А. и др. Оценка устойчивости структурного состояния металлических материалов при их деформации на основе подходов нелинейной динамики и фрактального анализа / Успехи современной науки. 2016. Т. 4. № 9. С. 100 – 107.

18. Klapetek P., Nečas D., Anderson Ch. Руководство пользователя. wyddion. http://gwyddion.net/download/user-guide/gwyddion-user-guide-en.pdf [процитировано 11 апреля 2023].