Совершенствование метода корреляции цифровых изображений в области анализа процессов деформирования и разрушения композитов

Приведены новые экспериментальные результаты, описывающие процессы деформирования и разрушения композитов с существенной структурной неоднородностью с концентраторами. Предложен масштабный подход к развитию метода корреляции цифровых изображений (КЦИ) при сложных режимах внешних воздействий. Рассмотрен ряд способов фиксации регистрируемых данных при циклических воздействиях. Изложены особенности каждого из представленных способов фиксации данных в зависимости от основной цели исследования на основании статических и циклических испытаний углепластиковых образцов. Представлены рекомендации к использованию опций «analog capture» и «flex capture» программы «vic snap». Рекомендации справедливы для решения задач, связанных с анализом закономерностей деформирования и разрушения объектов со структурной неоднородностью из полимерных композиционных материалов при различных режимах внешнего нагружения. Отражены основные методические особенности, возникающие при работе с бесконтактной оптической видеосистемой VIC-3D и использовании метода корреляции цифровых изображений на полимерных композиционных материалах. Проведено сравнение деформаций на структурном и макроскопическом уровнях. Предложены рекомендации по подбору параметров постобработки при расчете методом КЦИ. Предложен способ снижения краевого эффекта, возникающего при испытаниях образцов с концентратором на одноосное растяжение. Результаты проведенных исследований позволили получить новые экспериментальные данные о процессах развития дефектов и зон макроскопического разрушения в области отверстия, исключающие влияние краевой зоны.

1. Kaminski M., Laurin F., Maire F. J., et al. Fatigue damage modeling of composite structures: the ONERA viewpoint / AerospaceLab. 2015. N 9. P. 1 – 12. DOI: 10.12762/2015.AL09-06

2. Makhutov N. A., Gadenin M. M. Study of the generalized curves of the static and cyclic deformation, damage and fracture / Industr. Lab. Mater. Diagn. 2023. Vol. 89. N 5. P. 46 – 55 [in Russian]. DOI: 10.26896/1028-6861-2023-89-5-46-55

3. Degrieck J., Van Paepegem W. Fatigue damage modeling of fibre-reinforced composite materials: Review / ASME. Applied Mechanics Reviews. 2001. Vol. 54. N 4. P. 279 – 300. DOI: 10.1115/1.1381395

4. Panin S. V., Bogdanov A. A., Lyubutin P. S., et al. Optical strain measurement technique for estimating degradation of the properties of carbon fiber reinforced polymer composites under cyclic loading / Industr. Lab. Mater. Diagn. 2023. Vol. 89. N 1. P. 46 – 55 [in Russian]. DOI: 10.26896/1028-6861-2023-89-1-46-55

5. Makhutov N. A., Gadenin M. M., Yudina O. N. Analysis of the cyclic strength of technical systems in conditions of complex operation loading / Industr. Lab. Mater. Diagn. 2023. Vol. 89. N 10. P. 55 – 62 [in Russian]. DOI: 10.26896/1028-6861-2023-89-10-55-62

6. Matvienko Yu. G., Reznikov D. O., Kuzmin D. A., Potapov V. V. Assessment of the probability of the fatigue fracture of structural components subjected to deterministic and stochastic loading taking into account the scatter in the initial crack size / Industr. Lab. Mater. Diagn. 2021. Vol. 87. N 10. P. 44 – 53 [in Russian]. DOI: 10.26896/1028-6861-2021-87-10-44-53

7. Chen Y., Liu K., Xu Z., et al. A comprehensive experimental investigation of the rate-dependent interlaminar delamination behaviour of CFRP composites / Compos Part B. 2023. Vol. 261. 110788. DOI: 10.1016/j.compositesb.2023.110788

8. Harizi W., Chaki S., Bourse G., Ourak M. Damage mechanisms assessment of Glass Fiber-Reinforced Polymer (GFRP) composites using multivariable analysis methods applied to acoustic emission data / Composite Structures. 2022. Vol. 289. 115470. DOI: 10.1016/j.compstruct.2022.115470

9. Friedrich L., Colpo A., Maggi A., et al. Damage process in glass fiber reinforced polymer specimens using acoustic emission technique with low frequency acquisition / Composite Structures. 2021. Vol. 256. 113105. DOI: 10.1016/j.compstruct.2020.11310

10. Tumanov N. V. Staging of fatigue crack kinetics: patterns and features / Industr. Lab. Mater. Diagn. 2024. Vol. 90. N 1. P. 58 – 71 [in Russian]. DOI: 10.26896/1028-6861-2024-90-1-58-71

11. Khoshmanesh S., Watson S. J., Zarouchas D. The effect of the fatigue damage accumulation process on the damping and stiffness properties of adhesively bonded composite structures / Composite Structures. 2022. Vol. 287. 115328. DOI: 10.1016/j.compstruct.2022.115328

12. Alam P., Mamalis D., Robert C., et al. The fatigue of carbon fibre reinforced plastics — A review / Composites Part B: Engineering. 2019. Vol. 166. P. 555 – 579. DOI: 10.1016/j.compositesb.2019.02.016

13. Alves M., Pimenta S. A computationally-efficient micromechanical model for the fatigue life of unidirectional composites under tensiontension loading / Int. J. Fatigue. 2018. Vol. 116. P. 677 – 690. DOI: 10.1016/j.ijfatigue.2018.05.017

14. Anastasios P. Vassilopoulos Fatigue life prediction of composites and composite structures. 2nd Edition. 2019. P. 762. DOI: 10.1016/C2017-0-02509-0

15. Gu Y., Zhang D., Zhang Z., et al. Torsion damage mechanisms analysis of two-dimensional braided composite tubes with digital image correction and X-ray micro-computed tomography / Composite Structures. 2021. Vol. 256. 113020. DOI: 10.1016/j.compstruct.2020.113020

16. Xu D. H., Cerbu C., Wang H. W., Rosca I. C. Analysis of the hybrid composite materials reinforced with natural fibers considering digital image correlation (DIC) measurements / Mech. Mater. 2019. Vol. 135. P. 46 – 56. DOI: 10.1016/j.mechmat.2019.05.001

17. Azadi M., Saeedi M., Mokhtarishirazabad M., Lopez-Crespo P. Effects of loading rate on crack growth behavior in carbon fiber reinforced polymer composites using digital image correlation technique. Compos. Part B. Eng. 2019. Vol. 175. 107161. DOI: 10.1016/j.compositesb.2019. 107161

18. Harenberg S., Pahn M., Malárics-Pfaff V., et al. Digital image correlation strain measurement of ultra-high-performance concrete-prisms under static and cyclic bending-tensile stress / Structural Concrete. 2019. Vol. 20. P. 1220 – 1230. DOI: 10.1002/suco.201900033

19. Staroverov O., Mugatarov A., Yankin A., Wildemann V. Description of Fatigue Sensitivity Curves and Transition to Critical States of Polymer Composites by Cumulative Distribution Functions / Frattura Ed Integrità Strutturale. 2022. Vol. 17. N 63. P. 91 – 99. DOI: 10.3221/igf-esis.63.09

20. Staroverov O., Lobanov D., Strungar E., Lunegova E. Evaluation of the influence of preliminary low-velocity impacts on the residual fatigue life of CFRP composites / International Journal of Structural Integrity. 2023. Vol. 14. N 1. P. 44 – 56. DOI: 10.1108/ijsi-04-2022-0056

21. Wildemann V., Staroverov O., Strungar E., et al. Mechanical Properties Degradation of Fiberglass Tubes during Biaxial Proportional Cyclic Loading / Polymers. 2023. Vol. 15. N 9. 2017. DOI: 10.3390/polym15092017

22. Xu D. H., Cerbu C., Wang H. W., Rosca I. C. Analysis of the hybrid composite materials reinforced with natural fibers considering digital image correlation (DIC) measurements / Mech. Mater. 2019. Vol. 135. P. 46 – 56. DOI: 10.1016/j.mechmat.2019.05.001

23. Pankow M., Justusson B., Riosbaas M., et al. Effect of fiber architecture on tensile fracture of 3D woven textile composites / Compos. Struct. 2019. Vol. 225. DOI: 10.1016/j.compstruct.2019. 1111394

24. Strungar E. M., Lobanov D. S. Development of the digital image correlation (DIC) method for mechanical testing at elevated temperatures / PNRPU Mech. Bull. 2022. N 3. P. 147 – 159. DOI: 10.15593/perm.mech/2022.3.15