Оценка точности упрощенных методов послойного расчета композитных конструкций

Для применения стандартного метода послойного расчета композитных конструкций должен быть определен полный набор упругих характеристик материала, что связано со множеством трудностей. В работе рассмотрены некоторые методы приближенных оценок упругих констант монослоев и симметричных пар слоев композитов, используемых, в частности, для создания сосудов давления. Определена погрешность восстановления упругих постоянных материала на основе известного большего модуля Юнга. Установлено, что на эту погрешность, помимо степени анизотропии композита, существенно влияет разброс экспериментальных данных в используемой выборке свойств композитов одного класса (углепластики, стеклопластики или органопластики), что должно быть учтено при проведении расчетов. Эти выводы проиллюстрированы расчетами напряжений в парах слоев композитного сосуда давления. Сопоставлены результаты методов послойного расчета с применением полного набора упругих констант и с помощью приближенной оценки упругих констант через инварианты преобразования упругих модулей. Показано, что для обладающих высокой степенью анизотропии композитных материалов типа углепластиков, в которых модуль вдоль волокон существенно превосходит остальные упругие постоянные, приближенные методы позволяют проводить расчеты композитных конструкций с приемлемой точностью, не прибегая к громоздким вычислительным процедурам.

1. Rabotnov Yu. N. Mechanics of deformable solid. Textbook for students of mechanical, mathematical and physical specialties of universities. — Moscow: Nauka, 1988. — 712 p. [in Russian].

2. Tsai S. W., Melo J. D. D., Sihn S., et al. Composite Laminates. Theory and practice of analysis, design and automated layup. — Stanford University Composites Design Group, 2017. — 373 p.

3. Tsai S. W. Double-Double: New Family of Composite Laminates / AIAA Journal. 2021. Vol. 59. N 11. DOI: 10.2514/1.J060659

4. Arteiro A., Pereira L. F., Bessa M. A., et al. A micromechanics perspective to the invariant-based approach to stiffness / Compos. Sci. Technol. 2019. DOI: 10.1016/j.compscitech.2019.04.002

5. Tsai S. W., Sihn S., Melo J. D. D. Trace-based stiffness for a universal design of carbon fiber reinforced composite structures / Compos. Sci. Technol. 2015. DOI: 10.1016/j.compscitech.2015.08.003

6. Vermes B., Tsai S. W., Riccio A., et al. Application of the Tsai’s modulus and double-double concepts to the definition of a new affordable design approach for composite laminates / Composite Structures. 2020. DOI: 10.1016/j.compstruct.2020.113246

7. Vasiliev V. V., Moroz N. G. Composite pressure vessels — design, calculation, fabrication and testing. — Moscow: Mashinostroenie, 2015. — 372 p. [in Russian].

8. Polilov A. N., Sklemina O. Yu., Tatus’ N. A. Ply-by-ply calculation method and strength criteria for composite pressure vessels wound with symmetrical pairs of layers. Part 1. Features of layer-by-layer method of calculation of composite structure made of symmetrical pairs of layers / Mechanical engineering and engineering education. 2020. N 3(64). P. 21 – 30 [in Russian].

9. Polilov A. N., Vlasov D. D., Sklemina O. Yu., Tatus’ N. A. Strength criteria of obliquely wound composite tubes under biaxial tension / Strength of Materials. 2021. Vol. 53. N 5. P. 765 – 774. DOI: 10.1007/s11223-021-00342-7

10. Skleznev A., Azarov A., Babichev A. A., et al. To the Problem of Pressure-Tightness of Composite Pressure Vessels / Composites and Nanostructures. 2023. Vol. 15. P. 1 – 12. DOI: 10.36236/1999-7590-2023-15-1-1-12

11. Chao L., Yaoyao S. Design optimization for filament wound cylindrical composite internal pressure vessels considering process-induced residual stresses / Composite Structures. 2020. Vol. 235. DOI: 10.1016/j.compstruct.2019.111755

12. Saha P., Hossain M. F., Rana M. S., Ferdous M. S. Numerical Modeling of Kevlar/Jute Fiber and Hybrid Composite Pressure Vessels / Carbon Trends. 2023. Vol. 13. DOI: 10.1016/j.cartre.2023.100304

13. Błachut A., Kaleta J., Detyna J., et al. Multiscale analysis of composite pressure vessel structures wound with different fiber tensile force / Composite Structures. 2024. Vol. 337. DOI: 10.1016/j.compstruct.2024.118065

14. Vermes B., Tsai S. W., Riccio A., et al. Application of the Tsai’s modulus and double-double concepts to the definition of a new affordable design approach for composite laminates / Composite Structures. 2021. DOI: 10.1016/j.compstruct.2020.113246

15. Barbero E. J. Universal carpet plots for stiffness and strength of carbon/epoxy laminates / The Composites and Advanced Materials Expo Conference Proceedings. 2017. P. 1 – 11.

16. Garofano A., Sellitto A., Acanfora V., et al. On the effectiveness of double-double design on crashworthiness of fuselage barrel / Aerospace Science and Technology. 2023. Vol. 140. DOI: 10.1016/j.ast.2023.108479

17. Vlasov D. D., Sklemina O. Yu., Polyakov A. E. On simplified methods of determination of elastic constants of layered polymer composites / Plastic masses. 2023. N 11 – 12. P. 17 – 20 [in Russian].

18. Olegin I. P., Burnysheva T. V., Laperdina N. A. Determination of the Effective Stiffness of a Unidirectional Layer by the Finite Element Method and Approximate Formulas / Industr. Lab. Mater. Diagn. 2021. Vol. 87. N 3. P. 40 – 50 [in Russian]. DOI: 10.26896/1028-6861-2021-87-3-40-50

19. Dudarkov Yu. I., Limonin M. V. Determination of the transverse shear stress in layered composites / Industr. Lab. Mater. Diagn. 2020. Vol. 86. N 2. P. 44 – 53 [in Russian]. DOI: 10.26896/1028-6861-2020-86-2-44-53