Ускоренная оценка предела выносливости полимерных композиционных материалов методом инфракрасной термографии

Для обеспечения надежности элементов конструкций из полимерных композиционных материалов, работающих в условиях вибрации, необходимо располагать данными о сопротивлении их разрушению вследствие многоцикловой усталости. Традиционный подход к определению характеристик усталостной прочности материалов предполагает проведение длительных дорогостоящих испытаний. Для ускоренной оценки предела выносливости в последние годы активно развивается метод инфракрасной термографии, основанный на использовании эффекта саморазогрева материала при циклических нагрузках, превышающих предел выносливости. Цель данной работы — разработка в рамках метода инфракрасной термографии методики экспериментальной экспресс-оценки предела выносливости полимерных композиционных материалов на примере слоистого углепластика, обоснование выбора контролируемых параметров теплового состояния образцов и обработки результатов. Стандартные образцы из углепластика подвергали блочному циклическому нагружению в цикле растяжение-растяжение на электрорезонансной испытательной машине. В процессе нагружения регистрировали температуру поверхности образцов с помощью прецизионной инфракрасной камеры. Сравнивали четыре варианта обработки результатов испытаний: по максимальной и осредненной по поверхности образца стабилизационной температурам в блоках нагружения, а также по скоростям нарастания максимальной и осредненной температур в начале блока нагружения. Оценки предела выносливости, полученные отмеченными четырьмя вариантами метода обработки термограмм, хорошо согласуются между собой и с результатами стандартных усталостных испытаний. Предложена процедура, позволяющая исключить субъективный фактор при аппроксимации экспериментальных данных о температуре саморазогрева образцов за счет использования коэффициента детерминации R². Применение метода инфракрасной термографии дает возможность существенно сократить количество испытываемых образцов, трудоемкость и продолжительность работ по сравнению со стандартными усталостными испытаниями. Это позволяет рекомендовать предложенную методику для получения экспресс-оценки предела выносливости композиционных материалов на стадии разработки изделий из них — при выборе конструкторских и технологических решений.

1. Kelly A. Very Stiff Fibres Woven into Engineering’s Future: a Long Term Perspective / J. Mater. Sci. 2009. N 1. P. 38 – 49.

2. Mishkin S. I. The use of carbon fiber plastics in the designs of unmanned vehicles (review) / Trudy VIAM. 2022. N 5. P. 8 – 20. DOI: 10.18577/2307-6046-2022-0-5-87-95

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

4. Guseinov K., Kudryavtsev O. A., Sapozhnikov S. B. Effectiveness of 2-D and 3-D modelling of dovetail joint of composite fan blade for choosing rational reinforcement schemes / PNRPU mechanics bulletin. 2021. N 1. P. 5 – 11. DOI: 10.15593/perm.mech/2021.1.01

5. Strizhius V. E. Evaluation of fatigue life of layered composites using normalized fatigue curves / Materialoved. Énerget. 2020. Vol. 26. N 3. P. 20 – 32 [in Russian]. DOI: 10.18721/JEST.26302

6. Sevenois R. D. B., Van Paepegem W. Fatigue Damage Modeling Techniques for Textile Composites: Review and Comparison with Unidirectional Composite Modeling Techniques / Appl. Mech. Rev. 2015. P. 12 – 27.

7. Kulkarni P. V., Sawant P. J., Kulkarni V. V. Fatigue life prediction and modal analysis of carbon fiber reinforced composites / Advances in Materials and Processing Technologies. 2018. Vol. 4. N 4. P. 651 – 659. DOI: 10.1080/2374068X.2018.1488799

8. Collins D. A. Failure of Materials in Mechanical Design. Analysis, Prediction, Prevention. — A Wiley Interscinece Publication, 1981. — 672 p.

9. Stepnov M. N., Zinin A. V. Prediction of fatigue resistance characteristics of materials and structural elements. — Moscow: Innovatsionnoe mashinostroenie, 2016. — 392 p. [in Russian].

10. Troshchenko V. T., Sosnovsky L. A. Fatigue resistance of metals and alloys. — Naukova dumka, 1987. — 505 p. [in Russian].

11. Luong M. P. Infrared thermographic scanning of fatigue in metals / Nuclear Engineering and Design. 1995. P. 363 – 376.

12. La Rosa G., Risitano A. Thermographic methodology for rapid determination of the fatigue limit of materials and mechanical components / International Journal of Fatigue. 2000. Vol. 22. P. 65 – 73.

13. Zaeimi M., De Finis R., Palumbo D., Galietti U. Fatigue limit estimation of metals based on the thermographic methods: A comprehensive review / Fatigue Fract. Eng. Mater. Struct. 2024. Vol. 47. N 3. P. 611 – 646. DOI: 10.22541/au.169088976.68628552/v1

14. Mahmoudi A., Khonsari M. M. Rapid evaluation of fatigue limit using energy dissipation / Fatigue Fract. Eng. Mater. Struct. 2023. Vol. 46. P. 2156 – 2167.

15. Terekhina A. I., Fedorova A. Yu., Bannikov M. V., Plekhov O. A. Development of a method for estimating the endurance limit of a material based on infrared thermography data / Vestnik PNIPU. Mekhanika. 2012. N 1. P. 115 – 127.

16. Liu T., Wang Z., Chen H., Wei X. Rapid Fatigue Limit Estimation of Metallic Materials Using Thermography-Based Approach / Metal. 2023. Vol. 13. P. 1130 – 1147. DOI: 10.3390/met13061147

17. Dusautoir B., Berthel S., Fouvry P., Matzen K.-D. Influence of post-processing treatments on fatigue limit of notched additive manufactured Ti-6AL-4V determined by rapid thermographic methodology / International Journal of Fatigue. 2024. P. 1 – 16. DOI: 10.1016/j.ijfatigue.2023.108034

18. Bemani M., Parareda S., Casellas D., et al. Rapid fatigue evaluation of additive manufactured specimens: Application to stainless steel AISI 316L obtained by laser metal powder bed fusion / International Journal of Fatigue. 2024. Vol. 184. P. 1 – 9. DOI: 10.1016/j.ijfatigue.2021.106207

19. Santonocito D., Gatto A., Risitano G. Energy release as a parameter for fatigue design of additive manufactured metals / Mat. Design. Process Comm. 2021. P. 255 – 273. DOI: 10.1002/mdp2.255

20. Bai G., Lamboul B., Paulmier P., et al. Fast fatigue limit estimation of woven composite materials by self-heating analysis / The First QIRT-ASIA Conference on Quantitative Infrared Thermography. 2015. P. 1 – 7. DOI: 10.21611/qirt.2015.0026

21. Huang J., Garnier C., Pastor M.-L., Gong X. J. Investigation of self-heating and life prediction in CFRP laminates under cyclic shear loading condition based on the infrared thermographic data / Engineering Fracture Mechanics. 2020. Vol. 229. P. 327 – 359. DOI: 10.1016/j.engfracmech.2020.106971

22. Li A., Huang J., Zhang C. Enabling rapid fatigue life prediction of short carbon fiber reinforced polyether-ether-ketone using a novel energy dissipation-based model / Composite structures. 2021. Vol. 272. P. 1 – 36. DOI: 10.1016/j.compstruct.2021.114227

23. Montesano J., Fawaz Z., Bougherara H. Use of infrared thermography to investigate the fatigue behavior of a carbon fiber reinforced polymer composite / Composite Structures. 2013. Vol. 97. P. 76 – 83.

24. Colombo C., Bhujangrao T., Libonati F., Vergani L. Effect of delamination on the fatigue life of GFRP: A thermographic and numerical study / Composite Structures. 2019. Vol. 218. P. 152 – 161. DOI: 10.1016/j.compstruct.2019.03.023

25. Muller L., Roche J.-M., Hurmane A., et al. Investigation of self-heating and damage progression in woven carbon fibre composite materials, following the fibres direction, under static and cyclic loading / Journal of Composite Materials. 2021. Vol. 55. N 26. P. 3909 – 3924. DOI: 10.1177/00219983211025690

26. Najd J., Harizi W., Aboura Z., et al. Rapid estimation of the fatigue limit of Smart Polymer-Matrix Composites (PMC) using the self-heating tests / Composite Structures. 2022. Vol. 282. P. 115 – 126. DOI: 10.1016/j.compstruct.2021.115039

27. Yamamoto T., Ogawa Y., Hayashi M., et al. Fatigue limit estimation based on dissipated energy of butt laser-welded joints / Eng. Proc. 2023. Vol. 51. N 47. P. 22 – 26. DOI: 10.3390/engproc2023051047

28. Faria J. J. R., Fonseca L. G. A., Faria A. R., et al. Determination of the fatigue behavior of mechanical components through infrared thermographyc / Engineering Failure Analysis. 2022. Vol. 134. P. 106 – 118. DOI: 10.1016/j.engfailanal.2021.106018

29. Solomonov D. G., Sazhenkov N. A., Konev I. P., et al. Patterns of fatigue failure of a typical composite flange / Vestn. Perm. Nats. Issl. Politekhn. Univ. Mekh. 2023. N 3. P. 145 – 153. DOI: 10.15593/perm.mech/2023.3.12

30. Solomonov D. G., Nihamkin M. Sh., Toropicina A. V. Selection of structurally similar elements for fatigue testing of aircraft structures made of polymer composite materials / Vestn. Perm. Nats. Issl. Politekhn. Univ. Aerokosm. Tekhn. 2022. N 69. P. 62 – 70. DOI: 10.15593/2224-9982/2022.69.07

31. Solomonov D. G. Patterns of thermal behavior of G-shaped flanges made of polymer structural materials under cyclic loading / Vestn. Perm. Nats. Issl. Politekhn. Univ. Aerokosm. Tekhn. 2023. N 74. P. 30 – 38. DOI: 10.15593/2224-9982/2023.74.03

32. Balakirev A. A., Gladkii I. L., Mekhonoshin G. V., et al. Experimental study of the patterns of fatigue failure of thick carbon fiber laminated rods / Vestn. Perm. Nats. Issl. Politekhn. Univ. Aerokosm. Tekhn. 2023. N 72. P. 111 – 124. DOI: 10.15593/2224-9982/2023.72.09

33. Eder M. A., Sarhadi A., Chen X. A novel and robust method to quantify fatigue damage in fibre composite materials using thermal imagine analysis / International Journal of Fatigue. 2021. Vol. 150. P. 8. DOI: 10.1016/j.ijfatigue.2021.106326

34. Nourian-Avval A., Khonsar M. M. Rapid prediction of fatigue life based on thermodynamic entropy generation / International Journal of Fatigue. 2021. Vol. 145. P. 54 – 67. DOI: 10.1016/j.ijfatigue.2020.106105

35. Ignatova A. V., Bezmel’nitsyn A. V., Olivenko N. A., et al. Prediction of self-heating of fiberglass during cyclic bending / Mekh. Kompozit. Mater. 2022. Vol. 58. N 6. P. 1125 – 1144. DOI: 10.22364/mkm.58.6.02

36. Iziumova A. Yu., Vshivkov A. N., Prokhorov A. E., et al. Heat dissipation and acoustic emission features of titanium alloys in cyclic deformation mode / Acta Mechanica. 2021. DOI: 10.1007/s00707-020-02911-4 — EDN LDJZBU.

37. Ajrapetyan V. S., Kurilenko G. A. Analysis of the accuracy of determining individual endurance limits of thermographic method / Interekspo Geo-Sibir. 2017. Vol. 8. P. 134 – 140.

38. Belousov I. S., Bespalov V. A. Experimental determination of the interlayer fracture toughness of a composite material / Industr. Lab. Mater. Diagn. 2023. Vol. 89. N 12. P. 81 – 87. DOI: 10.26896/1028-6861-2023-89-12-81-87

39. Akhmetkhanov R. S. Analysis of the effect of the direction of reinforcement of a fibrous composite material on the inhomogeneity of localization of deformations and stresses using the method of thermoelastic response / Industr. Lab. Mater. Diagn 2024. Vol. 90. N 3. P. 62 – 69. DOI: 10.26896/1028-6861-2024-90-3-62-69

40. Huang J., Pastor M.-L., Garnier C., Gong X. Rapid evaluation of fatigue limit on thermographic data analysis / International Journal of Fatigue. 2017. Vol. 104. P. 293 – 301.

41. Shahmirzaloo A., Leonetti D., Moonen S. P. G., Blok R. A statistical method for rapid determination of endurance limit based on a thermographic method / Proc. 11th International Conference on Fiber-Reinforced Polymer (FRP) Composites in Civil Engineering. 2023. P. 245 – 256. DOI: 10.5281/zenodo.8104731

42. Gornet L., Sudevan D., Rozycki P. A study of various indicators to determine the fatigue limit for woven carbon/epoxy composites under self-heating methodology / Procedia Engineering. 2018. Vol. 213. P. 161 – 172. DOI: 10.1016/j.proeng.2018.02.018