Раннее накопление повреждений при циклическом нагружении композиционной пластины с отверстием

Разработан и реализован новый экспериментальный метод, который обеспечивает количественное описание эволюции индикаторов повреждаемости при циклическом нагружении образцов, изготовленных из композиционного материала, с концентраторами напряжений. Эти индикаторы представляют собой деформационный отклик на нанесение искусственного надреза заданной длины, который распространяется при постоянной внешней нагрузке от контура центрального сквозного отверстия в плоском прямоугольном образце. Первый индикатор — это величина раскрытия надреза в точке его начала. Вторым индикатором служит тангенциальная компонента перемещений в направлении надреза, которая измеряется в его вершине. Оба индикатора определяли путем прямых физических измерений на основе подсчета количества интерференционных полос, которые визуализировали методом электронной спекл-интерферометрии. Значения индикаторов повреждаемости получены для набора образцов, которые отличаются степенью поврежденности. Построены зависимости обоих параметров от количества циклов нагружения. Представлены теоретические основы количественного анализа процесса накопления повреждений по экспериментальным данным, которые представляют собой эволюцию индикаторов повреждаемости при увеличении количества циклов нагружения. Разработанная методология применяется для количественного описания процесса накопления повреждений в ходе циклического нагружения прямоугольных пластин с центральным сквозным отверстием. Каждая пластина изготовлена из ортотропного композиционного материала. Исследуемые образцы, сформированные путем укладки волокон трех различных угловых ориентаций, подвергали нагружению с размахом напряжений 262,5 МПа и коэффициентом асимметрии цикла, равным –6,0. Для построения функции накопления повреждений в качестве условного предельного состояния выбрана точка, соответствующая образцу с максимальным количеством циклов нагружения, для которого получены значения индикаторов повреждаемости. Это значение равно 150 000 циклов, что составляет 41 % от средней долговечности испытанных образцов. Признаки межслойного расслоения во всех исследованных образцах отсутствовали. Функцию накопления повреждений строили в явном виде для выбранного диапазона циклов нагружения. Установлено, что оба индикатора приводят к одинаковым результатам. Полученные данные свидетельствуют, что в исследованном диапазоне скорость накопления повреждений не меняется с ростом количества циклов нагружения. Согласно принятым в настоящее время представлениям, такой характер накопления повреждений относится к первой стадии исследуемого процесса. Показано, что снижение величины деформационного отклика на нанесение искусственного надреза, которое происходит после приложения всего 1000 циклов нагружения, вызвано релаксацией компоненты остаточных напряжений, действующей в направлении внешней нагрузки.

1. Golovan V. I., Grishin V. I., Dzyuba A. S., et al. Design, numerical analysis and static tests of metallic-composite structures. — Moscow: Tekhnosfera, 2022. — 408 p. [in Russian].

2. Talreja R., Singh C. V. Damage and failure of composite materials. — Cambridge University Press, 2012. — 304 p.

3. Alderliesten R. C. Critical review on the assessment of fatigue and fracture in composite materials and structures / Eng. Fail. Anal. 2013. Vol. 35. P. 370 – 379. DOI: 10.1016/j.engfailanal.2013.03.022

4. Ma D., Verleysen P., Chandran S., et al. A modified peridynamic method to model the fracture behaviour of nanocomposites / Eng. Fract. Mech. 2021. Vol. 247. 107614. DOI: 10.1016/j.engfracmech.2021.107614

5. Li Xi, Kupski J., Teixeira S., et al. Unfolding the early fatigue damage process for CFRP cross-ply laminates / Int. J. Fatigue. 2020. Vol. 140. 105820. DOI: 10.1016/j.ijfatigue.2020.105820

6. Reifsnider K. L., Jamison R. Fracture of fatigue-loaded composite laminates / Int. J. Fatigue. 1982. Vol. 4. No. 4. P. 187 – 197. DOI: 10.1016/0142-1123(82)90001-9

7. Pakdel H., Mohammadi B. Stiffness degradation of composite laminates due to matrix cracking and induced delamination during tension-tension fatigue / Eng. Fract. Mech. 2019. Vol. 216. 106489. DOI: 10.1016/j.engfracmech.2019. 106489

8. Glud J. A., Dulieu-Barton J. M., Thomsen O. T., Overgaard L. C. T. Fatigue damage evolution in GFRP laminates with constrained off-axis plies / Compos. A Appl. Sci. Manuf. 2017. Vol. 95. P. 359 – 369. DOI: 10.1016/j.compositesa.2017.02.005

9. Pakdel H., Mohammadi B. Characteristic damage state of symmetric laminates subject to uniaxial monotonic-fatigue loading / Eng. Fract. Mech. 2018. Vol. 199. P. 86 – 100. DOI: 10.1016/j.engfracmech.2018.05.007

10. Saeedifar M., Hosseini H. The Effect of Interlaminar and Intralaminar Damage Mechanisms on the Quasi-Static Indentation Strength of Composite Laminates / Appl. Compos. Mater. 2023. Vol. 30. P. 871 – 866. DOI: 10.1007/s10443-023-10123-x

11. Dimitrienko Yu. I., Sokolov A. P. Multi-scale modeling of elastic composite materials / Matem. Model. 2003. Vol. 24. No. 5. P. 3 – 20 [in Russian].

12. Moure M. M., Sanchez-Saez S., Barbero E., Barbero E. J. Analysis of damage localization in composite laminates using a discrete damage model / Composites Part B. 2014. Vol. 66. P. 224 – 232. DOI: 10.1016/j.compositesb.2014.05.015

13. Dolgikh D. A., Tashkinov M. A. Investigation of damage accumulation and delamination growth in polymer composite materials proceeding from two-level failure models / PNRPU Mechanics Bulletin. 2020. No. 4. P. 74 – 85 [in Russian]. DOI: 10.15593/perm.mech/2020.4.07

14. Orifici A. C., Herszberg I., Thomson R. S. Review of methodologies for composite material modelling incorporating failure / Composite Structures. 2008. Vol. 86. No. 1 – 3. P. 194 – 210. DOI: 10.1016/j.compstruct.2008.03.007

15. Liu P., Xing L., Zheng J. Failure analysis of carbon fiber/epoxy composite cylindrical laminates using explicit finite element method / Composites Part B. 2014. Vol. 56. P. 54 – 61. DOI: 10.1016/j.compositesb.2013.08.017

16. Maimi P., Camanho P. P., Mayugo J. A., Davila C. G. A continuum damage model for composite laminates: Part I — Constitutive model / Mechanics of Materials. 2007. Vol. 39. No. 10. P. 897 – 908. DOI: 10.1016/j.mechmat.2007.03.005

17. Maimi P., Camanho P. P., Mayugo J. A., Davila C. G. A continuum damage model for composite laminates: Part II — Computational implementation and validation / Mechanics of Materials. 2007. Vol. 39. No. 10. P. 909 – 919. DOI: 10.1016/j.mechmat.2007.03.006

18. Liu P. F., Zheng J. Y. Progressive failure analysis of carbon fiber/epoxy composite laminates using continuum damage mechanics / Materials Science and Engineering: A. 2008. Vol. 485. No. 1 – 2. P. 711 – 717. DOI: 10.1016/j.msea.2008.02.023

19. Barbero E. J., Cortes D. H. A mechanistic model for transverse damage initiation, evolution, and stiffness reduction in laminated composites / Composites Part B. 2010. Vol. 41. No. 2. P. 124 – 132. DOI: 10.1016/j.compositesb.2009.10.001

20. Swindeman M. J., Iarve E. V., Brockman R. A., et al. Strength Prediction in Open Hole Composite Laminates by Using Discrete Damage Modeling / AIAA Journal. 2013. Vol. 51. P. 936 – 945. DOI: 10.2514/1.j051773

21. Yoshiaki Kawagoe, Kenji Kawai, Yuta Kumagai, et al. Multiscale modeling of process-induced residual deformation on carbon-fiber-reinforced plastic laminate from quantum calculation to laminate scale finite-element analysis / Mechanics of Materials. 2022. Vol. 170. 104332. DOI: 10.1016/j.mechmat.2022.104332

22. Wang J., Qin T., Rao N., et al. Three-dimensional progressive damage and failure analysis of double-lap composite bolted joints under quasi-static tensile loading / Compos. Struct. 2022. Vol. 285. 115227. DOI: 10.1016/j.compstruct.2022.115227

23. Jebeli M. A., Heidari-Rarani M. Development of Abaqus WCM plugin for progressive failure analysis of type IV composite pressure vessels based on Puck failure criterion / Eng. Fail. Anal. 2022. Vol. 131. 105851. DOI: 10.1016/j.engfailanal.2021.105851

24. Costa Damião, Gonilha José A., Silvestre Nuno. Calibration and validation of a 3D homogenised model to simulate the damage progression of pultruded GFRP composites / Engineering Failure Analysis. 2023. Vol. 149. 107261. DOI: 10.1016/j.engfailanal.2023.107261

25. Xi Li, Rinze Benedictus, Dimitrios Zarouchas. Analysis of Stochastic Matrix Crack Evolution in CFRP Cross-Ply Laminates under Fatigue Loading / Engineering Failure Analysis. 2023. Vol. 150. 107277. DOI: 10.1016/j.engfailanal.2023.107277

26. Li X., Benedictus R., Zarouchas D. Damage accumulation analysis of CFRP cross-ply laminates under different tensile loading rates / Composites Part C. 2020. Vol. 1. 100005. DOI: 10.1016/j.jcomc.2020.100005

27. Li X., Benedictus R., Zarouchas D. Early Fatigue Damage Accumulation of CFRP Cross-Ply Laminates Considering Size and Stress Level Effects / Int. J. Fatigue. 2022. Vol. 159. 106811. DOI: 10.1016/j.ijfatigue.2022.106811

28. Koley S., Mohite P. M., Upadhyay C. S. A micromechanical study and uncertainty quantification for effective properties of unidirectional fibre reinforced composites / Compos. Struct. 2019. Vol. 225. 111141. DOI: 10.1016/j.compstruct.2019.111141

29. Berthelot J.-M., Le Corre J.-F. Statistical analysis of the progression of transverse cracking and delamination in cross-ply laminates / Composite Science and Technology. 2020. Vol. 60. No. 14. P. 2659 – 2669. DOI: 10.1016/S0266-3538(00)00140-8

30. Ma D., Campos Amico S., Giglio M., Manes A. Effect of fibre bundle uncertainty on the tensile and shear behaviour of plain-woven composites / Compos. Struct. 2021. Vol. 259. 113440. DOI: 10.1016/j.compstruct.2020.113440

31. Gao J., Yuan Y. Probabilistic modeling of stiffness degradation for fiber reinforced polymer under fatigue loading / Eng. Fail. Anal. 2020. Vol. 116. 104733. DOI: 10.1016/j.engfailanal.2020.104733

32. Gao J., Zhu P., Yuan Y., Wu Z., Xu R. Strength and stiffness degradation modeling and fatigue life prediction of composite materials based on a unified fatigue damage model / Eng. Fail. Anal. 2022. Vol. 137. 106290. DOI: 10.1016/j.engfailanal.2022.106290

33. Gabriel V. R. P., Loukil M. S., Varna J. Intralaminar cracking during cyclic loading in laminates with distributed failure stress in 90-plies / Int. J. Fatigue. 2022. Vol. 161. 106909. DOI: 10.1016/j.ijfatigue.2022.106909

34. Matvienko Yu. G., Pisarev V. S., Eleonsky S. I. Evolution of fracture mechanics parameters relevant to narrow notch increment as a measure of fatigue damage accumulation / International Journal of Fatigue. 2021. Vol. 149. 106310. DOI: 10.1016/j.ijfatigue.2021.106310

35. Matvienko Yu. G., Pisarev V. S., Eleonsky S. I. Low-cycle fatigue damage accumulation near the cold-expanded hole by crack compliance data / International Journal of Fatigue. 2022. Vol. 155. 106590. DOI: 10.1016/j.ijfatigue.2021.106590

36. Dzuba A. S., Eleonsky S. I., Pisarev V. S., Yashutin A. G. Influence of artificial notch length in composite material on damage indicator values / Technical Physics. 2023. Vol. 93. No. 3. P. 371 – 379. DOI: 10.21883/JTF.2023.03.54848.272-22

37. Eleonsky S., Kazantsev D., Pisarev V., Statnik E. Influence of plate thickness on the results of residual stresses determination by through hole drilling in orthotropic composites of different fiber orientation / Materials Today: Proceedings. DOI: 10.1016/j.matpr.2023.09.072

38. Pisarev V. S., Matvienko Yu. G., Eleonsky S. I., Odintsev I. N. Combining the crack compliance method and speckle interferometry data for determination of stress intensity factors and T-stresses / Engineering Fracture Mechanics. 2017. Vol. 179. P. 348 – 374. DOI: 10.1016/j.engfracmech.2017.04.029

39. Moskvitin V. V. Cyclic loading of structural elements. — Moscow: Nauka, 1981. — 344 p. [in Russian].

40. Movchan A. A. Micromechanical approach to the problem of describing anisotropic scattered damages / Izv. AN SSSR. Mekh. Tv. Tela. 1990. No. 3. P. 115 – 123 [in Russian].

41. Movchan A. A. Mechanics of accumulation of scattered damages in structural elements: Textbook. — Moscow: Izd. MAI, 1996. — 64 p. [in Russian].

42. Murakami S. Continuum Damage Mechanics. — Dordrecht – Heidelberg – London – NY: Springer, 2012. — 402 p. DOI: 10.1007/978-94-007-2666-6

43. Matvienko Yu. G., Pisarev V. S., Eleonsky S. I. Quantitative description of low-cycle fatigue damage accumulation in contact interaction zone by local strain evolution / Frattura ed Integrità Strutturale. 2022. Vol. 16. No. 62. P. 541 – 560. DOI: 10.3221/IGF-ESIS.62.37

44. D’Amore A., Grassia L. Phenomenological approach to the study of hierarchical damage mechanisms in composite materials subjected to fatigue loadings / Compos. Struct. 2017. Vol. 175. P. 1 – 6. DOI: 10.1016/j.compstruct.2017.04.071

45. Dudar’kov Yu. I., Limonin M. V. Determination of the transverse shear stress in layered composite / Indust. Lab. Mater. Diagn. 2020. Vol. 86. No. 2. P. 44 – 53 [in Russian]. DOI: 10.26896/1028-6861-2020-86-2-44-53

46. Polilov A. N., Vlasov D. D., Tatus’ N. A. A refined method for estimating the interlayer shear modulus by correcting the deflection of polymer composite specimens / Industr. Lab. Mater. Diagn. 2023. Vol. 89. No. 3. P. 57 – 69 [in Russian]. DOI: 10.26896/1028-6861-2023-89-3-57-69

47. Polilov A. N., Vlasov D. D., Tatus’ N. A. Specified criterion for delamination upon bending of a composite beam / Industr. Lab. Mater. Diagn. 2023. Vol. 89. No. 10. P. 63 – 73 [in Russian]. DOI: 10.26896/1028-6861-2023-89-10-63-73