Статическая прочность пултрузионных стеклопластиков в условиях повышенных и пониженных температур при сложно-напряженном состоянии

Пултрузионные стеклопластики нашли широкое применение в изделиях дорожной инфраструктуры и в строительстве. Однако прочностные характеристики этих материалов в условиях сложного напряженного состояния при различных температурах не определены, что затрудняет их дальнейшее внедрение. Цель работы — экспериментальное исследование закономерностей изменения статической прочности и жесткости пултрузионного стеклопластика при различных соотношениях нормальных и касательных напряжений (вызванных одновременно осевым нагружением и кручением образцов) в условиях различных температур. Рассмотрены методические аспекты испытаний композитов при многоосном нагружении, в частности проанализированы различные варианты подготовки захватных частей трубчатых образцов. Экспериментальная часть включала в себя одноосные испытания на растяжение, кручение, сжатие, а также многоосные комбинированные испытания на растяжение и сжатие с кручением при нормальных, повышенных и пониженных температурах. Рассчитаны основные механические характеристики исследуемых композитов. Выявлена чувствительность пултрузионного стеклопластика к сложному напряженно-деформированному состоянию. Построена поверхность прочности при рассматриваемых режимах двухосного нагружения и температур. На основе полученных данных предложен критерий прочности четвертого порядка. Проведен анализ НДС трубчатых образцов с применением системы регистрации полей перемещений VIC 3D для всех режимов нагружения в условиях нормальной температуры. Отмечено качественное и количественное совпадение значений перемещений на поверхности образцов. Представлены фотографии характерных изломов пултрузионных стеклопластиковых трубчатых образцов. Выявлена смена направления распространения макротрещин при различных параметрах нагружения и температурах. Полученные данные позволят предсказывать разрушение пултрузионных стеклопластиков при различных температурно-силовых воздействиях, что важно учитывать при проектировании и проведении поверочных расчетов на прочность композиционных конструкций.

1. Zhang Y., Duan L., Liu X., et al. Distribution law of strain energy density for stiffness design of GFRP, UT/GFRP, and VRB/GFRP hybrid hat-shaped beams / Polym. Compos. 2023. Vol. 44. No. 11. DOI: 10.1002/pc.27039

2. Devan D. J., Rehman R. U., Sunny T., et al. Effect of different tab materials in the tensile testing of GFRP / J. Mech. Sci. Technol. 2023. Vol. 37. P. 4597 – 4603. DOI: 10.1007/s12206-023-0815-9

3. Mirdarsoltany M., Roghani H., Masoule M. S. T., et al. Evaluating GFRP bars under axial compression and quantifying load-damage correlation / Constr Build Mater. 2023. Vol. 409. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2023.133945

4. Polilov A. N., Vlasov D. D., Tatus N. A. Developing of the optimal shape and reinforcement structure of the specimen for adequate determination of the tensile strength in unidirectional composites / Zavod. Lab. Mater. Diagn. 2021. Vol. 87. No. 2. P. 43 – 55 [in Russian]. DOI: 10.26896/1028-6861-2021-87-2-43-55

5. Valevin E. O., Shvedkova A. K., Buharov S. V. The role of heat and humidity tests in the development of new polymeric composite materials / Zavod. Lab. Mater. Diagn. 2016. Vol. 82. No. 2. P. 28 – 32 [in Russian].

6. Pankov A. V. Evaluation of the durability of the elements made of polymer composite materials under cyclic irregular loading / Zavod. Lab. Mater. Diagn. 2016. Vol. 82. No. 9. P. 58 – 64 [in Russian].

7. Chang Y., Weidong W., Yiming X., et al. Quasi-static mechanical behavior of filament wound composite thin-walled tubes: Tension, torsion, and multi-axial loading / Thin Wall Struct. 2022. Vol. 177. 109361. DOI: 10.1016/j.tws.2022.109361

8. Meijer G., Ellyin F. A failure envelope for ±60° filament wound glass fibre reinforced epoxy tubulars / Compos. Part A: Appl. Sci. Manuf. 2008. Vol. 39. No. 3. P. 555 – 564. DOI: 10.1016/j.compositesa.2007.11.002

9. Polilov A. N., Arutyunova A. S., Tatus’ N. A. Effect of stress concentration near grips on the tensile strength of composites / Zavod. Lab. Mater. Diagn. 2020. Vol. 86. No. 11. P. 48 – 59. DOI: 10.26896/1028-6861-2020-86-11-48-59

10. Wildemann V., Staroverov O., Strungar E., et al. Mechanical properties degradation of fiberglass tubes during biaxial proportional cyclic loading / Polym. 2023. Vol. 15. No. 9. DOI: 10.3390/polym15092017

11. Gonabadi H., Oila A., Yadav A., Bull S. Fatigue damage analysis of GFRP composites using digital image correlation / J. Ocean Eng. Mar. Energy. 2021. Vol. 7. P. 25 – 40. DOI: 10.1007/s40722-020-00184-6

12. Strungar E. M., Lobanov D. S. Development of the digital image correlation (DIC) method for mechanical testing at elevated temperatures / PNRPU Mech. Bull. 2022. No. 3. P. 147 – 159. DOI: 10.15593/perm.mech/2022.3.15

13. Laurin F., Charrier J.-S., Lévêque D., et al. Determination of the Properties of Composite Materials Thanks to Digital Image Correlation Measurements / Procedia IUTAM. 2012. Vol. 4. P. 106 – 115. DOI: 10.1016/j.piutam.2012.05.012

14. Ziaja D., Jurek M., Śliwa R., et al. DIC application for damage detection in FRP composite specimens based on an example of a shearing test / Archiv. Civ. Mech. Eng. 2024. Vol. 47. No. 24. DOI: 10.1007/s43452-024-00859-z

15. Cintra G. G., Cardoso D., Vieira J. D., Keller T. Experimental investigation on the moment-rotation performance of pultruded FRP web-flange junctions / Compos. B. Eng. 2021. Vol. 222. 109087. DOI: 10.1016/j.compositesb.2021.109087

16. Armanfard A., Melenka G. W. Experimental evaluation of carbon fibre, fibreglass and aramid tubular braided composites under combined tension-torsion loading / Compos. Struct. 2021. Vol. 269. 114049. DOI: 10.1016/j.compstruct.2021.114049

17. De S., Nuli K. C., Fulmali A. O., et al. Elevated-temperature mechanical performance of GFRP composite with functionalized hybrid nanofiller / J. Appl. Polym. Sci. 2022. Vol. 139. No. 48. DOI: 10.1002/app.53223

18. Rosa I. C., Firmo J. P., Correia J. R. Experimental study of the tensile behaviour of GFRP reinforcing bars at elevated temperatures / Constr. Build Mater. 2022. Vol. 324. 126676. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2022.126676

19. AlAjarmeh O., Manalo A., Benmokrane B., et al. Compression behavior of GFRP bars under elevated In-Service temperatures / Constr. Build Mater. 2022. Vol. 314. 125675. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2021.125675

20. Khaneghahi M. H., Najafabadi E. P., Bazli M., et al. The effect of elevated temperatures on the compressive section capacity of pultruded GFRP profiles / Constr. Build Mater. 2020. Vol. 249. 118725. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2020.118725

21. Hajiloo H., Green M. F., Gales J. Mechanical properties of GFRP reinforcing bars at high temperatures / Constr. Build Mater. 2018. Vol. 162. P. 142 – 154. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2017.12.025

22. Xue C., Yu M., Yang B., et al. Experimental and numerical study on tensile properties of bolted GFRP joints at high and low temperatures / Compos. Struct. 2022. Vol. 293. 115743. DOI: 10.1016/j.compstruct.2022.115743

23. Han C. L., Wang G., Li N., et al. Study on interlaminar performance of CNTs/epoxy film enhanced GFRP under low-temperature cycle / Compos. Struct. 2021. Vol. 272. 114191. DOI: 10.1016/j.compstruct.2021.114191

24. Takeda T., Miura M., Shindo Y., Narita F. Fatigue delamination growth in woven glass/epoxy composite laminates under mixed-mode II/III loading conditions at cryogenic temperatures / Cryogenics. 2013. Vol. 58. P. 55 – 61. DOI: 10.1016/j.cryogenics.2013.10.001

25. Shindo Y., Inamoto A., Narita F., Horiguchi K. Mode I fatigue delamination growth in GFRP woven laminates at low temperatures / Eng. Fract. Mech. 2006. Vol. 73. No. 14. P. 2080 – 2090. DOI: 10.1016/j.engfracmech.2006.03.015