Метод определения сопротивления расслоению композитов, армированных непрерывными волокнами, при изгибе балок с боковым поперечным надрезом

К важным прочностным характеристикам волокнистых композитов с полимерной матрицей относится их сопротивление расслоению и расщеплению, которое традиционно определяют при изгибе коротких балок (в терминах межслойной сдвиговой прочности) или образцов с искусственными расслоениями (в терминах критической скорости высвобождения энергии, или удельной работы расслоения). Реализация этих методик сопряжена с известными сложностями интерпретации и сопоставления результатов. В данной работе предложен метод определения критического значения коэффициента интенсивности напряжений при возникновении трещины расслоения около вершины поперечного слоям надреза, который позволяет: сравнить трещиностойкость различных композитов и металлов; оценить потенциальную прочность однонаправленных волокнистых композитов при разрушении по механизму множественного расщепления; сформулировать требования «равнопрочности» по условию одновременного возникновения разных видов разрушения. Приведены экспериментальные результаты по сопротивлению расслоению композитов с различными схемами армирования в терминах критического коэффициента интенсивности напряжений при повороте трещины. Полученные результаты сопоставлены с межслойной прочностью материала.

1. Walsh P. H. Linear Fracture mechanics in orthotropic materials / Eng. Fracture Mech. 1972. Vol. 4. No. 3. P. 533 – 541. DOI: 10.1016/0013-7944(72)90064-1

2. Khaji Z., Fakoor M. Examining the effect of crack initiation angle on fracture behavior of orthotropic materials under mixed- mode I/II loading / Int. J. Solids Struct. 2022. Vol. 256. 111952. DOI: 10.1016/j.ijsolstr.2022.111952

3. Esmaeili A., Mohammadi B., Yousefi A. fracture parameters and crack initiation assessment employing mixed-mode I/II fracture criterion in laminate composites using digital image correlation method / Theor. Appl. Fracture Mech. 2023. Vol. 127. 104095. DOI: 10.1016/j.tafmec.2023.104095

4. Biswal S., Singh G. Determination of fracture toughness and traction-separation relation in mode I/II of a natural quasi-brittle orthotropic composite using multi-specimen approach / Eng. Fracture Mech. 2023. Vol. 282. 109163. DOI: 10.1016/j.engfracmech.2023.109163

5. Sako R., Aoki R., Higuchi R., et al. Experiments on the mode II fracture toughness in ENF tests of CFRP curved beams / Composite Struct. 2022. Vol. 292. 115692. DOI: 10.1016/j.compstruct.2022.115692

6. Sanford R. L., Stonesifer F. R. Fracture toughness measurements in unidirectional glass-reinforced plastics / J. Compos. Mater. 1971. Vol. 5. No. 2. P. 241 – 245. DOI: 10.1177/002199837100500208

7. Raimondo A., Urcelay Oca I., Bisagni C. Influence of interface ply orientation on delamination growth in composite laminates / J. Compos. Mater. 2021. Vol. 55. No. 27. P. 3955 – 3972. DOI: 10.1177/00219983211031636

8. Pankov A. V., Tokar V. L., Petronyuk Y. S., et al. Determination of crack resistance characteristics of layered carbon plastics on specimens without a crack initiator using the method of acoustic microscopy / Industr. Lab. Mater. Diagn. 2020. Vol. 86. No. 8. P. 58 – 65 [in Russian]. DOI: 10.26896/1028-6861-2020-86-8-58-65

9. Fakoor M., Shahsavar S., Berto F. Mixed-mode fracture assessment of wooden structures with cracks initiated along and across the fibers considering non-singular T-stress term / Wood Sci. Technol. 2022. Vol. 56. P. 1261 – 1291. DOI: 10.1007/s00226-022-01392-z

10. Liu W., Feng P., Huang J. Bilinear softening model and double K fracture criterion for quasi-brittle fracture of pultruded FRP composites / Composite Struct. 2017. Vol. 160. P. 1119 – 1125. DOI: 10.1016/j.compstruct.2016.10.134

11. Zobnin A. I., Lomakin E. V. Central transverse crack in an orthotropic elastic strip / Izv. AN SSSR. MTT. 1974. No. 1. P. 44 – 52 [in Russian].

12. Garpelli F. P., Gonzalez R. F. M., Sales R. C. M., et al. Experimental characterization of Mode II fatigue delamination growth onset in composite joints / J. Compos. Mater. 2022. Vol. 56. No. 1. P. 115 – 132. DOI: 10.1177/00219983211056736

13. Bokhoeva L. A., Baldanov A. B., Rogov V. E., et al. Influence of nanopowders addition on strength of multilayer composite materials / Industr. Lab. Mater. Diagn. 2021. Vol. 87. No. 8. P. 42 – 50 [in Russian]. DOI: 10.26896/1028-6861-2020-86-8-58-65

14. Polilov A. N., Khokhlov V. K. Calculated criterion of composite beams strength at bending / Mech. Eng. 1979. N. 2. P. 53 – 57 [in Russian].

15. Polilov A. N., Vlasov D. D., Tatus N. A. Refined criterion of delamination at 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

16. Ostapska K., Malo R. A. Wedge splitting test of wood for fracture parameters estimation of Norway Spruce / Eng. Fracture Mech. 2020. Vol. 232. 107024. DOI: 10.1016/j.engfracmech.2020.107024

17. Yoshihara H. Mode II fracture mechanics properties of wood measured by the asymmetric four-point bending test using a single-edge-notched specimen / Eng. Fracture Mech. 2008. Vol. 75. No. 16. P. 4727 – 4739. DOI: 10.1016/j.engfracmech.2008.06.010

18. Khaji Z., Fakoor M. Strain energy release rate in combination with reinforcement isotropic solid model (SERIS): A new mixed-mode I/II criterion to investigate fracture behavior of orthotropic materials / Theor. Appl. Fracture Mech. 2021. Vol. 113. 102962. DOI: 10.1016/j.tafmec.2021.102962

19. Moustaphaoui A. E., Chouaf A., Kimakh R. Experimental and numerical study of the delamination of Ceiba plywood under mode I, mode II and mixed-mode (I + II) loading using the DCB, ELS and MMF tests / Int. J. Fracture. 2021. Vol. 231. No. 6. P. 1 – 20. DOI: 10.1007/s10704-021-00557-4

20. Polilov A. N. Resistance to delamination of unidirectional composites / Mech. Eng. 1978. No. 5. P. 74 – 78 [in Russian].

21. Buznikov Yu. N., Polilov A. N., Khokhlov V. K., Finogenov G. N. Determination of resistance of carbon plastics to interlayer fracture near notches / Mech. Eng. 1980. No. 1. P. 114 – 118 [in Russian].

22. 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].

23. Aniskovich E. V., Lepikhin A. M., Moskvichev V. V. Estimation of static crack resistance of thin-walled vessels working under pressure / Industr. Lab. Mater. Diagn. 2018. Vol. 84. No. 9. P. 55 – 63 [in Russian]. DOI: 10.26896/1028-6861-2018-84-9-55-63

24. Harrison N. L. Strain energy release rates for turning cracks / Fibre Sci. Technol. 1972. Vol. 5. No. 3. P. 197 – 212. DOI: 10.1016/0015-0568(72)90015-2

25. Harrison N. L. Splitting of fiber-reinforced materials / Fibre Sci. Technol. 1973. Vol. 6. No. 1. P. 25 – 38. DOI: 10.1016/0015-0568(73)90014-6

26. Polilov A. N., Tatus N. A. Principles of improving the structure of composite products based on the study of biotechnology and biomaterials / MSCU Bull. 2021. Vol. 16. No. 9. P. 1191 – 1216 [in Russian]. DOI: 10.22227/1997-0935.2021.9.1191-1216