Иллюстрация эффективности биомиметического крепления композитных деталей

Одной из основных проблем проектирования композитных конструкций является создание надежных методов крепления, поскольку традиционные просверленные отверстия разрушают несущие волокна, что приводит к значительной концентрации напряжений и снижению прочности. Цель данной работы заключалась в разработке и иллюстрации биоподобного метода крепления композитных деталей путем создания криволинейной структуры армирования, имитирующей зону сучка в древесине. Показано, что итерационный алгоритм компьютерного моделирования траекторий волокон, «обтекающих» отверстие, позволяет построить структуру армирования, в которой «коэффициент перегрузки волокон» составляет всего 1,3 вместо коэффициента концентрации напряжений, равного примерно пяти в пластине из однонаправленного углепластика с круговым отверстием. Эксперименты на деревянных образцах с удаленным сучком и с просверленными отверстиями, а также на композитных образцах с криволинейным армированием, изготовленных с помощью 3D-печати, подтвердили эффективность предложенного подхода. Сохранение структуры армирования в зоне сучка приводит к тому, что отверстие от удаленного сучка не влияет на прочность и разрушение происходит в стороне от отверстия. Полученные результаты подтверждают перспективность использования биоподобных видов соединений для существенного повышения несущей способности и долговечности узлов крепления композитов, что особенно важно для крупногабаритных конструкций аэрокосмической техники.

1. Huang J., Haftka R. T. Optimization of fiber orientations near a hole for increased load-carrying capacity of composite laminates / Struct. Multidisc. Optim. 2005. Vol. 30. No. 5. P. 335 – 341. DOI: 10.1007/s00158-005-0519-z

2. Zhu Y., Liu J., Liu D., et al. Fiber path optimization based on a family of curves in composite laminate with a center hole / Composites Part B. Eng. 2017. Vol. 111. P. 91 – 102. DOI: 10.1016/j.compositesb.2016.11.051

3. Malakhov A. V., Polilov A. N. Construction of trajectories of the fibers which bypass a hole and their comparison with the structure of wood in the vicinity of a knot / J. Machinery Manufact. Reliabil. 2013. Vol. 42. No. 4. P. 306 – 311. DOI: 10.3103/s1052618813040080

4. Wegst U. G. K., Bai H., Saiz E., et al. Bioinspired structural materials / Nat. Mater. 2015. Vol. 14. No. 1. P. 23 – 36. DOI: 10.1038/nmat4089

5. Malakhov A. V., Polilov A. N., Li D., Tian X. Increasing the bearing capacity of composite plates in the zone of bolted joints by using curvilinear trajectories and a variable fiber volume fraction / Mech. Composite Mater. 2021. Vol. 57. No. 3. P. 287 – 300. DOI: 10.1007/s11029-021-09954-1

6. Velasco-Hogan A., Xu J., Meyers M. A. Additive manufacturing as a method to design and optimize bioinspired structures / Adv. Funct. Mater. 2018. No. 30. 1800940. DOI: 10.1002/adma.201800940

7. Jia Z., Wang L. 3D printing of biomimetic composites with improved fracture toughness / Acta Mater. 2019. No. 173. P. 61 – 73. DOI: 10.1016/j.actamat.2019.04.052

8. Khan S., Fayazbakhsh K., Fawaz Z., Nik M. A. Curvilinear variable stiffness 3D printing technology for improved open-hole tensile strength / Add. Manufact. 2018. Vol. 24. P. 378 – 385. DOI: 10.1016/j.addma.2018.10.013

9. Pyl L., Kalteremidou K.-A., Hemelrijck D. V. Exploration of the design freedom of 3D printed continuous fibre-reinforced polymers in open-hole tensile strength tests / Composites Sci. Technol. 2019. Vol. 171. P. 135 – 151. DOI: 10.1016/j.compscitech.2018.12.021

10. Malakhov A. V., Polilov A. N., Zhang J., et al. A modeling method of continuous fiber paths for additive manufacturing (3D printing) of variable stiffness composite structures / Appl. Composite Mater. 2020. Vol. 27. P. 185 – 208. DOI: 10.1007/s10443-020-09804-8