Исследование напряженного состояния в зоне расслоения слоистой стальной пластины

На формоизменение и разрушение многослойных материалов влияет множество факторов: способ изготовления материала, количество и толщина слоев и др. Цель работы — исследование напряженно-деформированного состояния на межслойных границах слоистого металлического композиционного материала на основе сталей 09Г2С и 12Х18Н10Т. Процесс расслоения анализировали с использованием конечно-элементного моделирования совместно с методом виртуального закрытия трещин. При проведении испытаний варьировали критическую скорость высвобождения упругой энергии в условиях отрыва двух образцов с разным отношением толщины отрываемой части к общей толщине образца. Показано, что для инициации расслоения необходимо, чтобы критическая скорость высвобождения упругой энергии была ниже 40 кДж/м2. Установлено, что в зависимости от отношения толщины отрываемой части к общей толщине расслоение начинает формироваться в разных местах образца. При этом отклонение максимального главного напряжения в вершине трещины от направления приложения нагрузки составляет 10°. Выявлено, что при испытаниях на расслоение предпочтительнее использовать образец, в котором отношение толщины отрываемой части к общей толщине меньше. Полученные результаты могут быть использованы при подборе геометрии образца для испытаний на расслоение и оценке качества соединения слоев.

1. Kachanov L. M. Fundamentals of fracture mechanics. — Moscow: Nauka, 1974. — 312 p. [in Russian].

2. Smirnov S. V., Myasnikova M. V., Igumnov A. S. Determination of the local shear strength of a layered metal composite material with a ductile interlayer after thermocycling / Diagn. Resource Mech. Mater. Struct. 2016. Issue 4. P. 46 – 56. DOI: 10.17804/2410-9908.2016.4.046-056

3. Smirnov S. V., Veretennikova I. A. Comparative evaluation of metal damage on the free lateral surface of single-layer and three-layer strips under rolling / Diagn. Resource Mech. Mater. Struct. 2015. Issue 4. P. 6 – 15. DOI: 10.17804/2410-9908.2015.4.006-017

4. Reiner J., Vaziri R. Structural analysis of composites with finite element codes: an overview of commonly used computational methods / Comprehensive composite materials II. — Elsevier, 2018. P. 61 – 84. DOI: 10.1016/b978-0-12-803581-8.10050-5

5. Krueger R. The virtual crack closure technique for modeling interlaminar failure and delamination in advanced composite materials / Woodhead Publishing Series in Composites Science and Engineering, Numerical Modelling of Failure in Advanced Composite Materials. — Woodhead Publishing, 2015. P. 3 – 53. DOI: 10.1016/b978-0-08-100332-9.00001-3

6. Valvo P. S. A physically consistent virtual crack closure technique for I/II/III mixed-mode fracture problems / Proc. Mater. Sci. 2014. Vol. 3. P. 1983 – 1987. DOI: 10.1016/j.mspro.2014.06.319

7. Liu P.., Hou S., Chu J., et al. Finite element analysis of post buckling and delamination of composite laminates using virtual crack closure technique / Composite Struct. 2011. Vol. 93. Issue 5. P. 1549 – 1560. DOI: 10.1016/j.compstruct.2010.12.006

8. Xie D., Biggers S. Strain energy release rate calculation for a moving delamination front of arbitrary shape based on the virtual crack closure technique. Part I: formulation and validation / Eng. Fract. Mech. 2006. Vol. 73. Issue 6. P. 771 – 785. DOI: 10.1016/j.engfracmech.2005.07.013

9. Harper P. W., Hallett S. R. Cohesive zone length in numerical simulations of composite delamination / Eng. Fract. Mech. 2008. Vol. 75. P. 4774 – 4792. DOI: 10.1016/j.engfracmech.2008.06.004

10. Azimi M., Mirjavadi S., Asli S., Hamouda A. Fracture analysis of a special Cracked Lap Shear (CLS) specimen with utilization of Virtual Crack Closure Technique (VCCT) by finite element methods / J. Fail. Anal. Prevention. 2017. Vol. 17. Issue 2. P. 304 – 314. DOI: 10.1007/s11668-017-0243-1

11. Li Y., Dobryanskiy V., Orekhov A. Modelling of crack development processes in composite elements based on virtual crack closure technique and cohesive zone model / Periód. Tchê Quím. 2020. Vol. 17. No. 35. P. 591 – 598.

12. Perov S. N., Chernyakin S. A. Research the applicability of finite element method for estimation the parameters of fracture mechanics of constructive elements from composites / Izv. Samar. NTs RAN. 2013. Vol. 15. No. 4(2). P. 480 – 483 [in Russian].

13. Chernyakin S. A., Skvortsov Yu. V. Analysis of the growth of stratifications in composite structures / Vestn. SibGAU. 2014. No. 4(56). P. 249 – 255 [in Russian].

14. Glushkov S. V., Skvortsov Yu. V., Perov S. N., Chernyakin S. A. Finite element analysis of panels with surface cracks / AIP Conference Proceedings. — La Rochelle, 2017. DOI: 10.1063/1.4972651

15. Marjanović M., Meschke G., Vuksanović D. A finite element model for propagating delamination in laminated composite plates based on the Virtual Crack Closure method / Composite Struct. 2016. Vol. 150. P. 8 – 19. DOI: 10.1016/j.compstruct.2016.04.044

16. Liu P. F., Islam M. M. A nonlinear cohesive model for mixed-mode delamination of composite laminates / Composite Struct. 2013. Vol. 106. P. 47 – 56. DOI: 10.1016/j.compstruct.2013.05.049

17. Glushkov S. V., Perov S. N., Skvortsov Yu. V. Normalization of crack-like defects in pipeline walls / Industr. Lab. Mater. Diagn. 2012. Vol. 78. No. 3. P. 54 – 56 [in Russian].

18. Bonhomme J., Argüelles A., Viña J., Viña I. Numerical and experimental validation of computational models for mode I composite fracture failure / Comput. Mater. Sci. 2009. Vol. 45. P. 993 – 998. DOI: 10.1016/j.commatsci.2009.01.005

19. Shokrieh M., Rajabpour-Shirazi H., Heidari-Rarani M., Haghpanahi M. Simulation of mode I delamination propagation in multidirectional composites with R-curve effects using VCCT method / Comput. Mater. Sci. 2012. Vol. 65. P. 66 – 73. DOI: 10.1016/j.commatsci.2012.06.025

20. Martinez X., Rastellini F., Oller S., et al. Computationally optimized formulation for the simulation of composite materials and delamination failures / Composites. Part B. Eng. 2011. Vol. 42. Issue 2. P. 134 – 144. DOI: 10.1016/j.compositesb.2010.09.013

21. Zehnder A. T. Fracture mechanics. — London: Springer, 2012.

22. Moskvichev E. V., Lepikhin A. M. Structural and mechanical heterogeneity and fracture toughness of welding joints of steel 09G2S and 12Kh18N10T / Industr. Lab. Mater. Diagn. 2013. Vol. 79. No. 6. P. 50 – 54 [in Russian].