Экспериментальное исследование прочности композитных панелей при воздействии ледяного индентора

Цель работы — исследование процессов образования дефектов и распределения энергии при ударном взаимодействии композитного материала с хрупким телом. В качестве хрупкого индентора использовали шарики льда, имитирующие частицы града. В Новосибирском государственном техническом университете разработана и создана специализированная лабораторная установка для проведения баллистических испытаний. Данная экспериментальная установка оснащена газовой пушкой, способной разгонять хрупкие инденторы до скорости 200 м/с, что позволяет точно воспроизводить условия ударного взаимодействия. Сферические образцы диаметром 35 мм создавали с помощью силиконовых форм, обеспечивающих высокую точность геометрии ударников. Исследуемые материалы — композитные панели из углеродно-эпоксидной системы Toray T800-24K/UD — выбирали исходя из их широкого применения в различных областях промышленности. Натурные испытания, включавшие воздействие частиц града диаметром 35 мм на панели, показали, что повреждения начинают формироваться при скорости удара индентора от 130 м/с. Эксперименты, включающие детальный визуальный осмотр поверхности панелей, а также ультразвуковое исследование внутренних структур, позволили выявить и классифицировать возникшие повреждения. Результаты ультразвукового контроля показали, что в большинстве случаев разрушение начиналось с центра удара и распространялось на прилегающие области. Полученные данные представлены в виде подробных таблиц и графиков, иллюстрирующих взаимосвязь между кинетической энергией удара и степенью повреждений композитного материала. Результаты работы содержат важную информацию для дальнейшего анализа и улучшения характеристик композитных структур, используемых в реальных условиях эксплуатации.

1. Macdonald J. R., Stack M. M. Some thoughts on modelling hail impact on surfaces / J. Bio. Tribo-Corr. 2021. Vol. 7. Art. 37. P. 1 – 7. DOI: 10.1007/s40735-020-00458-4

2. Kim H., Halpin J. C., DeFrancisci G. K. Impact damage of composite structures / Long-term durability of polymeric matrix composites. — New York: Springer, 2012. P. 143 – 180.

3. Pernas-Sánchez J., Pedroche D. A., Varas D., et al. Numerical modeling of ice behavior under high velocity impacts / Int. J. Solids Struct. 2012. Vol. 49. No. 14. P. 1919 – 1927. DOI: 10.1016/j.ijsolstr.2012.03.038

4. Field P. R., Hand W., Cappelluti G., et al. Hail threat standardisation. — EASA, in Final Report EASA_REP_RESEA, 2009. — 133 p.

5. Urnev A. S., Chernyatin A. S., Matvienko Yu. G., Razumovskii I. A. Experimental and numerical sizing of a delamination defect in layered composite materials / Industr. Lab. Mater. Diagn. 2018. Vol. 84. No. 10. P. 59 – 66 [in Russian]. DOI: 10.26896/1028-6861-2018-84-10-59-66

6. Vasil’ev I. E., Matvienko Yu. G., Pankov A. V., Kalinin A. G. Application of the early damage diagnostics technique to examination of the aviation panel / Industr. Lab. Mater. Diagn. 2019. Vol. 85. No. 6. P. 53 – 63 [in Russian]. DOI: 10.26896/1028-6861-2019-85-6-53-63

7. Kim H., Keune J. N. Compressive strength of ice at impact strain rates / J. Mater. Sci. 2007. Vol. 42. P. 2802 – 2806. DOI: 10.1007/s10853-006-1376-x

8. Kim H., Welch D. A., Kedward K. T. Experimental investigation of high velocity ice impacts on woven carbon/epoxy composite panels / Compos. Part A. Appl. Sci. Manuf. 2003. Vol. 34. No. 1. P. 25 – 41. DOI: 10.1016/s1359-835x(02)00258-0

9. Olsson R., Juntikka R., Asp L. E. High velocity hail impact on composite laminates / Modelling and Testing. 2013. P. 393 – 426. DOI: 10.1007/978-94-007-5329-7_9

10. Macdonald H., Nash D., Stack M. M. Repeated impact of simulated hail ice on glass fibre composite materials / Wear. 2019. Vol. 432 – 433. P. 1 – 10. DOI: 10.1016/j.wear.2019.06.001

11. Dieling C., Smith M., Beruvides M. Review of impact factors of the velocity of large hailstones for laboratory hail impact testing consideration / Geosciences. 2020. Vol. 10. No. 12. P. 1 – 16. DOI: 10.3390/geosciences10120500

12. Chuzel Y., Combescure A., Nucci M., et al. Development of hail material model for high speed impacts on aircraft engine / 11th Int. LS-DYNA Users Conf. 2010. Vol. 1. P. 17 – 26.

13. Vargas M. M., Ruggeri C. R., Pereira M., Revilock D. M. Ice particles impacting on a flat plate: Temperature and velocity effect / AIAA Aviation 2020 Forum. 2020. P. 1 – 41. DOI: 10.2514/6.2020-2843

14. Kim H., Kedward K. T. Modeling hail ice impacts and predicting impact damage initiation in composite structures / AIAA J. 2000. Vol. 38. No. 7. P. 1278 – 1288. DOI: 10.2514/2.1099

15. Lavoie M.-A., Gakwaya A., Richard M. J., et al. Numerical and experimental modeling for bird and hail impacts on aircraft structure / Proc. of the IMAC-XXVIII, February 1 – 4, 2010, Jacksonville, Florida, USA. 2011. Vol. 3. P. 1403 – 1410. DOI: 10.1007/978-1-4419-9834-7_123

16. Lavoie M.-A., Nejad Ensan M., Gakwaya A. Development of an efficient numerical model for hail impact simulation based on experimental data obtained from pressure sensitive film / Mech. Res. Commun. 2011. Vol. 38. No. 1. P. 72 – 76. DOI: 10.1016/j.mechrescom.2010.07.014

17. Pernas-Sánchez J., Artero-Guerrero J. A., Varas D., López-Puente J. Experimental analysis of ice sphere impacts on unidirectional carbon/epoxy laminates / Int. J. Impact Eng. 2016. Vol. 96. P. 1 – 10. DOI: 10.1016/j.ijimpeng.2016.05.010

18. Meo M., Morris A. J., Vignjevic R., Marengo G. Numerical simulations of low-velocity impact on an aircraft sandwich panel / Compos. Struct. 2003. Vol. 62. Nos. 3 – 4. P. 353 – 360. DOI: 10.1016/j.compstruct.2003.09.035

19. Appleby-Thomas G. J., Hazell P. J., Dahini G. On the response of two commercially-important CFRP structures to multiple ice impacts / Compos. Struct. 2011. Vol. 93. No. 10. P. 2619 – 2627. DOI: 10.1016/j.compstruct.2011.04.029

20. Render P. M., Pan H. Experimental studies into hail impact characteristics / J. Propul. and Power. 1995. Vol. 11. No. 6. P. 1224 – 1230. DOI: 10.2514/3.23961