CC BY
0
Vestnik of Samara University. Aerospace and Mechanical Engineering
V. 23, no. 2, 2024
УДК 620.17 В01: 10.18287/2541-7533-2024-23-2-74-88
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОТВЕРСТИЙ И ДЕФЕКТОВ НА МЕХАНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СЛОИСТОГО ПОЛИМЕРНОГО КОМПОЗИТА
© 2024
аспирант кафедры конструкции и проектирования летательных аппаратов; Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королёва; ttukasi@mail.ru
доцент, доктор технических наук, заведующий кафедрой конструкции и проектирования летательных аппаратов; Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королёва; boldirev.av@ssau.ru
кандидат технических наук, ассистент кафедры конструкции и проектирования летательных аппаратов, инженер научно-образовательного центра авиационных конструкций; Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королёва; alex-alex.pavlov@yandex.ru
Разработана методика экспериментальных исследований механических характеристик слоистого полимерного композита с учётом технологических отверстий и дефектов. Представлены результаты экспериментального определения механических характеристик, исследовано влияние материала наполнителя, типа переплетения тканевого волокна, технологических отверстий и производственных дефектов на механические характеристики слоистого углепластика. Испытательные образцы изготовлены из углеткани 200Р, 200Т, АСМ С300Х и связующего «Инжект SL(B)». Выполнены статические испытания образцов на одноосное растяжение, сжатие и на трёхточечный изгиб.
Экспериментальное исследование; слоистый углепластик; статические испытания; влияние отверстия; тип наполнителя; технологический дефект; коэффициент вариации
Цитирование: Асси А.Л., Болдырев А.В., Павлов А.А. Экспериментальное исследование влияния технологических отверстий и дефектов на механические характеристики слоистого полимерного композита // Вестник Самарского университета. Аэрокосмическая техника, технологии и машиностроение. 2024. Т. 23, № 2. С. 74-88. DOI: 10.18287/2541-7533-2024-23-2-74-88
Введение
Процесс применения композиционных материалов в инженерных конструкциях начался в 1970-е годы [1]. В настоящее время эти материалы всё больше используются в аэрокосмической, судостроительной, автомобильной промышленности [2 - 6]. Полимерные композиционные материалы (ПКМ) на основе углеродного волокна представляют собой один из наиболее перспективных типов конструкционных материалов благодаря их высоким удельным физико-механическим свойствам (удельной прочности и жёсткости).
Конструкции из ПКМ снабжены технологическими отверстиями различного назначения в зонах болтовых и заклёпочных соединений деталей и узлов, портов доступа для обслуживания электрических линий, гидравлической и топливной системы и т.п. Наличие отверстий часто приводит к местной потере устойчивости и высокой концентрации напряжений в этих зонах [7; 8], снижая жёсткость и прочность конструкции [9]. Материал наполнителя, ориентация слоёв в композите, толщина пакета являются параметрами, влияющими на его удельные характеристики [10].
А. Л. Асси
А. В. Болдырев
А. А. Павлов
Mechanical Engineering
Дефекты в композитном изделии, допущенные при его изготовлении также являются одним из факторов, влияющих на работоспособность конструкции. Использование при изготовлении изделий из композиционных материалов несовершенного оборудования и системы управления, не обеспечивающей заданную точность поддержания параметров технологического процесса, приводит к возникновению в структуре материала конструкции дефектов, вызывающих снижение физико-механических характеристик или увеличение их разброса, снижение несущей способности конструкции и другие отрицательные эффекты [11].
Одним из методов проектирования конструкции композитного изделия является «Building Block Approach (ВВА)» [12]. Этот метод включает в себя четыре этапа - от определения упруго-прочностных характеристик конструкционных материалов до создания прототипа изделия. На первом этапе проводятся экспериментальные и численные исследования для создания базы данных упруго-прочностных свойств конструкционных материалов. Второй этап заключается в валидации свойств материалов в типовых элементах конструкции. Третий этап состоит в конструировании и испытаниях агрегатов. Четвертый этап заключается в разработке прототипа изделия на основе базы данных свойств конструкционных материалов и выбранного технологического процесса. Метод BBA накапливает и использует совокупность экспериментальных данных и информации, полученной на подробных верифицированных математических моделях. Для цифрового расчёта напряжённо-деформированного состояния композитной конструкции необходимо предварительно определить упругие характеристики применяемого для её изготовления материала [13].
Целью настоящей работы является разработка и апробирование методики экспериментальных исследований механических характеристик ПКМ с учётом технологических отверстий и производственных дефектов.
Методика исследований
Методика исследований включает следующие этапы: постановка технического задания на основе нормативных документов; изготовление образцов; проведение испытаний для определения упругих и прочностных характеристик композитных пластин при растяжении, сжатии и изгибе; обработка и анализ результатов для оценки влияния технологических отверстий и производственных дефектов на механические характеристики композитов.
Методика разработана на основе нормативных документов ГОСТ 25.601-80, ASTM D3039/D3039M и ГОСТ Р56810-2015 [14 - 16] для определения упругих и прочных характеристик композитных изделий. Исследование влияния технологических отверстий на механические свойства образцов выполнено по ГОСТ 33375-2015, ГОСТ 33495-2015 и стандарту ASTM D7137/D7137M-12 [17 - 19].
Сущность метода определения механических характеристик композита по ГОСТ 25.601-80 и ASTM D3039/D3039M состоит в испытаниях образцов на растяжение с постоянной скоростью деформирования, при котором определяются следующие величины: Fmax - максимальная нагрузка, предшествующая разрушению образца при растяжении; иВ - предел прочности при растяжении; е - относительная деформация; Е -
модуль упругости при растяжении; /л - коэффициент Пуассона. Испытание на растяжение по ГОСТ 25.601-80 и ASTM D3039/D3039M в работе обозначено «Р1».
Способ определения характеристик композита при трёхточечном изгибе по ГОСТ Р56810-2015 и ASTM D790-17 [20] заключается в нагружении плоского образца постоянного прямоугольного сечения, свободно лежащего на двух опорах, с постоянной скоростью нагружения до момента его разрушения. При испытаниях на трёхточечный из-
гиб определяется предел прочности &В ; относительная деформация еИ и модуль упругости Е .
Исследование влияния отверстия на прочность композитного изделия по ГОСТ 33375-2015 заключается в кратковременном испытании образца с центральным вырезом на растяжение с постоянной скоростью деформации, при которой определяются пределы прочности образца с учётом площади отверстия и без учёта площади отверстия. Испытание на растяжение по ГОСТ 33375-2015 в работе обозначено «Р2».
Исследование влияния отверстия на прочность композитного изделия по стандарту ASTM D7137/D7137M-12 заключается в испытании на одноосное сжатие с постоянной скоростью деформации образца с центральным вырезом, при которой определяют
сж ~ псж
предел прочности сВ - напряжение, соответствующее разрушающей нагрузке Ртах
при сжатии.
Нужно отметить, что диаметр отверстия в образце для испытаний на сжатие может быть выбран на основе критерия эквивалентного отверстия, который предполагает, что поврежденный образец может быть заменен аналогичным с эквивалентным отверстием для определения его остаточной прочности (рис. 1) [21]. В соответствии с сертификационными требованиями вводится понятие идеализированного размера повреждения в виде отверстия с радиусом г, который находится по формуле:
2г = 2-7ж , (1)
где £ - площадь зоны повреждения, определяемая визуально; щ - корректирующий коэффициент, учитывающий наличие зоны растрескивания и разрыва волокон, окружающей видимую часть повреждения.
у а 1111
г 3
б
Рис. 1. Изображение эквивалентного отверстия: а - размеры замеренного и действительного повреждения; б - характерные размеры отверстия
а
Испытательные образцы представляют собой прямоугольные пластины с размерами: Ь - длина; Ь0 - длина рабочей зоны; Ь - ширина; к - толщина. Для исследования
влияния выреза образец снабжён отверстием с диаметром 2г. Типовые размеры образцов (рис. 2) представлены в табл. 1. На рис. 3 показаны схемы нагружения образцов силой Е.
Mechanical Engineering
Ы
Si
1.5
h>1
Ы
б
bt0.25
Ь/2
4-,
h±0.25
Рис. 2. Типовые образцы: а - для испытания на растяжение Р1; б - для испытания на трёхточечный изгиб; в - для испытания на растяжение Р2; г - для испытания на сжатие
а
в
г
Таблица 1. Типовые размеры испытательных образцов по виду нагружения
№ Вид нагружения Стандарт Образец (рис. 2) L, мм Lo, мм b, мм h, мм 2r , мм
1 Растяжение Р1 ASTM D3039/D3039M а 250±1 150 20±1 0
2 Трёхточечный изгиб ГОСТ Р56810-2015 б 51±1 - 13±1 >1 0
3 Растяжение Р2 ГОСТ 33375-2015 в 200±1 100 36+1 6±0,06
4 Сжатие ASTM D7137/D7137M-12 г 150±0,25 - 100±0,25 12±0,25
Рис. 3. Схемы нагружения образцов: а - при растяжении; б - при трёхточечном изгибе; в - при сжатии
Статистическая оценка сходимости результатов испытаний проводится на основе анализа коэффициента вариации СУ [14; 15]:
СУ = 100-31, (2)
х
* = ^Тх], (3)
n I
. '=1
S.1 =,|(Е (( - x ) J/(»-1)
(4)
где хI - определяемая характеристика; п - количество образцов; х - среднее значение; - стандартное отклонение.
Изготовление испытательных образцов
Объектами исследования выступили образцы на основе связующего «Инжект SL(B)» и углетканей. Инжект SL(B) - это прозрачный низковязкий двухкомпонентный эпоксидный компаунд, предназначенный для изготовления стекло- и углепластиковых изделий методом вакуумной инфузии, RTM-технологии, вакуумного формования1. Основные паспортные характеристики используемых тканей представлены в табл. 2.
Таблица 2. Паспортные характеристики тканей
Род материла Наименование Волокно Тип плетения Поверхностная плотность, г/м2 Толщина слоя, мм Направление волокон, °
Углеткань 200Р 3К Toray Полотно 200 0,2 0/90
200Т 3К Toray Саржа 2x2 200 0,20 ± 5% 0/90
АСМ С300Х 12K Grafil Биаксиал 308 0,5 -45/+45
Изготовление образцов проводилось в научно-технологическом центре композиционных материалов (НТЦ КМ) Самарского университета, согласно разработанному процессу: формование заготовок, нарезание образцов и маркировка. Формование заготовок осуществлялось методом вакуумной инфузии при вакууме в резервуаре в диапазоне 10...15 мбар. Во время подачи связующего компонента герметизация одной из матриц разрушалась, вызывая попадание воздуха в оснастку. На рис. 4 показаны заготовки без дефектов формования и с дефектом формования. Образцы, нарезанные из заготовок с производственным дефектом, испытывались для определения степени влияния данного типа дефекта на механические характеристики композита.
Рис. 4. Формовка заготовок: а - без дефекта формования; б - с дефектом формования
б
1 Каталог продукции ХимСнаб Композит. Эпоксидная смола - Карбон М Эпоксидная смола + отвердитель. https://igc-market.ru/shop/ (дата обращения: 12.10.2023)
Mechanical Engineering
Образцы обозначались на основе типа использованного материала, вида нагружения (растяжение Р1, Р2, трёхточечный изгиб, сжатие), направления нарезания образцов относительно угла нити наполнителя. Для изготовленных образцов использованы следующие обозначения типов материалов:
У1 - углепластик с наполнителем 200Р и связующим Инжект SL(B);
У2 - углепластик с наполнителем 200Т и связующим Инжект SL(B);
У3 - углепластик с наполнителем АСМ С300Х и связующим Инжект SL(B).
Далее приведены примеры расшифровки обозначения некоторых образцов:
• образец У1р1-0-1: У1 - углепластик с наполнителем 200Р; Р1 - испытание на растяжение по стандарту ASTM D3039/D3039M; образец нарезан в направлении основы нити (0°);
• образец У3(Д)С-90-5: У3 - углепластик с наполнителем АСМ С300Х; Д - наличие технологического дефекта; с - испытание на сжатие; образец нарезан в направлении 90° к основе нити.
В исследовании выполнены статические испытания 65 образцов, из которых 22 испытания проведены на растяжение Р1, 14 - на растяжение Р2, 20 - на трёхточечный изгиб и 9 - на сжатие. Испытания на растяжение и изгиб проводились на универсальной испытательной машине Z050TE Allround-Line Table-Top Machine, а испытания на сжатие - на WDW-300E. Нагружение образца проводилось со скоростью 2 мм/мин в испытании на растяжение, и 5 мм/мин в испытании на трёхточечный изгиб и сжатие. Все испытания проводились при нормальной температуре.
На рис. 5 показан характер разрушения испытанных образцов для определения механических характеристик композитов, на рис. 6 - характер разрушения образцов при исследовании влияния отверстия на работоспособность композита.
а б Рис. 5. Характер разрушения образцов для определения механических характеристик композитов: а - при растяжении Р1; б - при трёхточечном изгибе
б
Рис. 6. Характер разрушения образцов при исследовании влияния отверстия на работоспособность композита: а - при растяжении Р2; б - при сжатии
а
Vestnik of Samara University. Aerospace and Mechanical Engineering
V. 23, no. 2, 2024
Определение механических характеристик композита на растяжение
Результаты испытаний по стандарту ASTM D3039/D3039M для определения механических (упругих и прочностных) характеристик композитных пластин при растяжении и оценки влияния производственных дефектов представлены в табл. 3. Результаты расчёта сходимости результатов испытаний представлены в табл. 4.
Таблица 3. Результаты испытаний для определения механических характеристик композитных пластин при растяжении
№ Серия Образец Fmax , Н иВ, МПа е, % E, МПа ц
У1Р1-0-1 30600 658,37 2,5 53900 0,11
У1Р1-0-2 28400 632,33 2,3 56400 0,09
У1Р1-0-3 30700 651,96 3,0 54100 0,09
1 У1р1 У1Р1-0-4 25500 579,95 2,1 55500 0,09
У1Р1-90-1 27200 595,06 2,0 53100 0,11
У1Р1-90-2 25800 554,24 2,0 53400 0,09
У1Р1-90-3 25500 549,65 2,0 53400 0,08
У1Р1-90-4 26000 561,88 1,9 52200 0,09
У2Р1-0-1 27700 643,93 2,9 58600 0,09
У2Р1-0-2 33100 768,63 3,0 56700 0,07
2 У2р1 У2Р1-0-3 29900 722,27 2,7 55600 0,08
У2Р1-90-1 25500 585,14 2,5 57100 0,10
У2Р1 -90-2 27800 655,69 3,1 56900 0,07
У2Р1-90-3 33100 748,18 2,7 58600 0,08
УЗ(Д)р1-0-1 8240 112,40 9,3 8310 1,02
УЗ(Д)р1-0-2 6480 94,66 5,8 8160 1,02
УЗ(Д)р1-0-3 10600 150,08 15,1 9380 0,95
3 У3(Д)Р1 УЗ(Д)р1-0-4 10700 157,17 12,9 9460 0,96
УЗ(Д)р1-90-1 7710 101,97 20,3 5600 0,81
УЗ(Д)р1-90-2 9150 128,50 15,5 9310 1,38
У3(Д)р1-90-3 9590 129,41 20,3 7230 1,01
УЗ(Д)р1-90-4 6890 102,79 18,4 6360 0,94
Таблица 4. Коэффициенты вариации СУ для серий образцов
№ Серия Подсерия CV, %
F max е E ц
1 У1р1 У1р!-0 8,48 5,64 16,67 2,16 10,52
У1р1-90 2,85 3,63 2,53 1,07 13,60
2 У2р1 У2Р1-0 9 8,86 5,33 2,66 12,5
У2Р1 -90 13,53 12,33 11,04 1,61 18,33
3 У3(Д)Р1 У3(Д)р1-0 22,56 23,30 37,94 7,80 3,82
У3(Д)р1-90 15,05 13,27 12,18 22,48 23,62
Mechanical Engineering
Анализ результатов показал, что образцы серии У2Р1 из ткани 200Т (саржевого переплетения) продемонстрировали большие по сравнению с образцами серии У1Р1
средние значения прочностных характеристик вдоль нитей основы: Етах(0) = 30233 Н,
СВ(о) = 711,6МПа. В то же время образцы серии У1 в целом продемонстрировали
меньшие коэффициенты вариации.
На рис. 7 - 9 представлены графики зависимости усилий от абсолютной деформации АЬ по сериям образцов.
Рис. 7. График зависимости усилий от абсолютной деформации серии образцов У1р1
Рис. 8. График зависимости усилий от абсолютной деформации серии образцов У2р1
Vestnik of Samara University. Aerospace and Mechanical Engineering
V. 23, no. 2, 2024
(1)УЗ(Д)Р1-0-1^—(2)У31Д]!>1 — 3) УЗ(Д)Р1-0-3 14] УЗ(Д]Р1-04
— [5)УЗЩ|Р1-90-1 [6)УЗЩ)П-90-2 |7) УЗ(Д)Р1-90-3 (8| УЗ(Д)Р1-90-4
Рис. 9. График зависимости усилий от абсолютной деформации серии образцов У3(Д)р1
Определение механических характеристик композита на трёхточечный изгиб
В процессе испытания на трёхточечный изгиб осуществлялось определение механических характеристик композитного изделия и выполнена оценка влияния производственных дефектов на данные характеристики. Образцы испытаний изготовлены из уг-леткани 200Т и связующего «Инжект SL(B)». Результаты испытаний представлены в табл. 5.
Таблица 5. Результаты испытаний на трёхточечный изгиб
№ Образец ^И СВ , s11, ЕИ, МПа № Образец С, МПа s11, ЕИ, МПа
CV, % МПа % CV, % %
Образцы без дефектов формования
1 Уи-0-1 812 1,9 42200 1 Уи-90-1 771 1,9 41900
2 Уи-0-2 851 2,0 42700 2 Уи-90-2 763 1,9 42800
3 Уи-0-3 769 1,8 44100 3 Уи-90-3 690 1,7 39400
4 Уи-0-4 708 1,8 43500 4 Уи-90-4 752 1,8 42000
5 Уи-0-5 782 1,9 41400 5 Уи-90-5 729 1,8 42700
6 X 784,4 1,88 42780 6 X 741 1.82 41760
7 CV 6,77 4,45 2,48 7 CV 4,40 4,60 3,30
Образцы с дефектом формования
1 У(Д)и-0-1 647 2,1 31000 1 У(Д)и-90-1 605 2,0 27000
2 У(Д)и-0-2 625 2,1 28300 2 У(Д)и-90-2 598 2,1 26000
3 У(Д)и-0-з 659 2,1 29400 3 У(Д)и-90-3 636 2,0 30100
4 У(Д)и-0-4 673 2,2 31200 4 У(Д)и-90-4 613 2,1 29500
5 У(Д)и-0-5 630 2,1 28600 5 У(Д)и-90-5 619 2,0 28700
6 X 646,8 2,12 29700 6 X 614,2 2,04 28260
7 CV 3,08 2,11 4,52 7 CV 2,37 2,68 6,08
Mechanical Engineering
Анализ результатов испытаний, представленных в табл. 5, показал, что дефекты в композите при его формовании влияют на работоспособность изделия, ослабляя его удельные характеристики. Например, образцы без дефектов Уи-0 оказались на 20% прочнее образцов с дефектами У(Д)и-0. Средние значения их пределов прочности соотносятся следующим образом: стВ[Уи-0] = 1,25^^.
Образцы без дефектов показали низкие значения коэффициентов вариации для модуля упругости композита, а образцы с технологическим дефектом - для прочностных характеристик ПКМ.
На рис. 10 и 11 представлены графики зависимости напряжений от абсолютной деформации образцов без дефектов и с дефектами. Как видно, образцы без дефектов более прочные и показали наименьшие деформации, подтверждая анализ результатов, представленных в табл. 5.
S* %
Рис. 10. График зависимости напряжений от абсолютной деформации образцов без дефектов
8й, %
Рис. 11. График зависимости напряжений от абсолютной деформации образцов с дефектами
Результаты испытаний на растяжение образцов с отверстиями
Результаты испытаний на растяжение по ГОСТ 33375-2015 для исследования влияния отверстия на механические характеристики композита представлены в табл. 6.
Таблица 6. Результаты исследования влияния отверстия на механические характеристики композита при растяжении
№ Образец Отверстие d, мм F , max > Н °В , МПа № Образец Отверстие d, мм F , max > Н °В , МПа
У2р2-0-1 0 55363 773,24 У2(Д)р2-0-1 0 56568 555,02
1 У2Р2-0-2 24337 338,96 У2(Д)р2-0-2 23795 239,48
У2р2-0-3 6 25936 355,29 У2(Д)р2-0-3 6 25861 250,98
У2р2-0-4 24526 335,97 У2(Д)р2-0-4 25498 247,46
У3(Д)р2-0-1 0 20628 171,38 У3(Д)р2-90-1 0 18672 151,70
3 У3(Д)р2-0-2 6 14291 114,84 4 У3(Д)р2-90-2 6 13712 115,81
У3(Д)р2-0-3 16336 133,10 У3(Д)р2-90-3 13477 108
Результаты испытаний, представленные в табл. 6, показали, что технологические отверстия в ПКМ оказали значительное влияние на прочностные характеристики изделий. Ослабление отверстием образцов У2Р2-0, У2(Д)Р2-0, У3(Д)Р2-0, У3(Д)Р2-90 достигло значений 56,55%; 56,85%; 33% и 28,8%, соответственно. В то же время производственные дефекты в композите из ткани 200Т оказали существенно меньшее влияние на работоспособность композита - средняя разрушающая нагрузка /гтах изделия У2(Д) незначительно отличается от аналогичного изделия У2 ^^тахУ2^д^Р2_0-1 =1,02^тахУ2Р2_0-11.
Результаты испытаний на сжатие образцов с отверстиями
Результаты испытаний на сжатие по стандарту ASTM D7137/D7137M-12, представленные в табл. 7, показали, что наличие вырезов в пластинах У3(Д)С привели к незначительному уменьшению значений пределов прочности образцов. Так, для образцов серии У3(Д)С-0 средние значения а™ снизились на 4,46%, а для образцов серии У3(Д)С-90 снизились на 10,11%. Для образцов серии У1С-90 разрушение происходило при потере устойчивости пластины за пределами зоны отверстия (рис. 12).
Таблица 7. Результаты исследования влияния отверстия на механические характеристики композита при сжатии
№ Серия Образец b, мм h, мм Отверстие d, мм рсж Н Pmax , Н of, МПа
1 У1с-90 У1С-90-1 100,75 2,30 0 21726 93,76
У1С-90-2 101,20 2,30 12 30318 130,25
У1С-90-3 100,40 2,30 12 26618 115,27
2 У3(Д)с-0 У3(Д)с-0-1 100,70 3,50 0 22340 63,38
У3(Д)с-0-2 99,25 3,50 12 21088 60,55
У3(Д)с-0-3 100,50 3,50 12 22204 63,12
3 У3(Д)с-90 У3(Д)с-90-1 100,00 3,50 0 30602 87,43
У3(Д)с-90-2 101,15 3,50 12 28018 79,14
У3(Д)с-90-3 99,75 3,50 12 27438 78,59
Mechanical Engineering
Рис. 12. Разрушение образца за пределами зоны отверстия
Заключение
Оценивая результаты исследования, следует отметить, что разработанная методика исследования механических характеристик композиционного материала содержит статические испытания образцов на одноосное растяжение, сжатие и трёхточечный изгиб, учитывает наличие в конструкциях технологических отверстий и производственных дефектов.
По результатам проведённых испытаний сделан вывод, что технологические отверстия в ПКМ оказывают значительное влияние на прочностные характеристики изделий.
Дефекты формования оказывают большее влияние на прочность композитных пластин из биаксиальной ткани с направлением волокон -45/+45 по сравнению с композитами с направлением волокон 0/90 .
Визуальный контроль испытаний изделий без дефекта формования выявил мгновенный характер разрушения образцов, а при испытании на сжатие изделия У3(Д) с дефектом наблюдался прогрессивный характер разрушения.
Результаты, полученные в ходе экспериментальных исследований, могут быть использованы для настройки и верификации цифровых моделей изделий из ПКМ.
Библиографический список
1. Фейгенбаум Ю.М., Бутушин С.В., Божевалов Д.Г., Соколов Ю.С. Композиционные материалы и история их внедрения в авиационные конструкции // Научный вестник ГосНИИ ГА. 2015. № 7 (318). С. 24-37.
2. Адхамов А., Нумонов А. Перспективы применения ПКМ в автомобильной промышленности // te^ra. 2021. № 1 (5). С. 8-13. DOI: 10.24411/2181-0753/2021100002
3. Кудрицкий В.Г. Композиционные материалы для узлов трения космического назначения // Полимерные материалы и технологии. 2022. Т. 8, № 3. С. 82-88. DOI: 10.32864/polymmattech-2022-8-3-82-88
4. Каблов Е.Н. Авиационное материаловедение: итоги и перспективы // Вестник Российской академии наук. 2002. Т. 72, № 1. С. 3-12.
5. Павлов С.И. САЕ-технологии в 2014 году: обзор достижений и анализ рынка // CAD/CAM/CAE Observer. 2015. № 4 (96). С. 25-35.
6. Сидорина А.И., Сафронов А.М., Куцевич К.Е., Клименко О.Н. Углеродные ткани для изделий авиационной техники // Труды ВИАМ. 2020. № 12 (94). С. 47-58. DOI: 10.18577/2307-6046-2020-0-12-47-58
Vestnik of Samara University. Aerospace and Mechanical Engineering
V. 23, no. 2, 2024
7. Асси А.Л. Экспериментальное исследование влияния выреза на прочность композитной пластины, армированной биаксиальной углетканью // Сборник трудов XXIV Всероссийской научно-технической конференции «Аэрокосмическая техника, высокие технологии и инновации - 2023» (15-17 ноября 2023 г., Пермь). Пермь: Издательство Пермского национального исследовательского политехнического университета, 2023. С. 26-27.
8. Асси А.Л., Болдырев А.В. Разработка методики экспериментального исследования прочности слоистого углепластика с отверстием при растяжении // Сборник трудов Всероссийской молодёжной научной конференции с международным участием «XVII Королёвские чтения» (3-5 октября 2023 г., Самара). Т. 1. Самара: Издательство Самарского университета, 2023. С. 144-145.
9. Комаров В.А., Кишов Е.А., Чарквиани Р.В., Павлов А.А. Расчётно-экспериментальный анализ прочности изделий из эпоксидного тканевого углепластика // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета им. академика С.П. Королёва (национального исследовательского университета). 2015. Т. 14, № 2. С. 106-112. DOI: 10.18287/2412-7329-2015-14-2-106-112
10. Mr. Sanхthosh Kumar. M, Dr. S.G. Gopala Krishna, Dr. Rajanna. S. Study on effect of thickness and fibre orientation on a tensile and flexural properties of a hybrid composite // Journal of Engineering Research and Applications. 2014. V. 4, Iss. 8. P. 56-66.
11. Воробей В.В., Маркин В.Б. Контроль качества изготовления и технология ремонта композитных конструкций. Барнаул: ООО «МЦ ЭОР», 2015. 310 с.
12. Carello M., Amirth N., Airale A.G., Monti M., Romeo A. Building block approach' for structural analysis of thermoplastic composite components for automotive applications // Applied Composite Materials. 2017. V. 24. P. 1309-1320. DOI: 10.1007/s10443-017-9592-x
13. Комаров В.А., Павлов А.А., Павлова С.А. Экспериментально-аналитическое определение упругих характеристик слоистого тканевого композита // Вестник Самарского университета. Аэрокосмическая техника, технологии и машиностроение. 2022. Т. 21, № 2. С. 65-79. DOI: 10.18287/2541-7533-2022-21-2-65-79
14. ГОСТ 25.601-80. Расчёты и испытания на прочность. Методы механических испытаний композиционных материалов с полимерной матрицей (композитов). Метод испытания плоских образцов на растяжение при нормальной, повышенной и пониженной температурах. М.: Издательство стандартов, 1980. 14 с.
15. ASTM D3039/D3039M. Standard test method for tensile properties of polymer matrix composite materials. ASTM International, 2017. 13 p.
16. ГОСТ Р 56810-2015. Композиты полимерные. Метод испытания на изгиб плоских образцов. М.: Стандартинформ, 2016. 19 с.
17. ГОСТ 33375-2015. Композиты полимерные. Метод испытания на растяжение образцов с открытым отверстием. М.: Стандартинформ, 2016. 7 с.
18. ASTM D7137/D7137M-12. Standard test method for compressive residual strength properties of damaged polymer matrix composite plates. ASTM International, 2012. 16 p.
19. ГОСТ 33495-2015. Композиты полимерные. Метод испытания на сжатие после удара. М.: Стандартинформ, 2015. 19 с.
20. ASTM D790-17. Standard test methods for flexural properties of unreinforced and reinforced plastics and electrical insulating materials. ASTM International, 2017. 12 p.
21. Митряйкин В.И., Беззаметнов О.Н. Прочность многослойных пластин с ударными повреждениями // Ученые записки Казанского университета. Серия: Физико-математические науки. 2022. Т. 164, № 2-3. С. 206-220. DOI: 10.26907/2541-7746.2022.23.206-220
Mechanical Engineering
EXPERIMENTAL RESEARCH OF THE EFFECT OF MANUFACTURING HOLES AND DEFECTS ON THE MECHANICAL CHARACTERISTICS OF LAMINATED POLYMER COMPOSITE
© 2024
Postgraduate Student of the Department of Aircraft Construction and Design; Samara National Research University, Samara, Russian Federation; ttukasi@mail.ru
Doctor of Science (Engineering), Associate Professor, Head of the Department of Aircraft Construction and Design;
Samara National Research University, Samara, Russian Federation; boldirev.av@ssau.ru
Candidate of Science (Engineering), Assistant of the Department of Aircraft Construction and Design, Engineer of the Research and Educational Center for Aircraft Construction;
Samara National Research University, Samara, Russian Federation; kipla@ssau.ru
The paper presents a developed methodology for experimental research of the mechanical characteristics of a laminated polymer composite, taking into account manufacturing holes and defects. The results of experimental determination of mechanical characteristics are presented, the influence of the filler material, the type of fabric fiber weave, holes and manufacturing defects on the mechanical characteristics of laminated carbon fiber reinforced plastic are analyzed. The test specimens were made from carbon fiber 200T, 200P, ACM C300X and binder "Inject SL(B)". Static tests of specimens for uniaxial tension, compression and three-point bending were performed.
Experimental research; laminated carbon fiber reinforced plastic; static tests; effect of hole; type of fiber; manufacturing defect; variation coefficient
Citation: Assi A.L., Boldyrev A.V., Pavlov A.A. Experimental research of the effect of manufacturing holes and defects on the mechanical characteristics of laminated polymer composite. Vestnik of Samara University. Aerospace and Mechanical Engineering. 2024. V. 23, no. 2. P. 74-88. DOI: 10.18287/2541-7533-2024-23-2-74-88
References
1. Feygenbaum Yu.M., Butushin S.V., Bozhevalov D.G., Sokolov Yu.S. Composite materials and history their introduction in aircraft structures. Scientific Bulletin of the State Scientific Research Institute of Civil Aviation. 2015. No. 7 (318). P. 24-37. (In Russ.)
2. Adkhamov A., Numonov A. Prospects for application of PCM in the automotive industry. tecNika. 2021. No. 1 (5). P. 8-13. (In Russ.). DOI: 10.24411/2181-0753/2021100002
3. Kudritsky V.G. Composite materials for space friction units. Polymer Materials and Technologies. 2022. V. 8, no. 3. P. 82-88. (In Russ.). DOI: 10.32864/polymmattech-2022-8-3-82-88
4. Kablov E.N. Aviation materials science: achievements and prospects. Vestnik Rossiyskoy Akademii Nauk. 2002. V. 72, no. 1. P. 3-12. (In Russ.)
5. Pavlov S.I. CAE technologies in 2014: review of achievements and market analysis. CAD/CAM/CAE Observer. 2015. No. 4 (96). P. 25-35. (In Russ.)
6. Sidorina A.I., Safronov A.M., Kutsevich K.E., Klimenko O.N. Carbon fabrics for aircraft products. Proceedings of VIAM. 2020. No. 12 (94). P. 47-58. (In Russ.). DOI: 10.18577/2307-6046-2020-0-12-47-58
7. Assi A.L. Eksperimental'noe issledovanie vliyaniya vyreza na prochnost' kompozitnoy plastiny, armirovannoy biaksial'noy ugletkan'yu. Sbornik trudov XXIV Vserossiyskoy nauchno-tekhnicheskoy konferentsii «Aerokosmicheskaya Tekhnika, Vysokie
A. L. Assi A. V. Boldyrev
А. A. Pavlov
Vestnik of Samara University. Aerospace and Mechanical Engineering
V. 23, no. 2, 2024
Tekhnologii i Innovatsii - 2023» (November, 15-17, 2023, Perm). Perm: Perm National Research Polytechnic University Publ., 2023. P. 26-27. (In Russ.)
8. Assi A.L., Boldyrev A.V. Razrabotka metodiki eksperimental'nogo issledovaniya prochnosti sloistogo ugleplastika s otverstiem pri rastyazhenii. Sbornik trudov Vserossiyskoy molodezhnoy nauchnoy konferentsii s mezhdunarodnym uchastiem «XVII Korolevskie Chteniya» (October, 3-5, 2023, Samara). V. 1. Samara: Samara University Publ., 2023. P. 144-145. (In Russ.)
9. Komarov V.A., Kishov E.A., Charkviani R.V., Pavlov A.A. Numerical and experimental study of the strength of fabric carbon-epoxy composite structures. Vestnik of the Samara State Aerospace University. 2015. V. 14, no. 2. P. 106-112. (In Russ.). DOI: 10.18287/2412-7329-2015-14-2-106-112
10. Mr. Sanxthosh Kumar. M, Dr. S.G. Gopala Krishna, Dr. Rajanna. S. Study on effect of thickness and fibre orientation on a tensile and flexural properties of a hybrid composite. Journal of Engineering Research and Applications. 2014. V. 4, Iss. 8. P. 56-66.
11. Vorobey V.V., Markin V.B. Kontrol' kachestva izgotovleniya i tekhnologiya remonta kompozitnykh konstruktsiy [Manufacturing quality control and repair technology for composite structures]. Barnaul: OOO «MTs EOR» Publ., 2015. 310 p.
12. Carello M., Amirth N., Airale A.G., Monti M., Romeo A. Building block approach' for structural analysis of thermoplastic composite components for automotive applications. Applied Composite Materials. 2017. V. 24. P. 1309-1320. DOI: 10.1007/s10443-017-9592-x
13. Komarov V.A., Pavlov A.A., Pavlova S.A. Experimental and analytical determination of the elastic characteristics of layered woven composites. Vestnik of Samara University. Aerospace and Mechanical Engineering. 2022. V. 21, no. 2. P. 65-79. (In Russ.). DOI: 10.18287/2541-7533-2022-21-2-65-79
14. GOST 25.601-80. Design calculation and strength testings. Methods of mechanical testing of polymeric composite materials test for tensile properties on plane specimens at normal, elevated and low temperatures. Moscow: Izdatel'stvo Standartov, 1980. 14 p. (In Russ.)
15. ASTM D3039/D3039M. Standard test method for tensile properties of polymer matrix composite materials. ASTM International, 2017. 13 p.
16. GOST P 56810-2015. Polymer composites. Test method for flexural flat samples. Moscow: Standartinform Publ., 2016. 19 p. (In Russ.)
17. GOST 33375-2015. Polymer composites. Test method for open-hole tension testing of specimens. Moscow: Standartinform Publ., 2016. 7 p. (In Russ.)
18. ASTM D7137/D7137M-12. Standard test method for compressive residual strength properties of damaged polymer matrix composite plates. ASTM International, 2012. 16 p.
19. GOST 33495-2015. Polymer composites. Test method for compression after impact. Moscow: Standartinform Publ., 2015. 19 p. (In Russ.)
20. ASTM D790-17. Standard test methods for flexural properties of unreinforced and reinforced plastics and electrical insulating materials. ASTM International, 2017. 12 p.
21. Mitryaykin V.I., Bezzametnov O.N. Strength of multilayered plates with impact damage. Uchenye Zapiski Kazanskogo Universiteta. Seriya Fiziko-Matematicheskie Nauki. 2022. V. 164, no. 2-3. P. 206-220. (In Russ.). DOI: 10.26907/2541-7746.2022.2-3.206-220
