CC BY
20
УДК 539.3
ПОВЕДЕНИЕ ПОЛОГОЙ КОМПОЗИТНОЙ ПАНЕЛИ С НАЧАЛЬНЫМИ ДЕФЕКТАМИ ПРИ УДАРНОМ ВОЗДЕЙСТВИИ
А.Л. Медведский, М.И. Мартиросов, А.В. Хомченко
В работе представлены результаты численного моделирования поведения пологой цилиндрической панели из полимерного композита с множественными начальными межслоевыми дефектами при воздействии ударной нагрузки. Проведён анализ образования межслоевых расслоений в результате соударения для случая наличия и отсутствия начальных дефектов.
Ключевые слова: композитная панель, межслоевой дефект, ударная нагрузка, численное моделирование, развитие расслоений.
Изучение поведения конструкций из полимерных композиционных материалов (ПКМ) под действием нестационарных нагрузок является актуальной задачей в механике композитов. Особый интерес представляет изучение прочности элементов конструкций при наличии межслоевых дефектов различной формы и размеров, которые могут возникать на различных этапах жизненного цикла изделия из ПКМ. Ранее авторами в работах [1]-[3] уже были рассмотрены задачи поведения пластин, пологих гладких и подкреплённых цилиндрических панелей под действием нестационарных нагрузок различного характера.
1. Постановка задачи. В настоящей работе рассматривается пологая цилиндрическую панель длиной a = 750 мм, шириной b = 490 мм и стрелой подъёма c = 7.38 мм (рис. 1).
Панель выполнена из углепластика на основе препрега HexPly M21/34%/UD194/IMA (углеродная лента IMA на основе высокопрочного волокна HexTow IMA-12K и эпоксидное модифицированное связующее M21) производства фирмы Hexcel Composites (USA). Технология изготовления панели - автоклавная. Толщина монослоя h = 0.184 мм.
Рис. 1. Пологая цилиндрическая панель из ПКМ
Панель имеет типовую укладку монослоёв: [+4 5 °/-4 5 °/0 °/90°/0 °/-45 °/+4 5°], всего 7 монослоёв. Жёсткостные характеристики монослоя: E1 = 178000 МПа, E2 = 8600 МПа, G12 = 3000 МПа, л12 = 0.332, где E1 - модуль упругости в продольном направлении, E2 - модуль упругости в поперечном направлении, G12 - модуль упругости при сдвиге в плоскости листа, л12 - коэффициент Пуассона. Здесь и далее приведенные механические характеристики соответствуют режиму испытаний RTD (Root Temperature Dry) - испытания композитов при комнатной температуре +23 °C и влажности в состоянии поставки (состояние, в котором находятся образцы сразу после изготовления, содержание влаги в них не превышает 10% от максимального влагонасыщения при относительной влажности 85%).
В панели присутствуют начальные дефекты в виде расслоений эллиптической формы с осями 36 мм, 26 мм. Эти дефекты расположены между слоями №1-2, №2-3 и т.д. до №6-7 (рис. 2). Граничные условия соответствуют шарнирному опиранию вдоль длинных кромок. Задача решается с помощью метода конечных элементов (МКЭ) в программном комплексе LS-DYNA (Livermore Software Technology Corporation).
Рис. 2. Расслоения в форме эллипсов между слоями №1-7
159
2. Действие ударной нагрузки на цилиндрическую панель. В качестве объекта, которым наносится удар, используется стальной боёк со сферическим наконечником [4]-[7]. Диаметр наконечника принимается равным 18.75 мм.
На рис. 3 показана конечно-элементная модель (КЭМ) панели и бойка.
Рис. 3. КЭМ панели и бойка
В модели присутствует только внешняя оболочка наконечника бойка. В определённой точке задаётся сосредоточенная масса (15 кг). Масса соединяется с наконечником через элемент связи (КОВАЬ_ЫВЮ_ВОВУ_МРС). На рис. 4 показана КЭМ бойка. Скорость соударения принимается равной V = 12 м/с.
Рис. 4. КЭМ бойка
Удар направлен перпендикулярно панели в зону расположения начальных дефектов.
Каждый слой соединен клеевым контактом (АиТОМАТ1С_ОШ_ШАУ_ 8ШРАСЕ_ТО_ 8иКРАСБ_ Т1ЕВКЕАК), который при выполнении определённых условий может деградировать и разрушаться, тем самым образовывая расслоение. В зоны начальных дефектов учитывается односторонний контакт (АиТОМАТ1С_8иКБАСЕ_ТО_8иКБАСЕ).В качестве прочностных параметров клеевого соединения используется: №Ь8 = 10 МПа, = 10 МПа, О1С = 0.18 Н/м, О11С = 0.18 Н/м, где - предельное напряжение при отрыве, - предельное напряжение при сдвиге, Ос - вязкость разрушения при нормальном отрыве, Ос - вязкость разрушения при плоском сдвиге [8]-[9].
3. Результаты расчёта
На рис. 5 показано распределение прогибов панели в результате соударения в случае наличия в панели начальных межслоевых дефектов.
1
У>с)15р1асетеп1 7.840е-01 -3.7306-02 -8.586e.01 -1.6806+00 -2.501е+ОО -3.3226+00 -4.144е+00 -4.9656+00 -5.786е+00 -6.60Ве+00_ -7.4296+00 ■8.230е+00 -9.0716+00 -9.В93е+00 -1.0716+01 -1.1546+01 -1.236е+01 -1.318е+01 -1.4006+01
-1.4826+01 _ ■1.564е+01. ■1.646е+01. -1.7286+01. -1.8116+01 _ -1.8936+01 _ -1.9756+01
| 1 ■
Рис. 5. Распределение прогибов в момент времени 1,8 мс в панели при наличии дефектов 160
На рис. 6 дано изменение полной контактной силы.
Рис. 6. Изменение контактной силы
На рис. 7-8 показаны зоны расслоений между слоями №6-7 в различные моменты времени в результате соударения для случаев наличия и отсутствия начальных дефектов.
Рис. 7. Развитие расслоений в различные
моменты времени между слоями №6-7в панели с начальными дефектами
Рис. 8. Развитие расслоений в различные моменты времени между слоями №6-7 в панели без начальных дефектов
Из рис. 7-8 видно, что характер расслоений для случаев наличия и отсутствия начальных дефектов неодинаков.
На рис. 9 показано изменение площади расслоения в процессе соударения в случае наличия начальных дефектов.
180 160 140 120 100 £0 60 40 20 0
-Сдои №1-2 -Слои
Слои № 3-4
-Слои „\°4-5
-Слои.N^5-6
-Слои Лга 6-7
/
ГЛ Г
0,0 0,2 0,4 0.6
0,8 3:0 1,2 Время, ыс
2.4 1.6 1.1
Рис. 9. Изменение площади расслоения в процессе соударения в панели в случае наличия начальных дефектов
На рис. 10 показано изменение площади расслоения в процессе соударения в случае отсутствия начальных дефектов.
180
j^q -Слои1 2
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 Время, мс
Рис. 10. Изменение площади расслоения в процессе соударения в панели в случае отсутствия начальных дефектов
Из рис. 9-10 видно, что наибольшее разрушение наблюдается между слоями №6-7, причем с определённого момента времени (~ 1.4 мс) роста расслоений не наблюдается. Максимальная площадь расслоения в случае наличия начальных дефектов равна 164 ж«2, для случая отсутствия начальных дефектов - 153.9 мм2. Также следует отметить, что в случае отсутствия начальных дефектов расслоения распределены более равномерно по толщине, чем для случая наличия начальных дефектов.
Заключение. В результате численного анализа соударения металлического бойка со сферическим наконечником и пологой панели из ПКМ получена картина расслоений и их суммарная площадь. Максимальные значения суммарной площади расслоений между слоями №6-7 для случаев наличия и отсутствия начальных дефектов отличается примерно на 6%. Наблюдается неравномерный характер распределения разрушения межслоевого связующего по толщине пакета в случае наличия начальных дефектов.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (кода проекта № 18-08-01153 А).
Список литературы
1. Медведский А. Л., Мартиросов М.И., Хомченко А.В. Численное моделирование поведения пластины из полимерного композита под действием динамических нагрузок при наличии множественных дефектов между слоями // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. Выпуск 10. Тула, ТулГУ, 2018 г. С. 271-278.
2. Медведский А.Л., Мартиросов М.И., Хомченко А.В. Поведение пологой композитной панели с внутренними повреждениями под действием нестационарной нагрузки // Научно-технический журнал «Строительная механика и расчет сооружений». № 2, ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко, 2019 г. С. 43-47.
3. Медведский А.Л., Мартиросов М.И., Хомченко А.В. Динамика подкреплённой композитной панели со смешанной укладкой монослоёв с внутренними повреждениями при нестационарных воздействиях // Вестник Брянского государственного университета. №7, 2019 г. С. 35-41.
4. Chelluru S.K. Finite element simulations of ballistic impact on metal and composite plates. Master's thesis, Wichita State University, 2007, P. 114.
5. Deka L.J., Bartus S.D., Vaidya U.K. Damage Evolution and Energy Absorption of FRP Plates Subjected to Ballistic Impact Using a Numerical Model // 9th International LS-DYNA Users Conference, 2005.
6. Feng D., Aymerich F. Finite element modeling of damage induced by low-velocity impact on composite laminates // Composite Structures, Vol. 108, 2014, P. 161-171.
7. Iannucci L., Willows ML. An energy based damage mechanics approach to modeling impact onto woven composite materials: Part II. Experimental and numerical results. Composites Part A // Applied Science and Manufacturing, 38(2), 2007, P. 540-554.
8. LS-Dyna Keyword User's Manual Volume I: Livermore Software Technology Corporation (LSTC), revision 9023.
9. LS-Dyna Keyword User's Manual Volume II: Material Models: Livermore Software Technology Corporation (LSTC), revision 9024.
Медведский Александр Леонидович, д-р физ.-мат. наук, доцент, mdv66@mail.ru, Россия, Жуковский, Центральный аэрогидродинамический институт им. проф. Н.Е. Жуковского,
Мартиросов Михаил Иванович, канд. техн. наук, доцент, vst@vst-st. ru, Россия, Москва, Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет),
162
Хомченко Антон Васильевич, инженер-конструктор 1 кат., anton.homchenko@irkut.com, Россия, Москва, ПАО «Научно-производственная корпорация «Иркут»
BEHA VIOR OF THE SHALLO W COMPOSITE PANEL WITH INITIAL DEFECTS A T STRIKE INFL UENCE
A.L. Medvedsky, M.I. Martirosov, A. V. Khomchenko
Presented numerical modeling results of composite shallow cylindrical panel behavior at presence initial multiple interlaminar defects at strike influence. The analysis delamination after strike influence is carried out.
Key words: composite panel, interlaminar defect, strike influence, delamination.
Medvedsky Aleksandr Leonidovich, doctor of physical and mathematical sciences, docent, mdv66@mail.ru, Russia, Zhukovsky, Central Aerohydrodynamic Institute,
Martirosov Mikhail Ivanovich, candidate of technical sciences, docent, vst@vst-st.ru, Russia, Moscow, Moscow Aviation Institute (National Research University),
Khomchenko Anton Vasilevich, design engineer 1 category, anton. homchenko@irkut. com, Russia, Moscow, IRKUT CORPORATION
УДК 621.98; 539.376
ВЛИЯНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ НА БОЧКООБРАЗОВАНИЕ ПРИ СОВМЕЩЕНИИ ОСАДКИ И ОБРАТНОГО ВЫДАВЛИВАНИЯ
Л.Е. Гололобова, И.В. Чупеткин, И. А. Чижов
В статье представлены результаты компьютерного моделирования совмещенного процесса осадки и обратного выдавливания цилиндрической заготовки из цветных специализированных сплавов. В ходе анализа результатов было выявлено формирование бочкообразности в осаживаемой части заготовки. В результате был проведен анализ влияния различных факторов на получение заготовки с минимальной бочкообразностью.
Ключевые слова: осадка, выдавливание, совмещение операций, бочкообразование, обработка давлением, исследование.
Как в общем, так и специальном машиностроении часто встречаются изделия, представляющие собой совокупность цилиндрических поверхностей различного диаметра. Например, различного рода фланцевые изделия, изделия типа «Цапфа» и т.д. Практическое использование данных видов изделий весьма широко. Они применяются, как и в ответственных узлах и агрегатах, так и там, где не требуются повышенные эксплуатационные характеристики. В случае применения их в узлах техники авиационно-космической области к таким изделиям предъявляются высокие требования по качеству и массе. Если рассматривать изготовление таких изделий пластическим формообразованием, то возникает целый ряд вопросов, касательно обеспечения формирования требуемой геометрии и обеспечения напряженно-деформированного состояния, на которые используя имеющиеся справочные данные сложно найти ответ. Изотермическая штамповка позволяет значительно сократить дефектообразование, снизить напряжения и давления операции. В этой связи было выполнено моделирование совмещенного процесса осадки и обратного выдавливания прутковых заготовок из алюминиевого сплава АМг6 и титанового сплава ВТ6С в программе QFORM. В процессе реализации данной операции реализуется сложное течение материала [1-3]. Схема процесса показана на рис. 1.
Для моделирования процесса осадки-выдавливания предполагалось в качестве материала заготовки применялись сплавы АМг6 (температура обработки 450°С) и ВТ6С (температура обработки 900°С). Предполагалось использование заготовок со следующими размерами: d0 = 50,55,60,65,70 мм; я = 1 мм; 10 мм; 15 мм ; И = 30, 50 мм; d1 = 30мм. Скорость перемещения инструмента У0 = 0,01 ...50 мм/с.
