CC BY
2
УДК 691.175.3
DOI: 10.15593/2224-9982/2023.75.09
А.В. Бабушкин, А.В. Бабушкина, И.П. Ожгихин
Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Пермь, Российская Федерация
УТОЧНЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК 3D-АРМИРОВАННЫХ УГЛЕПЛАСТИКОВ АВИАЦИОННОГО НАЗНАЧЕНИЯ ПРИ ПЕРЕКРЕСТНОМ НАБЛЮДЕНИИ ЗА ПРОЦЕССОМ ДЕФОРМИРОВАНИЯ
В последние годы бурно развиваются технологии создания изделий авиакосмического транспорта из объемно-армированных полимерных композиционных материалов (вязаные структуры, 3D-армированные, прошивные и т.п.). При этом внедрение структурно чувствительных материалов в промышленность сталкивается с существенными сложностями. Так, при переходе от стандартных образцов через конструктивно-подобные элементы и далее к изделию характеристика «прочность материала» может деградировать на порядок. Для объемных структур стандартные методики определения механических характеристик могут оказаться непригодными ввиду существенного отличия их механического поведения от традиционных ламинатов и текстолитов, на которые в первую очередь ориентированы стандарты.
Проведено уточнение стандартных методик механических испытаний образцов объемноармированных полимерных композиционных материалов через применение так называемых «дополнительных средств измерений» в ходе процесса нагружения типа систем анализа полей деформаций методом корреляции цифровых изображений, метода акустической эмиссии, тепловизионного сканирования. При анализе результатов стандартных испытаний неоднозначные диаграммы выявлены при сжатии полосок с отверстием, растяжении образцов, испытаниях на четырехточечный изгиб и на сдвиг. Изготовлены образцы различных типов объемноармированного углепластика с учётом необходимости установки дополнительных средств измерений. Получены результаты пробных испытаний для подтверждения неоднозначности диаграмм, выявлены возможности проведения параллельных измерений различного типа. Получены совмещённые диаграммы нагружения и дополнительных измерений. На основе анализа предварительных данных сделан вывод о принципиальной возможности объективного уточнения механических характеристик.
Ключевые слова: экспериментальная механика композитов, 3D-углепластики, вязаные преформы, механические испытания композиционных материалов, неоднозначные диаграммы деформирования, дополнительные средства измерений процесса деформирования, система анализа полей деформаций методом корреляции цифровых изображений, система акустической эмиссии, система тепловизионного сканирования, физический отклик, фундаментальный принцип уточнения механических характеристик.
A.V. Babushkin, A.V. Babushkina, I.P. Ozhgikhin
Perm National Research Politechnic University, Perm, Russian Federation
CLARIFICATION OF MECHANICAL CHARACTERISTICS 3D-REINFORCED CARBON FIBER PLASTICS FOR AVIATION PURPOSES UNDER CROSS-OBSERVATION BEHIND THE DEFORMATION PROCESS
In recent years, technologies for creating aerospace transport products from volumetrically reinforced polymer composite materials (knitted structures, 3D-reinforced, stitched, etc.) have been rapidly developing. At the same time, the introduction of structurally sensitive materials into industry faces significant difficulties. So, when moving from standard samples, through structurally similar elements, and further to the product, the "strength of the material" can degrade by an order of magnitude. For volumetric structures, standard methods for determining mechanical characteristics may not be suitable due to the significant difference in their mechanical behavior from traditional laminates and textoliths, which are primarily targeted by standards.
The standard methods of mechanical testing of samples of volumetrically reinforced polymer composite materials have been refined through the use of so-called "additional measuring instruments" during the loading process, such as systems for analyzing deformation fields by digital image correlation, acoustic emission method, thermal imaging scanning. When analyzing the results of standard tests, ambiguous diagrams were revealed during compression of strips with a hole, stretching of samples, tests for four-point bending and shear. Samples of various types of volumetrically reinforced carbon fiber were made, taking into account the need to install additional measuring instruments. The results of trial tests were obtained to confirm the ambiguity of the diagrams, and the possibilities of conducting parallel measurements of various types were revealed. Combined diagrams of loading and additional measurements were obtained. Based on the analysis of preliminary data, a conclusion is made about the fundamental possibility of objective refinement of mechanical characteristics.
Keywords: experimental mechanics of composites, 3D carbon fiber plastics, knitted preforms, mechanical tests of composite materials, ambiguous deformation diagrams, additional means of measuring the deformation process, a system for analyzing deformation fields using digital image correlation, an acoustic emission system, a thermal imaging scanning system, physical response, the fundamental principle of clarifying mechanical characteristics.
В последние годы бурно развиваются технологии создания изделий авиакосмического транспорта из объемноармированных полимерных композиционных материалов (вязаные структуры, 3D-армированные, прошивные и т.п.). При этом внедрение структурно чувствительных материалов в промышленность для создания высокоответственных изделий сталкивается с существенными сложностями. Так, при переходе от стандартных образцов через конструктивно-подобные элементы и далее к изделию характеристика «прочность материала» может деградировать на порядок. Для определения и/или верификации механических свойств и характеристик композиционных материалов существует множество стандартных (как ГОСТ, так и особенно ASTM) методик. Однако для объемных структур данные методики часто становятся непригодными ввиду существенного отличия их механического поведения от традиционных ламинатов и текстолитов, на которые в первую очередь ориентированы стандарты. Например, проблемы могут возникать при испытаниях на сжатие, сдвиг и изгиб - при определении предела прочности на диаграмме отсутствует очевидный максимум. Стандарты в подобных ситуациях предлагают, как правило, некоторый формальный признак (ограничитель). Результаты, полученные на основе таких ограничений, совершенно не отражают физические процессы, формальны, ложны. Если в партии образцов большинство или все результаты получены с применением формальных ограничителей, то результат приходится признать неудовлетворительным и часто смириться с невозможностью адекватной экспериментальной оценки данной характеристики.
В ответственных конструкциях аэрокосмической техники наибольшее распространение получили конструкционные и функциональные армированные пластики. Современное состояние и направления развития в области производства и применения армированных пластиков на основе стекло-, угле- и органоволокон приведены в работах [1-8], рассмотрены вопросы целесообразности и опыт применения перспективных полимерных композитов в конструкциях узлов и деталей авиационных силовых установок и ракетно-космической техники.
Проектирование ответственных авиационных конструкций, очевидно, связано с достоверным знанием свойств, характеристик и особенностей поведения композитов в условиях эксплуатации. В области испытаний композиционных материалов накоплен большой опыт, однако развитие материаловедения в части создания новых конструкционных композиционных материалов значительно опережает процессы разработки и создания научно-обоснованных методов испытания композитов. В связи с чем исследователям нередко приходится самостоятельно дорабатывать, если это возможно, существующие стандартные методы испытаний композитов, а зачастую разрабатывать собственные методики экспериментального исследования свойств композитов. Некоторые особенности и методики проведения статических испытаний композиционных материалов и методики планирования эксперимента рассмотрены в работах [9-11].
При этом актуальными задачами являются разработка методик экспериментальных исследований и комплексные исследования механического поведения композитов в условиях, максимально приближенных к эксплуатационным режимам [12-17].
Экспериментальные работы, направленные на мониторинг процессов деформирования и разрушения с использованием современного испытательного оборудования, позволяют получать новые, гораздо более объективные, экспериментальные данные, решая проблемы перевода структурночувствительных материалов в производство изделий без значительного снижения начальных характеристик на основе комплексно-перекрёстных способов исследования.
На сегодня известны различные «эффекты» и особенности поведения композиционных материалов при проведении «обычных» испытаний. Такие особенности, как положительная бимодульность, отрицательный коэффициент Пуассона и пр., не являются чем-то удивительным [18, 19]. В этом ряду можно упомянуть и неоднозначные диаграммы: диаграммы, имеющие множество срывов на восходящем участке, не имеющие явного максимума и т.п.
Таким образом целью данной работы является выявление возможностей и построение алгоритмов объективного определения механических свойств и характеристик объёмноармиро-ванных полимерных композиционных материалов авиационного назначения, основанного на учете реальной физической деградации свойств при нагружении. Достижение данной цели основано на развитии методологии проведения экспериментальных исследований с использованием современных испытательных и измерительных систем и изучении механического поведения конструкционных композитов, создании научных основ внедрения структурночувстви-тельных материалов и инновационных решений при изготовлении высокоответственных изделий авиационно-космической промышленности.
Объект исследования и технология
Для исследования были взяты образцы, преформы которых изготовлены с помощью технологии ЭБ-ткачества с шестью различными способами переплетения. На рис. 1 изображены шесть схем переплетения ЭБ-тканых перформ: ортоганальная (Orthogonal, А); ортога-нальная комбинированная (Orthogonalconjoint, В); с попарно межслойным армированием (Layer-to-layerinterlocked, С); с попарно межслойным армированием и продольным слоем (Layer-to-layerinterlockedwithwarp, D); с попарно межслойным комбинированным армированием (Layer-to-layerinterlockedconjoint, Е) и со сквозным межслойным армированием (Angleinterlocked, F).
Тип А Тип В Тип С Тип D Тип Е Тип F
Рис. 1. Изображения вязаных преформ для изготовления образцов 3D-apMHpoBaHHbix композиционных материалов: А - ортогональная, В - ортогональная комбинированная, С - с попарно межслойным армированием, D - с попарно межслойным армированием и продольным слоем, Е - с попарно межслойным комбинированным армированием, F - со сквозным межслойным армированием
В качестве технологии получения образцов из композиционных материалов использовался метод Resin Transfer Molding (RTM). Коэффициент наполнения волокном в образцах достигал значений 55 ± 5 %. Образцы были изготовлены из углеродной нити Umatex UMT49 (ООО «Дипчел», Россия) и связующего ВСЭ-59 (ФГУП ВИАМ).
Таким образом были получены образцы композиционных материалов всех исследуемых структур для всех видов испытаний. На рис. 2 приведены продольный (а) и поперечный (б) шлифы образцов одной из структур. Ультразвуковой контроль и контроль методом оптической микроскопии позволил сделать вывод о том, что образцы имеют однородную и сплошную структуру, а также о наличии и характере микроповреждений и внутренних дефектов до проведения испытаний.
б
Рис. 2. Пример структуры композита на основе 3D-преформ: а - продольный шлиф; б - поперечный шлиф
Комплекс методик механических испытаний
Механические испытания выполнены в Пермском национальном исследовательском политехническом университете с использованием возможностей Центра экспериментальной механики. Комплекс испытательного и измерительного оборудования для реализации программы испытаний включал в себя системы:
- электромеханические испытательные системы Instron 5900 серии с диапазоном максимальных нагрузок от 5 до 600 кН, дополнительно оснащенных бесконтактным видеоэкстензо-метром Instron AVE (рис. 3);
- цифровая оптическая система для анализа полей деформаций Vic-3D, предназначена для бесконтактного измерения деформаций по всей поверхности материала в процессе испытания образцов или эксплуатации элементов конструкции. Диапазон измеряемой деформации от 0,005 до 2000 %, скорость съёмки 15 кадр/с, разрешение DCP камер 4,0 Мп; синхронизация с контроллером испытательной системы; математический аппарат программного обеспечения основан на методе корреляции цифровых изображений; интегрированные модули «виртуальный экстензометр» и «виртуальный тензорезистор»;
- инфракрасная тепловизионная система FLIR SC7700M, скорость съёмки до 2900 Гц, время формирования кадра от 3 до 20 мкс с шагом 1 мкс, чувствительность меньше 0,025 °C;
- акустико-эмиссионная система Vallen-Systeme GmbH AMSY-6, предназначена для многоканальной регистрации сигналов акустической эмиссии и измерений в реальном масштабе времени параметров акустической эмиссии, используемой для неразрушающего контроля, оценки технического состояния объектов и изучения поведения материалов в процессе деформирования. Имеет восемь независимых каналов, частота дискретизации 10 МГц, частотный диапазон 5-3000 Гц;
- стереомикроскоп Carl Zeiss SteREO Discovery.V12. Оборудование позволяет проводить анализ поверхно-
Рис. 3. Универсальная электромеханическая испытательная система INSTRON 5988
стей разрушения с целью выявления закономерностей и развития моделей накопления повреждений; определять механизмы разрушения композиционных материалов при различных видах нагружения для развития математических моделей процессов неупругого деформирования и структурного разрушения композитов.
Замеры образцов проводились по рекомендациям соответствующих стандартов. Толщины образцов измерялись при помощи цифровой микрометрической головки Mitutoyo 164-162, установленной на цифровом калибраторе Epsilon. Цена деления прибора составляла 0,001 мм, погрешность прибора ± 0,004 мм. Линейные размеры образцов были измерены при помощи штангенциркуля ШЦК-1-300-0,01. Цена деления прибора составляла 0,01 мм, погрешность прибора ± 0,04 мм. Все приборы имели соответствующие сертификаты о поверке средства измерения.
При анализе результатов стандартных испытаний неоднозначные диаграммы выявлены для следующих видов испытаний: сжатие полосок с отверстием Open Hole, растяжение образцов-полосок, испытания на четырехточечный изгиб, испытания на сдвиг.
Испытания на сжатие образцов с отверстием. Замеры на сжатие образцов с отверстием проводились в соответствии с рекомендациями ASTM D 64841 по эскизу (рис. 4).
Испытания проводились на электромеханической системе Instron 5989 в соответствии с рекомендациями ASTM D 6484 (сжатие) (рис. 5). Скорость подвижного захвата при сжатии 5 мм/мин. Нагрузка измерялась динамометрическим датчиком с величиной предельной нагрузки 600 кН. Точность измерения составляла 0,5 % от измеряемой величины в диапазоне 0,2-1 % номинальной предельной нагрузки датчика и 0,4 % от измеряемой величины в диапазоне 1-100 % номинальной предельной нагрузки датчика.
По результатам испытаний для каждой группы образцов были построены диаграммы «нагрузка - перемещение» и получены механические характеристики. Из испытаний на сжатие образцов с отверстием определялись следующие характеристики: разрушающая нагрузка, кН; предел прочности, МПа. Характеристики определялись по диаграммам деформирования согласно рекомендациям ASTM D 6484 при сжатии. При расчете предела прочности площадь поперечного сечения образцов определяется без учета отверстия.
Испытания на одноосное растяжение. Испытания на одноосное растяжение проводились на электромеханической системе Instron 5982 в соответствии с рекомендациями ASTM D 30392. Скорость подвижного захвата была выбрана равной 2 мм/мин. Нагрузка измерялась динамометрическим датчиком с величиной предельной нагрузки 100 кН. Точность измерения составляла 0,5 % от измеряемой величины в диапазоне 0,2-1 % номинальной предельной нагрузки датчика и 0,4 % от измеряемой величины в диапазоне 1-100 % номинальной предельной нагрузки датчика. Для измерения продольной деформации образцов использовался бесконтактный видеоэкс-
1 ASTM D 6484. Standard Test Method for Open-Hole Compressive Strength of Polymer Matrix Composite Laminates.
ASTM D 3039. Standard Test Method for Tensile Properties of Polymer Matrix Composite Materials.
тензометр, принцип работы которого основан на определении координат контрастных (белых или черных) меток измерительной базы, нанесенных на рабочую часть образца (рис. 6, а), при помощи цифровой видеокамеры с высоким разрешением. Абсолютная погрешность измерений деформации с помощью видеоекстензометра ± 2 мкм. Измерительная база составляла ~100 мм. Для измерения поперечных деформаций использовался навесной экстензометр Epsilon 3575-250M-ST с максимально возможным отклонением от измеряемой величины 0,2 %. А для регистрации сигналов акустической эмиссии применялась акустико-эмиссионная система Vallen-SystemeGmbH AMSY-6 (рис. 6, б).
а б
Рис. 6. Фото образца с установленными датчиками АЭ: а - с лицевой стороны; б - с обратной стороны
По результатам испытаний для каждой группы образцов были построены диаграммы «напряжение - деформация» и получены основные механические характеристики. По результатам испытаний определялись следующие характеристики материалов: разрушающая нагрузка, кН; предел прочности, МПа; модуль упругости, ГПа; коэффициент Пуассона; продольная деформация, %. Характеристики определялись по диаграммам деформирования согласно рекомендациям ASTM D 3039.
Испытания на четырехточечный изгиб искривленной балки. Испытания на четырехточечный изгиб искривленной балки проводились на электромеханической системе 1шйоп 5965 в соответствии с рекомендациями ASTM D 64153. Скорость подвижного захвата была выбрана 2 мм/мин. Нагрузка измерялась динамометрическим датчиком с величиной предельной нагрузки 5 кН. Точность измерения составляла 0,5 % от измеряемой величины в диапазоне 0,2-1 % номинальной предельной нагрузки датчика и 0,4 % от измеряемой величины в диапазоне 1-100 % номинальной предельной нагрузки датчика.
Образец устанавливали в оснастку для четырехточечного изгиба, изготовленного на основе рекомендаций ASTM D 6415 (рис. 7). Расстояние между центрами нижних опор 100 мм, расстояние между центрами верхних опор 75 мм, диаметры прижимных вращающихся валов 9,5 мм. Образцы испытывались до полного разрушения, однако для некоторых структур испытание останавливалось при перемещении траверсы на 17 мм в связи с технологической особенностью оснастки. Контроль процесса разрушения образцов проводился методом акустической эмиссии трех образцов каждого типа.
3 ASTM D 6415. Composite Curved Beam Strength Testing.
а б
Рис. 7. Образец композиционных материалов (КМ) в виде искривленной балки, установленный в оснастку для испытаний на четырехточечный изгиб: а - для стандартных испытаний; б - с дополнительными средствами измерений (ViC-3D и AMSY6)
По результатам испытаний для каждого образца была построена диаграмма «нагрузка -перемещение» и получены основные механические характеристики. Согласно ASTM D 6415 в качестве механической характеристики в данном случае рассчитывалась несущая способность CBS, измеряемая в ньютонах, Н.
Испытания на сдвиг в плоскости. Испытания проводились на электромеханической системе Instron 5982 в соответствии с рекомендациями ASTM D 53794. Скорость подвижного захвата была выбрана равной 2 мм/мин. Нагрузка измерялась динамометрическим датчиком с величиной предельной нагрузки 100 кН. Точность измерения составляла 0,5 % от измеряемой величины в диапазоне 0,2-1 % номинальной предельной нагрузки датчика и 0,4 % от измеряемой величины в диапазоне 1-100 % номинальной предельной нагрузки датчика. Для проведения испытаний на сдвиг использовалось специальное приспособление. Образец (рис. 8) вставлялся в приспособление и выравнивался по центру с помощью инструмента выравнивания. Деформации сдвига определялись с использованием трёхмерной цифровой оптической системы Vic-3D (рис. 9).
Рис. 8. Образец с V-образными надрезами для испытаний на сдвиг в плоскости укладки (ASTM D 5379)
4 ASTM D 5379. Standard Test Method for Shear Properties of Composite Materials by the V-Notched Beam Method.
Рис. 9. Образец при испытании на сдвиг в плоскости, подготовленный для испытаний с дополнительными средствами измерений (ViC-3D и AMSY6)
Регистрация деформации осуществлялась с использованием дополнительного модуля программного обеспечения видеосистемы «виртуальный экстензометр». Принцип его действия аналогичен навесному экстензометру и заключается в отслеживании взаимного смещения между двумя точками поверхности образцов в соответствии с прикладываемым усилием. Для оценки сдвиговых деформаций устанавливались два «виртуальных экстензометра» под углом ±45° по отношению к оси нагружения. При этом измерительная база экстензометра составляла 1,5 ± 1 мм по рекомендации ASTM D 5379.
Из испытаний определялись предел прочности при сдвиге F1, МПа; предельная деформация сдвига ya, %; модуль сдвига G, ГПа; условная прочность на сдвиг F°, МПа. По результатам испытаний для каждой группы образцов были построены диаграммы «напряжение - деформация» и «нагрузка - перемещение» траверсы, а также определены основные механические характеристики согласно ASTM D 5379.
Комплекс методик дополнительных измерений
Корреляция цифровых изображений. Регистрация эволюции неоднородных полей деформаций реализована с использованием бесконтактной трехмерной цифровой оптической системы анализа полей перемещений и деформаций Vic-3D (Correlated Solutions) (рис. 10).
Рис. 10. Бесконтактная трехмерная цифровая оптическая система анализа полей перемещений и деформаций Vic-3D
В исследованиях использовался комплект цифровых черно-белых камер (Q-400) с разрешением 4,0 Мп и частотой съемки 15 Гц при полном разрешении кадра.
Программное обеспечение Vic-3D основано на методе корреляции цифровых изображений, что требует нанесения контрастного мелкодисперсного покрытия на поверхность образца перед проведением испытания. Подготовка поверхности осуществляется путем нанесения белой основы и совокупности черных точек с помощью аэрозольной матовой акриловой краски.
Эксперимент с использованием видеосистемы включает в себя несколько этапов: подготовительный (подготовка поверхности образца, настройка испытательного оборудования, подбор параметров корреляционного анализа); калибровка камер; видеофиксация (в течение испытания осуществляется при помощи программного пакета Vic-Snap, который позволяет устанавливать параметры процесса съемки изображений); процесс съемки образца во время нагружения; обработка полученных цифровых фотографий и, наконец, вывод и анализ результатов.
В программном обеспечении видеосистемы предусмотрено использование разных корреляционных критериев математической оценки соответствия цифровых изображений. В работе использовался критерий нормированной суммы квадратов разностей (NSSD - normalized sum of squared difference). Данный критерий менее чувствителен к изменению освещенности (яркости) образца в процессе деформирования, обеспечивает наилучшее сочетание временных затрат и точности результатов.
В ходе постобработки системой Vic-3D осуществлялось вычисление компонент продольных деформаций (Syy) с помощью тензора конечных деформаций в представлении Лагранжа:
Sy = '/2 (Uij + j + ukl uk]).
На рис. 11 для примера приведены поля продольных и поперечных деформаций образцов 3D-углеплaстикa группы «С» при испытаниях на сдвиг.
а б
Рис. 11. Поля деформаций на поверхности образца 3D-углепластика группы «С»: а - продольные ехх; б - поперечные гху
Тепловизионное сканирование. Регистрация температурных зависимостей и их анализ осуществлялись с помощью инфракрасной тепловизионной системы FLIR SC7700M (рис. 12), оснащенной КРТ-детектором (кадмий - ртуть - теллур), с частотой съемки 25 Гц. Разрешение камеры составляет 6,4 Мп, чувствительность менее 0,025 °С.
Эксперимент с использованием тепловизора включает в себя несколько этапов: подготовительный; процесс съемки образца во время испытания; обработка полученных цифровых фотографий; вывод и анализ результатов.
Тепловой метод контроля заключается в фиксации инфракрасного (ИК) излучения и его преобразовании в видимый спектр. С его помощью устанавливают неоднородность объектов. По способам контроля подразделяется на активный и пассивный тепловой контроль (ТК). В данных испытаниях применялся пассивный ТК.
Рис. 12. Инфракрасная тепловизионная система FLIR SC7700M
Акустическая эмиссия. Для регистрации сигналов акустической эмиссии (АЭ) в процессе деформирования применялась многоканальная система AMSY-6 фирмы Vallen GmbH (рис. 13).
Использовались широкополосные пьезоэлектрические датчики AE105A (частотный диапазон 450-1150 кГц) и предусилитель (коэффициент усиления 34 дБ). Частота дискретизации данных - 10 МГц, пороговое значение при регистрации сигналов АЭ - 40 м дБ. Используемый датчик крепился к образцу с помощью резинки и высоковакуумной силиконовой смазки.
а б в
Рис. 13. Состав системы для регистрации сигналов АЭ AMSY-6: а - пьезоэлектрический датчик АЭ; б - предусилитель; в - блок обработки сигналов АЭ
Методика проведения механических испытаний с использованием AMSY-6 состоит из нескольких этапов: подготовительный этап; процесс съемки образца во время испытания; обработка полученных цифровых фотографий; вывод и анализ результатов.
Для контроля качества установки датчиков, исправности предусилителей, целостности кабелей, выбора правильного порогового значения были проведены тестовые испытания после сбора всей схемы, имитируя сигнал АЭ с использованием излома от источника Су-Нильсена. Регистрация сигналов АЭ начинается одновременно с началом нагружения и производится непрерывно в течение всего процесса нагружения.
Параметры регистрации данных АЭ выбираются исходя из параметров проведения механических испытаний (скорости нагружения). Осуществлялась предварительная фильтрация по пороговому значению 30,2 дБ и фильтрация с использованием полосового фильтра 25-850 кГц.
Регистрация данных АЭ для всех образцов осуществлялась с помощью специальной аппаратной опции, которая дает возможность возведения в квадрат и интегрирования сигнала, в результате чего можно получить значение энергетического параметра сигнала. Суммируя значения энергетического параметра за все предыдущие временные интервалы, можно ввести понятие кумулятивной энергии, которая отражает степень накопления дефектов в материале.
Проведение пробных испытаний и результаты первичного анализа
С целью выявления возможностей и построения алгоритмов объективного определения механических свойств и характеристик объёмноармированных полимерных композиционных материалов авиационного назначения, основанного на учете реальной физической деградации свойств при нагружении, реализована серия механических испытаний с использованием дополнительных средств регистрации. В результате пробных испытаний были получены поля деформаций в процессе нагружения, зависимости изменения температур от перемещения, энергетического параметра сигналов АЭ от перемещений, совмещенные с графиками нагружения.
При комплексных перекрёстных измерениях отдельной проблемой оказывается синхронизация показателей отдельных систем с процессом деформирования образца. В данном случае каждое испытание с дополнительными системами измерений проводилось через единый контроллер с синхронизацией по времени. Таким образом, процесс деформирования, поток сигналов акустической эмиссии и, например, изменение средней температуры рабочей части образца можно изобразить в одном графическом пространстве (рис. 14).
0 50 100 150 t, с
Рис. 14. Временные зависимости, полученные при испытании образца 3D-углепластика группы Е: 1 - нагрузка, 2 - кумулятивная энергия; 3 - изменение температуры
Так, проведены пробные испытания образцов ЭБ-углепластиков при сдвиге в плоскости укладки совместно с бесконтактной трехмерной цифровой оптической системой анализа полей перемещений и деформаций Vic-3D (Correlated Solutions). На рис. 15 изображены диаграммы деформирования (а) и нагружения (б). При сравнении этих диаграмм видно, что одна из них неоднозначна, другая вполне определена.
а б
Рис. 15. Диаграммы деформирования (а) и нагружения (б) образца 3D-углепластика группы А при использовании бесконтактной трехмерной цифровой оптической системы анализа полей
перемещений и деформаций Vic-3D
Проведены пробные испытания образцов-полосок 3Б-углепластиков при растяжении с одновременным тепловизионным сканированием. После процедуры синхронизации результаты выглядели так, как показано на рис. 16. При этом обращает на себя внимание существенная разница температурного отклика образцов углепластика разной структуры даже в простейшем случае растяжения. Так, структура «А» при растяжении на линейном восходящем участке даёт минимальные всплески на термограмме. Напротив, структура «Е» даёт активные всплески, что косвенно свидетельствует о наличии внутренних сдвигов даже на самых ранних стадиях деформирования.
АТ, °С 50
45 40 35 30 25 20 15 10
Р, Н
АТ, °С
6000,0 25
Нагрузка
к
\
Температура / ......„
7000,0 30
5000,0
4000,0
3000,0
2000,0
1000,0
20
15
10
0,0
/ 1
Нагрузка / 1
/
/
/ Температура
Р, н 4000,0
3500,0
3000,0
2500,0
2000,0
1500,0
1000,0
500,0
50 100 150 200 250 300
и с
50
100
150
200
0,0 250 и с
б
Рис. 16. Синхронизированные зависимости процессов деформирования и тепловизионного сканирования при растяжении 3D-углепластиков: а - для структуры «А»; б - для структуры «Е»
При проведении пробных испытаний на четырёхточечный изгиб искривлённой балки (см. рис. 7) проводился перекрёстный мониторинг сигналов акустической эмиссии (см. рис. 7, б). При синхронизации сигналов обнаружилось, что всплески выбросов кумулятивной энергии фиксируются уже на ранней стадии деформирования. Затем при разрушении образца наблюдается сигнал с максимальной энергией, который сопровождается срывом на диаграмме нагруже-ния и потерей несущей способности образца. Как правило, максимальный всплеск по энергетическому параметру совпадает на диаграмме с максимальной нагрузкой, после чего образец теряет несущую способность (рис. 17).
Однако в ходе испытаний были получены зависимости с отличающимся характером сигналов АЭ. На рис. 18 можно наблюдать два всплеска, практически равных по значениям, один из которых зафиксирован при разрушении образца, а другой - в середине испытания при незначительном срыве на диаграмме.
а
Рис. 17. Синхронизированные диаграммы нагружения и кумулятивной энергии акустической эмиссии при четырёхточечном изгибе искривлённой балки углепластика группы «А»
0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 Ц, ММ
Рис. 18. Пример образца группы «В» с двумя всплесками энергетического параметра сигналов
Также во время испытаний встречались образцы, испытания на которых заканчивались без видимого срыва на диаграмме нагружения, а при достижении определенных значений нагрузки и перемещений. На рис. 19 в испытании максимальный всплеск энергетического параметра зафиксирован в первой трети испытания, тогда как нагрузка продолжала расти дальше, однако при этом значения энергии сигналов АЭ постепенно уменьшались.
При анализе результатов стандартных испытаний и испытаний с дополнительными измерениями, в частности системы регистрации сигналов АЭ AMSY-6, была выявлена следующая закономерность. На совмещённых диаграммах наблюдается характерный пик кумулятивной энергии, который находился рядом с максимальным значением нагрузки. А суммарный объём кумулятивной энергии, выделившийся до разрушения образца, имеет стабильное для данной группы значение. Это позволяет выдвинуть следующую гипотезу: при испытаниях для материала максимальную нагрузку следует искать на участке диаграммы деформирования (нагружения), который характеризуется двумя параметрами - критическим суммарным значением кумулятивной энергии и наличием локального пика-максимума. Аналогичная особенность также была выявлена в работе [17] при анализе иных аспектов подобного исследования (рис. 20).
Рис. 19. Неодназначные диаграммы нагружения, совмещенные с зависимостью энергетического параметра сигналов АЭ от перемещений
Рис. 20. Диаграмма деформирования сдвигом образца 3D-углепластика серии «С», совмещенная с графиком распределения энергетического параметра сигналов АЭ [17]
Таким образом, сделан фундаментальный вывод о принципиальной возможности объективного уточнения механических характеристик 3Б-углепластиков на основе выдвинутой гипотезы. Графически наглядно данную гипотезу можно представить так, как это сделано на рис. 21. Работы по подтверждению данной гипотезы, её расширение на другие средства дополнительных измерений, а также верификация продолжаются.
Рис. 21. Принцип выявления объективных значений прочности в случае неоднозначных диаграмм и перекрёстных измерений в процессе деформирования материала
Заключение
Таким образом, в ходе исследований проведено уточнение стандартных методик проведения механических испытаний образцов объемноармированных полимерных композиционных материалов через применение так называемых «дополнительных средств измерений» в ходе процесса нагружения типа систем анализа полей деформаций методом корреляции цифровых изображений (DIC), метода акустической эмиссии, метода ультразвуковой дефектоскопии, теп-ловизионного сканирования. Изготовлены образцы различных типов объемноармированного углепластика (по результатам анализа стандартных испытаний) с учётом необходимости установки дополнительных средств измерений. Получены результаты пробных испытаний для подтверждения неоднозначности диаграмм, выявлены возможности проведения параллельных измерений различного типа. Получены совмещённые диаграммы нагружения и дополнительных измерений. На основе анализа предварительных данных сделан вывод о принципиальной возможности объективного уточнения механических характеристик.
Библиографический список
1. Субботин В.В., Гринев М.А. Опыт применения материалов производства ФГУП «ВИАМ» и PORCHER в конструкциях узлов и деталей авиационных силовых установок из полимерных композиционных материалов [Электронный ресурс]] // Новости материаловеденья. Наука и техника. - 2013. - № 5. - URL: http://www.materialsnews.ru/plugins/content/joumal/uploads/articles/pdf/45.pdf (дата обращения: 03.04.2023).
2. Технологии и задачи механики композиционных материалов для создания лопатки спрямляющего аппарата авиационного двигателя / А.Н. Аношкин [и др.] // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. - 2014. - № 4. - С. 5-44. DOI: 10.15593/perm.mech/2014.4.01
3. Полимерные композиционные материалы нового поколения на основе связующего ВСЭ-1212 и наполнителей, альтернативных наполнителям фирм Porcher Ind. и Toho Tenax / А.Г. Гуняева [и др.] // Авиационные материалы и технологии. - 2018. - № 3 (52). - C. 18-26. DOI: 10.185 77/2071-9140-2018-0-3-18-26
4. Automated manufacture of 3D reinforced aerospace composite structures / Dell'Anno G. et al. // International Journal of Structural Integrity. - 2012. - Vol. 3, iss. 1. - P. 22-40.
5. Bilisik K. Multiaxis three-dimensional weaving for composites: A review // Textile Research Journal. -2012. - Vol. 82, № 7. - Р. 725-743.
6. Review of applications for advanced three-dimensional fibre textile composites / A.P. Mouritz, M.K. Bannister, P.J. Falzon, K.H. Leong // Composites Part A: Applied Science and Manufacturing. - 1999. -Vol. 30, № 12. - Р. 1445-1461.
7. Полимерные композиционные материалы / С.Л. Баженов, А.А. Берлин, А.А. Кульков, В.Г. Ошмян. -Долгопрудный: Интеллект, 2010. - 352 с.
8. Михайлин Ю.А. Конструкционные полимерные композиционные материалы. - 2-е изд., испр. и доп. - СПб.: Научные основы и технологии, 2010. - 822 с.
9. Полилов А.Н. Экспериментальная механика композитов. - М.: Моск. Гос. техн. ин-т им. Н.Э. Баумана, 2016. - 375 с.
10. Welsh J.S., Adams D.F. Current Status of Compression Test Methods for Composite Materials // SAMPE Journal. - January 1997. - Vol. 33, no. 1. - P. 35-43.
11. Hussain A.K., Adams D.F. Experimental Evaluation of the Wyoming-Modified Two-Rail Shear Test Method for Composite Materials // Experimental Mechanics. - 2004. - Vol. 44, № 4. - P. 354-364.
12. Tensile properties and damage evolution in vascular 3D woven glass/epoxy composites / A.M. Coppola, P.R. Thakre, N.R. Sottas, S.R. White // Composites Part A: Applied Science and Manufacturing. - 2014. -Vol. 59. - P. 9-17.
13. Kucher N.K., Zarazovskii M.N., Danil'chuk E.L. Deformation and strength of laminated carbon-fiber-reinforced plastics under a static thermomechanical loading // Mechanics of Composite Materials. - 2013. -Vol. 48, no. 6. - P. 669-680.
14. Панин С.В., Старцев О.В., Кротов А.С. Диагностика начальной стадии климатического старения ПКМ по изменению коэффициента диффузии влаги [Электронный ресурс] // Труды ВИАМ. - 2014. -№ 7. - URL: http://viam-works.ru/ru/articles?art_id=688 (дата обращения: 08.08.2023).
15. Исследование влияния температурных факторов на процесс старения новых полимерных композиционных материалов для мотогондолы авиационного двигателя / Е.В. Николаев, Т.Г. Коренькова, А.К. Шведкова, Е.О. Валевин // Труды ВИАМ. - 2015. - № 3. - С. 1-13.
16. Experimental studies of 3D woven composites interweaving types effect on the mechanical properties of a polymer composite material / E.M. Strungar, E.V. Feklistova, A.V. Babushkin, D.S. Lobanov // Procedia Structural Integrity. - 2019. - Vol. 17. - P. 965-970.
17. Experimental study of shear properties of 3D woven composite using digital image correlation and acoustic emission / E.M. Strungar, A.S. Yankin, E.M. Zubova, A.V. Babushkin, A.N. Dushko // Acta Mechanica Sinica/Lixue Xuebao. - 2020. - № 36 (2). - P. 448-459. DOI: 10.1007/s10409-019-00921-7
18. Гольдштейн Р.В., Морозов Н.Ф. Механика деформирования и разрушения наноматериалов и нанотехнологии // Физическая мезомеханика. - 2007. - С. 17-30.
19. Бабушкин А.В. Эффекты и особенности механического поведения композиционных материалов при термомеханических воздействиях / XII Всероссийский съезд по фундаментальным проблемам теоретической и прикладной механики: сб. тр. в 4 т. Т. 3: Механика деформируемого твердого тела. -Уфа: Ред.-изд. центр Башкир. гос. ун-та, 2019. - С. 1156-1158. DOI: 10.22226/2410-3535-2019-congress-v3
References
1. Subbotin V.V., Grinev M.A. Opyt primeneniia materialov proizvodstva FGUP «VIAM» i PORCHER v konstruktsiiakh uzlov i detalei aviatsionnykh silovykh ustanovok iz polimernykh kompozitsionnykh materialov [Experience in the use of materials manufactured by FSUE "VIAM" and PORCHER in the designs of components and parts of aircraft power plants made of polymer composite materials] // Materials science news. Science and technology. 2013. № 5. (http://www.materialsnews.ru/plugins/content/journal/uploads/articles/pdf/45.pdf).
2. Anoshkin A.N. [et al]. Tekhnologii i zadachi mekhaniki kompozitionnykh materialov dlia sozdaniia lo-patki spriamliaiushchego apparata aviatsionnogo dvigatelia [Technologies and tasks of mechanics of composite materials for the creation of a blade straightening apparatus of an aircraft engine] // Bulletin of the Perm National Research Polytechnic University. Mechanics. 2014. № 4. pp. 5-44. DOI: 10.15593/perm.mech/2014.4.01.
3. Guniaeva A.G. [et al]. Polimernye kompozitsionnye materialy novogo pokoleniia na osnove sviazuiushchego VSE -1212 i napolnitelei, al'ternativnykh napolniteliam firm Porcher Ind. i Toho Tenax [Polymer composite materials of a new generation based on the binder VSE -1212 and fillers alternative to fillers from Porcher Ind. and Toho Tenax] // Aviation materials and technologies. 2018. № 3 (52). C. 18-26. DOI: 10.185 77/2071 -9140-2018-0-3-18-26.
4. Automated manufacture of 3D reinforced aerospace composite structures / Dell'Anno G. et al. // International Journal of Structural Integrity. 2012. Vol. 3. Issue: 1. pp. 22-40.
5. Bilisik K. Multiaxis three-dimensional weaving for composites: A review // Textile Research Journal. 2012. Vol. 82, № 7. pp. 725-743.
6. Mouritz A.P., Bannister M.K., Falzon P.J., Leong K.H. Review of applications for advanced three-dimensional fibre textile composites // Composites Part A: Applied Science and Manufacturing. 1999. Vol. 30. № 12. pp. 1445-1461.
7. Bazhenov S.L., Berlin A.A., Kul'kov A.A., Oshmian V.G. Polimernye kompozitsionnye materialy [Polymer composite materials]. Dolgoprudny: Publishing house "Intellect", 2010. - 352 p.
8. Mikhailin Yu. A. Konstruktsionnye polimernye kompozitsionnye materialy [Structural polymer composite materials]. St. Petersburg: Scientific foundations and technologies, 2010. - 822 p.
9. Polilov A.N. Eksperimental'naia mekhanika kompozitov [Experimental mechanics of composites] / Moscow: Bauman Moscow State Technical University, 2016. - 375 p.
10. Welsh J.S., Adams D.F. Current Status of Compression Test Methods for Composite Materials // SAMPE Journal. Vol. 33. No. 1, January 1997. pp. 35-43.
11. Hussain A.K., Adams D.F. Experimental Evaluation of the Wyoming-Modified Two-Rail Shear Test Method for Composite Materials // Experimental Mechanics. 2004.Vol. 44. № 4. pp. 354-364.
12. Anthony M. Coppola, Piyush R.Thakre, Nancy R.Sottos, Scott R. WhiteTensile properties and damage evolution in vascular 3D woven glass/epoxy composites, Composites Part A: Applied Science and Manufacturing. Vol. 59. 2014. pp. 9-17.
13. Kucher N.K., Zarazovskii M.N., Danil'chuk E.L. Deformation and strength of laminated carbon-fiber-reinforced plastics under a static thermomechanical loading // Mechanics of Composite Materials. 2013. Vol. 48. № 6. pp. 669-680.
14. Panin S.V., Startsev O.V., Krotov A.S. Diagnostika nachal'noi stadii klimaticheskogo stareniia PKM po izme-neniiu koeffitsienta diffuzii vlagi [Diagnostics of the initial stage of climatic aging polymer composite materials by changing the moisture diffusion coefficient] // Trudy VIAM. 2014. № 7. (http://viam-works.ru/ru/articles?ait_id=688).
15. Nikolaev E.V., Korenkova T.G., Shvedkova A.K., Valevin E.O. Issledovanie vliianiia temperaturnykh faktorov na protsess stareniia novykh polimernykh kompozitsionnykh materialov dlia motogondoly aviatsion-
nogo dvigatelia [Investigation of the influence of temperature factors on the aging process of new polymer composite materials for the engine nacelle of an aircraft engine] // Trudy VIAM. 2015. № 3. pp. 1-13.
16. Strungar E.M., Feklistova E.V., Babushkin A.V., Lobanov D.S. Experimental studies of 3D woven composites interweaving types effect on the mechanical properties of a polymer composite material // Procedia Structural Integrity. Vol. 17. 2019. pp. 965-970.
17. Strungar E.M., Yankin A.S., Zubova E.M., Babushkin A.V., Dushko A.N. Experimental study of shear properties of 3D woven composite using digital image correlation and acoustic emission // Acta Mechanica Sinica/Lixue Xuebao. 2020. 36 (2). pp. 448-459. DOI: 10.1007/s10409-019-00921-7.
18. Goldstein R.V., Morozov N.F. Mekhanika deformirovaniia i razrusheniia nanomaterialov i nanotekhnologii [Mechanics of deformation and destruction of nanomaterials and nanotechnology] // Physical mesomechanics, 2007. рр. 17-30.
19. Babushkin A.V. Effekty i osobennosti mekhanicheskogo povedenii kompozitsionnykh materialov pri termomekhanicheskikh vozdeistviiakh [Effects and features of the mechanical behavior of composite materials under thermomechanical influences] / XII Russian Congress on Fundamental Problems of Theoretical and Applied Mechanics: collection of works in 4 volumes. Vol. 3: Mechanics of deformable solids. Ufa, 2019. pp. 1156-1158. DOI: 10.22226/2410-3535-2019-congress-v3.
Об авторах
Бабушкин Андрей Викторович (Пермь, Российская Федерация) - кандидат технических наук, доцент кафедры «Экспериментальная механика конструкционных материалов», Пермский национальный исследовательский политехнический университет (Пермь, 614990, Комсомольский пр., 29, e-mail: bav651@yandex.ru).
Бабушкина Анна Викторовна (Пермь, Российская Федерация) - кандидат технических наук, доцент кафедры «Механика композиционных материалов и конструкций», Пермский национальный исследовательский политехнический университет (Пермь, 614990, Комсомольский пр., 29, e-mail: annvikoz@mail.ru).
Ожгихин Иван Петрович (Пермь, Российская Федерация) - магистрант кафедры «Экспериментальная механика конструкционных материалов», Пермский национальный исследовательский политехнический университет (Пермь, 614990, Комсомольский пр., 29, e-mail: kiason202@gmail.com).
About the authors
Andrey V. Babushkin (Perm, Russian Federation) - Ph. D. in Technical Sciences, Ass. Professor, Department of Experimental Mechanics of Structural Materials, Perm National Research Polytechnic University (29, Komsomolsky av., Perm, 614990, e-mail: bav651@yandex.ru).
Anna V. Babushkina (Perm, Russian Federation) - Ph. D. in Technical Sciences, Ass. Professor, Department of Composite Materials and Structures, Perm National Research Polytechnic University (29, Komsomolsky av., Perm, 614990, e-mail: annvikoz@mail.ru).
Ivan P. Ozhgikhin (Perm, Russian Federation) - Undergraduate Student, Department of Experimental Mechanics of Structural Materials, Perm National Research Polytechnic University (29, Komsomolsky av., Perm, 614990, e-mail: kiason202@gmail.com).
Финансирование. Работа выполнена в рамках и при финансовой поддержке гранта Российского научного фонда (РНФ № 23-29-00931).
Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Вклад авторов. Все авторы сделали равный вклад в подготовку публикации.
Поступила: 03.12.2023
Одобрена: 04.12.2023
Принята к публикации: 11.12.2023
Просьба ссылаться на эту статью в русскоязычных источниках следующим образом: Бабушкин, А.В. Уточнение механических характеристик 3D-aрмировaнных углепластиков авиационного назначения при перекрестном наблюдении за процессом деформирования / А.В. Бабушкин, А.В. Бабушкина, И.П. Ожгихин // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Аэрокосмическая техника. - 2023. - № 75. -С. 103-119. DOI: 10.15593/2224-9982/2023.75.09
Please cite this article in English as: Babushkin A.V., Babushkina A.V., Ozhgikhin I.P. Clarification of mechanical characteristics 3D-reinforced carbon fiber plastics for aviation purposes under cross-observation behind the deformation process. PNRPU Aerospace Engineering Bulletin, 2023, no. 75, pp. 103-119. DOI: 10.15593/2224-9982/2023.75.09
