Оценка влияния сложного напряженного состояния на кинетику деформирования и разрушения полимерных композитов с концентраторами напряжений при статическом и циклическом нагружениях

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 23-19-20039

НазваниеОценка влияния сложного напряженного состояния на кинетику деформирования и разрушения полимерных композитов с концентраторами напряжений при статическом и циклическом нагружениях

Руководитель Сапожников Сергей Борисович, Доктор технических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южно-Уральский государственный университет (национальный исследовательский университет)" , Челябинская обл

Конкурс №77 - Конкурс 2023 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами» (региональный конкурс)

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-101 - Прочность, живучесть и разрушение материалов и конструкций

Ключевые слова Полимерный композитный материал (ПКМ), гибридизация, ударные повреждения, концентрация напряжений, сложное напряженное состояние, прочность, накопление повреждений, нелинейное циклическое деформирование, численное моделирование, метод конечных элементов (МКЭ)

Код ГРНТИ30.19.51

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Полимерные композитные материалы обладают исключительно высокой удельной прочностью и значительно превосходят по этому показателю традиционные конструкционные металлы и сплавы. В то же время, полного замещения металлов на композиты в высоконагруженных конструкциях, к которым предъявляются жесткие требования по весу, так и не произошло. Одной из таких причин является преимущественно хрупкая природа разрушения, что выражается в высокой чувствительности к наличию концентраторов напряжений в случае квазистатического нагружения. Использование гибридных псевдопластичных композитов позволяет частично решить данную проблему, но приводит к образованию вокруг концентратора зоны поврежденного материала. Кроме того, нет данных о влиянии ударных повреждений, также являющихся концентраторами напряжений, на остаточную статическую и усталостную прочность псевдопластичных гибридов. Существующие методы проектирования и оценки прочности композитных конструкций с концентраторами напряжений в виде отверстий и дефектов на базе МКЭ на данный момент не являются научно-завершёнными. Из проблем можно отметить: - В инженерных приложениях при анализе напряженно-деформированного состояния конструкций игнорируется фактическое нелинейное поведения композитов, что не позволяет полностью использовать деформационные и прочностные ресурсы материала. Важно отметить, что нелинейность деформирования вызвана, как правило, накоплением повреждений в слоях. - Использование явной схемы интегрирования по времени при решении краевых задач для исключения проблем сходимости из-за нелинейного поведения композитов в расчетах требует значительных вычислительных ресурсов, что затрудняет применение такого подхода для анализа прочности крупногабаритных конструкций. - Верификация параметров существующих численных моделей нелинейного поведения в зоне концентрации напряжений выполнятся, во многих случаях, по результатам испытаний образцов с отверстием/дефектом при растяжении или сжатии, в то время как большинство композитных элементов подвергаются воздействию разнонаправленной нагрузки. В результате конструкция обладает избыточной прочностью даже при использовании гибридных ПКМ, ее вес незначительно отличается от металлического аналога, в то время как стоимость и сложность изготовления могут быть на порядок больше. Данный проект ставит перед собой цель разработать ряд экспериментально-расчетных методов, обеспечивающих повышение адекватности результатов конечно-элементного анализа композитных конструкций с концентраторами напряжений в виде отверстий/ударных повреждений при квазистатическом и ультрамалоцикловом (до 100 циклов) нагружениях. Впервые планируется провести детальную оценку влияния мезоструктуры композита на его чувствительность к концентрации напряжений. Также впервые будет исследована прочность гибридных псевдопластичных композитов с концентраторами напряжений в виде отверстий и повреждений от локальных ударов при сложном напряженном состоянии. Будут предложены модификации существующих методов испытаний композитов для реализации в образцах с концентраторами различных видов плоского напряженного состояния. Еще одним элементом научной новизны является переход от верификации модели деформирования материала по результатам испытаний стандартных образцов, к верификации расчетной модели (комбинации сеточной модели, модели деформирования и критерия разрушения). Важно отметить, что в проекте не постулируется необходимость полного отказа от традиционных линейных постановок при конечно-элементном решении краевых задач квазистатического деформирования элементов с концентраторами из ПКМ, но предлагается сформировать границы их применимости и оценить целесообразность перехода к нелинейным постановкам в конкретных случаях.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Лешков Е.В., Сапожников С.Б. Прогнозирование прочности образцов из углепластика с концентраторами напряжений АЭРОКОСМИЧЕСКАЯ ТЕХНИКА, ВЫСОКИЕ ТЕХНОЛОГИИ И ИННОВАЦИИ – 2023. Материалы XXIV Всероссийской научно-технической конференции (г. Пермь, 15–17 ноября 2023 г.),, с. 130-131 (год публикации - 2023)

2. Гусейнов К.А., Силов В.А., Кудрявцев О.А., Сапожников С.Б. Численная оценка сдвиговой прочности композитного элемента при комбинированном нагружении с учетом нелинейного характера деформирования АЭРОКОСМИЧЕСКАЯ ТЕХНИКА, ВЫСОКИЕ ТЕХНОЛОГИИ И ИННОВАЦИИ – 2023. Материалы XXIV Всероссийской научно-технической конференции (г. Пермь, 15–17 ноября 2023 г.), с. 60-61 (год публикации - 2023)

3. Гусейнов К.А., Лешков Е.В., Кудрявцев О.А., Оливенко, Н.А., Сапожников С.Б. Two constitutive models based on unified shear curve to predict a nonlinear response of a fabric CFRP under 2D-stress state Physical Mesomechanics, Vol. 28, №3 (июль 2025) (год публикации - 2025)

4. Лешков Е.В., Оливенко Н.А., Кудрявцев О.А., Сапожников С.Б. Influence of Mesostructure and Notch Parameters on the Finite Elements Size in Numerical Simulations of Composite Structures Failure Lecture Notes in Mechanical Engineering, Proceedings of the 10th International Conference on Industrial Engineering. A. A. Radionov and V. R. Gasiyarov (Eds.): ICIE 2024, LNME, pp. 79–88, 2024. (год публикации - 2024)
10.1007/978-3-031-65870-9_9

5. С.Б. Сапожников, М.В. Жихарев МОНИТОРИНГ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОВОДИМОСТИ И АКУСТИЧЕСКИХ СОБЫТИЙ В УГЛЕПЛАСТИКЕ ПРИ ЦИКЛИЧЕСКОМ НАГРУЖЕНИИ ВПЛОТЬ ДО РАЗРУШЕНИЯ Композиты и наноструктуры, 2024 г., том 16, выпуск 4, с. 216-224. (год публикации - 2024)

6. С.Б. Сапожников, Е.В. Лешков, Д.С. Лобанов, Е.А. Чеботарёва Деформирование и разрушение тканевого углепластика при ультрамалоцикловом растяжении вдоль основы Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика (Вестник ПНИПУ. Механика), №5, 2024 (год публикации - 2024)

7. Е.В. Лешков, Н.А. Оливенко, А.В. Игнатова, О.А. Кудрявцев Influence of Mesostructure on Tensile Strength of Carbon Fibre-Reinforced Plastics Specimens with Holes and Impact Damages AIP Conference Proceedings (год публикации - 2025)

8. Гусейнов К.А., Силов В.А., Кудрявцев О.А., Сапожников С.Б. СРАВНЕНИЕ ЧЕТЫРЁХ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ МЕТОДИК ОПРЕДЕЛЕНИЯ УПРУГИХ И ПРОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОЛИМЕРНЫХ ТКАНЕВЫХ КОМПОЗИТОВ ПРИ ВНУТРИ- И МЕЖСЛОЙНОМ СДВИГЕ Механика композиционных материалов и конструкций, 2024, Том 30, №1, Страницы: 85-100 (год публикации - 2024)
10.33113/mkmk.ras.2024.30.01.06

9. К.А. Гусейнов, В.А. Силов, О.А. Кудрявцев, С.Б. Сапожников New fixture for determining shear properties of fibre-reinforced composites under in-plane biaxial loading AIP Conference Proceedings (год публикации - 2025)

10. Лешков Е.В., Гусейнов К.А., Оливенко Н.А., Кудрявцев О.А. Numerical Strength Assessment of Polymer Composite Materials with Holes Under Tensile/Shear Loading Lecture Notes in Mechanical Engineering, pp. 184-193 (год публикации - 2025)
10.1007/978-3-032-04273-6_17

11. Гусейнов К.А., Кудрявцев О.А., Сапожников С.Б. A NEW APPROACH FOR THE NUMERICAL ASSESSMENT OF FAILURE OF THE COMPOSITE DOVETAIL JOINT UNDER TENSILE LOADING PNRPU Mechanics Bulletin, 2025, no. 1, pp. 92-103 (год публикации - 2025)
10.15593/perm.mech/2025.1.07

12. Сапожников С.Б., Лешков Е.В., Игнатова А.В. НЕУПРУГОЕ ДЕФОРМИРОВАНИЕ И ПРОЧНОСТЬ ТКАНЕВОГО СТЕКЛОПЛАСТИКА С ОТВЕРСТИЕМ ПРИ ОДНОКРАТНОМ И УЛЬТРАМАЛОЦИКЛОВОМ НАГРУЖЕНИЯХ Композиты и наноструктуры (год публикации - 2026)

13. Лешков Е.В., Сапожников С.Б., Лобанов Д.С., Чеботарева Е.А. STRAIN AND DAMAGE KINETICS IN WOVEN CFRP AT ULTRA-LOW CYCLING TENSION Mechanics of Composite Materials, Vol. 61, No. 6, January, 2026, pp/ 1-10 (год публикации - 2026)

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
В 2024 году научно-исследовательская работа по проекту велась по нескольким направлениям в соответствии с заявленным планом работ. Ниже представлено описание проделанной работы по каждому из направлений в отчетном периоде. 1. Проведение испытаний при статическом комбинированном нагружении (растяжение/сжатие-сдвиг) образцов однородных и гибридных ПКМ с различными укладками на новой универсальной оснастке. 2. Испытания гладких образцов-полосок и образцов-полосок с отверстиями из однородных и гибридных композитов. Проведение экспериментального исследования влияния типа ударных дефектов на остаточную прочность однородных и гибридных композитов при различных видах нагружения. 3. Расширение функционала структурной модели за счет учета изменения кривой сдвига при действии растягивающих/сжимающих нормальных напряжений, а также за счет учета накопления повреждений в волокнах. 4. Исследование связи статической и усталостной прочности полимерных композитов с ползучестью. По результатам работы получены следующие научные результаты 1. По результатам испытаний образцов c V-образными надрезами при однократном комбинированном растяжении/сжатии-сдвиге в новой оснастке было установлено, что при деформации сдвига, не превышающей 5%, вид напряженного состояния и другие факторы не оказывают существенного влияния на поведение тканевых композитов. По результатам циклических испытаний образцов на сдвиг было установлено, что жесткость на сдвиг резко снижается при малых деформациях сдвига ≤3%, в то время как уровень повреждений композита в этом диапазоне деформаций достигает ⁓40%. 2. По результатам испытаний образцов с отверстиями установлено, что в зависимости от размера ячейки плетения композитные материалы, армированные с укладками отличными от однонаправленного армирования, обладают выраженной зоной нестабильного коэффициента концентрации напряжений в зависимости от размера концентратора. С ростом диаметра отверстия наблюдается рост коэффициента концентрации с последующей тенденцией к стабилизации. Размер концентратора, после которого коэффициент концентрации напряжений можно считать условно стабильным увеличивается с ростом размера ячейки плетения. 3. Результаты испытаний образцов с ударными дефектами показали, что подход, основанный на замене дефекта эквивалентным по диаметру отверстием корректно использовать при нагружении вдоль направления армирования. При растяжении под углом расчет по эквивалентному отверстию дает ошибку не в запас прочности. В случае гибридного композита наблюдается обратная ситуация, и расчет с эквивалентным отверстием является чрезвычайно консервативным. 4. Для описания физики поведения композитов с феноменологической точки зрения при циклическом нагружении структурная модель mFEA была модифицирована алгоритмом накопления повреждений в волокнах (FARGR). Также был разработан и апробирован алгоритм структурной модели с расширенным функционалом, который позволил учитывать нелинейное поведение связующего и рассеяние повреждений волокон при комбинированном нагружении. Алгоритм был верифицирован на основе диаграмм деформирования углепластика, полученных с использованием новой оснастки. Данная аналитическая модель подготовлена к внедрению в ANSYS через инструментарий UPF. 5. Получены новые экспериментальные данные по многоцикловой усталости псевдопластических квазиизотропных углепластиков на основе однонаправленных слоёв сверхвысокомодульных и сверхпрочных волокон. Выявлена связь статической и ультрамалоцикловой (до 100 циклов) прочности тканевого углепластика при растяжении вдоль волокон. Показано, что остаточная прочность после предварительного ультрамалоциклового растяжения превышает статическую прочность на 5-7%. Электрическими измерениями сопротивления R (на постоянном токе) блочного циклического нагружения косопорекрёстно-армированных углепластиков выявлено немонотонное изменение R с уменьшением и последующим увеличением перед разрушением, что может служить удобным (в техническом аспекте) критерием приближения к разрушению.

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
В 2025 году выполнены следующие работы: 1. Проведены однократные и циклические испытания образцов-полосок гибридного композита с отверстием. 2. Проведены сравнительные однократные и циклические испытания образцов однородного тканевого углепластика в новой оснастке и образцов полосок. 3. Выполнена интеграция структурной модели в ANSYS на базе UPF. 4. Проведена модификация структурной модели на основе mFEA-подхода для учета вязкоупругопластичности. 5. Выполнена оценка границ применимости линейных моделей деформирования при анализе статической прочности композитных конструкций с концентраторами напряжений. В 2025 получены следующие научные результаты: 1. В ходе сравнительных испытаний стеклопластика и гибридного композита было установлено, что для рассмотренной укладки, добавление одного слоя ткани из углеродных волокон в пакет из 26 слоев стеклоткани позволяет на 8,5% повысить статическую прочность образца с отверстием. При ультрамалоцикловом нагружении образцов с отверстием гибридизация позволила добиться существенного повышения числа циклов до разрушения (в отдельных случаях более чем в 3,5 раза). 2. По результатам испытаний образцов c V-образными надрезами при повторном комбинированном растяжении-сдвиге в новой оснастке, сопровождающемся повышением нагрузки в каждом цикле, было установлено, что для кривых поврежденности наименьший разброс уровня повреждений наблюдается до сдвиговой деформации 4-5%. При данном уровне деформаций кривые поврежденности практически не зависят от вида напряженного состояния, при этом значительную часть сдвиговой деформации определяют неупругие сдвиговые деформации (не менее 40% от общей деформации). На основе результатов ультрамалоцикловых испытаний образцов на сдвиг в новой оснастке (R=0) было показано, что уровень повреждения не меняется, если сдвиговая деформация при ультрамалоцикловом нагружении не превышает 5%. 3. Результаты испытаний образцов с отверстием с симметричными укладками позволили установить, что наличие сдвиговой компоненты напряжений в условиях ультрамалоциклового нагружения не влияет на остаточную прочность при достаточно высоком уровне нагрузки (0,75 Fmax). Также по результатам испытаний галтельных образцов с укладкой 45° было установлено, что в исследуемом диапазоне сдвиговых деформаций (до 15%) поврежденность не была связана с механизмом разрушения по типу расслоения. 4. Разработанный алгоритм структурной модели, который учитывает нелинейный характер деформирования связующего, разворот и разрушение армирующих волокон, был встроен в виде модели материала в ANSYS на базе UPF. Корректность работы модели проверена при сопоставлении экспериментальных исследований на сдвиг. Также было проведено численное моделирование нелинейного поведения образцов-полосок из тканевого углепластика с разными укладками при растяжении. Было установлено, что прогнозируемый структурной моделью нелинейный отклик адекватно описывает поведение композита до осевых деформации 4-5%, в том числе в случае повторного нагружения. 5. Структурная модель для учета вязкоупругопластичности была реализована на основе mFEA-подхода для прогноза нелинейного деформирования тканевого стеклопластика СТЭФ. По результатам испытаний при комнатной температуре на быстрое монотонное растяжение с выдержками на релаксацию образцов, вырезанных в диагональном направлении, получено, что реономная компонента напряжений может составлять до 25% полных напряжений при деформировании от 0 до 5%. Разработанная модель позволяет адекватно предсказывать одностороннее накопление деформаций при циклическом нагружении и усталостную прочность. 6. По результатам расчетно-экспериментального сравнения различных подходов к описанию деформирования композитных материалов было установлено, что применение линейных подходов обеспечивает ошибку не более 10% при доле сдвига, не превышающей 0,04. При этом прогноз разрушающей нагрузки для укладок ±30˚ и 15˚ давал существенную ошибку «не в запас». Применение подходов, учитывающих накопление рассеянных микроповреждений позволяет обеспечить такое же расхождение с результатами экспериментов при доле сдвига до 0,27. Структурная модель позволила корректно спрогнозировать разрушающую нагрузку образца с отверстием практически для всех рассмотренных укладок и углов вырезки, в том числе и для 45°, в которой соотношение сдвиговых и нормальных напряжений близко к 1. Таким образом, в ходе выполнения проекта было установлено, что только комбинация учета рассеянных микроповреждений волокна и пластичности матрицы позволяет прогнозировать нелинейное деформирование и прочность достаточно широкого диапазона укладок композитных материалов.

Публикации

Возможность практического использования результатов
Полученные результаты вносят заметный вклад в понимание ряда особенностей деформирования полимерных композитных материалов, что потенциально расширяет возможности и эффективность их применения в высокотехнологичных изделиях.