Numerical analysis of layered composite panel behavior with interlaminar defects subject to dynamic loads

Cover Page

Abstract


Aims of research. Polymer unidirectional composite laminate panel behavior with interlaminate defects under action of different dynamic loads is consider. Methods. Normal modes and eigenvalues of rectangular composite panels in the presence multiple delamination different sizes ellipsoidal form are calculated. The dependences of the maximum deflections from the frequency of the stationary pressure field action are constructed. Distribution field of panels plies failure index under action of nonstationary pressure field by using different failure criteria for composites is determined. Results. Modeling methodology composite panels behavior in the presence multiple interlaminar defects under action of different dynamic loads is developed. Analysis of failure panel with the use of different failure criteria for composites is carried out.


Введение1 Композиционные конструкционные материалы отличаются от металлических пониженными пластическими свойствами и, следовательно, повышенной чувствительностью к динамическим нагрузкам ударного характера. В результате эксплуатации и внешних воздействий в композитных пакетах могут возникать дефекты, которые сопровождаются растрескиванием матрицы, разрушением волокон и монослоев, что оказывает влияние на несущую способность элементов конструкций из ПКМ [1]. 1 Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (код проекта № 18-08-01153 А). © Медведский А.Л., Мартиросов М.И., Хомченко А.В., 2019 This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License Такие материалы широко используются в различных машиностроительных отраслях, а также в строительной индустрии (например, звукоизоляционные слоистые композитные панели для современных научно-исследовательских лабораторий). В статье рассмотрено разрушение панели с использованием критериев разрушения композитов Tsai - Hill [1], Hoffman [4], Puppo - Evensen [5], Puck [6-8], Hashin [9], Norris [10], Fischer [11], Norris - McKinnon [12], DeAlia [13]. 1. Постановка задачи Рассматривается плоская прямоугольная панель (рис. 1), представляющая собой многослойную конструкцию, состоящую из 12 монослоев, каж- ЧИСЛЕННЫЕ МЕТОДЫ РАСЧЕТА КОНСТРУКЦИЙ 127 Medvedskiy A.L., Martirosov M.I., Khomchenko A.V. Structural Mechanics of Engineering Constructions and Buildings, 2019, 15(2), 127-134 дый из которых изготовлен из однородного упругого ортотропного материала. Укладка монослоев панели имеет вид [+45°/-45°/90°/0°/+45°/-45°/-45°/+45°/ 0°/90°/-45°/+45°], толщина монослоя - h . Предполагается, что в панели присутствуют межслоевые дефекты эллиптической формы (рис. 2), расположенные по толщине в соответствии со схемами, представленными на рис. 3-5. z Дефекты/ Defects Направление укладки/Direction of laying 0° , ) x G F H y a Рис. 1. Прямоугольная многослойная панель с дефектами [Figure 1. Rectangular multi-layered panel with defects] А Б В 1 1 F Дефекты/ Defects H З 2 G З 2 А Б В Рис. 2. Расположение дефектов в плоскости панели [Figure 2. The location of defects in the plane of the panel] 1 2 Дефекты/Defects ℎ 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Рис. 3. Положения дефектов по толщине (А-А) [Figure 3. The position of the defects in thickness (A-A)] 128 NUMERICAL METHODS OF ANALYSIS OF STRUCTURES Медведский А.Л., Мартиросов М.И., Хомченко А.В. Строительная механика инженерных конструкций и сооружений. 2019. Т. 15. № 2. С. 127-134 1 2 Дефекты/Defects ℎ 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Рис. 4. Положения дефектов по толщине (Б-Б) [Figure 4. The position of the defects in thickness (Б-Б)] 1 2 Дефекты/Defects ℎ 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Рис. 5. Положения дефектов по толщине (В-В) [Figure 5. The position of the defects in thickness (В-В)] Рассматривается поведение панели в полях стационарного и нестационарного давления. 2. Панель в поле стационарного давления В качестве числового примера рассмотрим плоскую прямоугольную панель длиной a = 532 мм ров при повышенной температуре сплавляется. Лента по сравнению с тканью обладает лучшей сопротивляемостью однонаправленным нагрузкам, менее пориста, обладает большей прочностью и жесткостью, меньшей стоимостью сырья, но большей стоимостью производства. Такой препрег предназначен для изготови шириной b = 282 мм (рис. 1). ления изделий по автоклавной технологии. Ха- Материал панели - углепластик на основе препрега HexPly M21/34%/UD194/IMA-12K (углеродная лента IMA на основе высокопрочного волокна HexTow IMA-12K и эпоксидное модифицирорактеристики монослоя известны: паспортные данные производителя, полученные экспериментально на образцах по европейским стандартам EN для режима RTD (Room Temperature Dry) - ванное связующее M21), произведенного фирмой нормальная температура +23 °C и влажность - Hexcel (США). Препрег представляет собой набор углеродных жгутов, собранных в ленту без утка. Лента пропитана связующим по технологии Hot Melt, т.е. связующее в виде пленки совмещается с наполнителем с двух сторон и под давлением каландв состоянии поставки. Состояние поставки образцов - состояние, в котором находятся образцы сразу после изготовления, с содержанием влаги, не превышающим 10 % от максимального влагонасыщения при относительной влажности 85 % . ЧИСЛЕННЫЕ МЕТОДЫ РАСЧЕТА КОНСТРУКЦИЙ 129 Medvedskiy A.L., Martirosov M.I., Khomchenko A.V. Structural Mechanics of Engineering Constructions and Buildings, 2019, 15(2), 127-134 Толщина монослоя равна 0,19 мм. Жесткост- 2,0 соответственно. Граничные условия на контуре ные характеристики монослоя: E1 = 175 ГПа , панели соответствуют жесткому защемлению. Стационарное поле давления, действующее E2 = 8, 5 ГПа , G = 3, 2 ГПа , 12 m = 0, 32 , ρ = на панель: 1500 кг/м3 , где E1 - модуль упругости в направp = p0 (x, y)e iwt , (1) лении оси x ; E2 - модуль упругости в направлегде w - циклическая частота, p0 - амплитуда. нии оси y ; m12 - коэффициент Пуассона, харак- Задача решается с помощью МКЭ в програмтеризующий поперечное сжатие в направлении оси x ; G - модуль упругости при сдвиге в плоскости листа; ρ - плотность. Здесь и далее приведенные механические характеристики соответствуют режиму испытаний RTD. Расположение межслоевых дефектов указано на мном комплексе Siemens FEMAP 11.4/NX Nastran. Панель моделируется конечными элементами типа Laminate, а моделирование одностороннего контакта в области межслоевого дефекта проводится с помощью элементов типа Gap. На рис .6 показаны формы свободных колебаний и соответствующие им частоты, характеррис. 2-5, положения центров расслоений: d1 = 102 ные для «раскрытия» межслоевых дефектов. На мм, c1 = 107 мм, d2 = 78,5 мм, c2 = 161 мм, d3 = рис. 7-9 представлены зависимости максимальных прогибов панели в центре расположения 78,5 мм, c3 = 261 мм, дефекты имеют форму эллипса с соотношением осей F = 1,5, G = 1,75, H = (для каждого слоя) расслоений от частоты гармонического воздействия. 430 Гц/Hz 577 Гц/Hz 1089 Гц/Hz 1195 Гц/Hz Рис. 6. Собственные формы и частоты, характерные для «раскрытия» расслоения [Figure 6. Eigenforms and frequencies characteristic of “disclosures” of the bundle] Рис. 7. Зависимость амплитуды от частоты (дефект F) [Figure 7. Amplitude versus frequency (defect F)] Рис. 8. Зависимость амплитуды от частоты (дефект G) [Figure 8. Dependence of amplitude on frequency (defect G)] 130 NUMERICAL METHODS OF ANALYSIS OF STRUCTURES Медведский А.Л., Мартиросов М.И., Хомченко А.В. Строительная механика инженерных конструкций и сооружений. 2019. Т. 15. № 2. С. 127-134 На рис. 10 показано распределение индекса разрушения f для слоя № 10 (90°) в момент времени 0,4 мс. Наименьшее критическое значение индекса разрушения и схожий характер распределения дают критерии разрушения Hashin и DeAlia: f = 0,91. Наибольшее значение f = 1,3 дают критерии Tsai - Hill, Norris - McKinnon, Puppo - Evensen. Отличие критериев Hoffman, Norris, Fischer, Puck в среднем составляет 10 %. Рис. 9. Зависимость амплитуды от частоты (дефект H) [Figure 9. Dependence of amplitude on frequency (defect H)] 3. Панель под действием нестационарной нагрузки Далее рассматривается задача поведения плоской панели прямоугольной формы при действии мгновенно приложенного равномерного давления на верхнюю поверхность (геометрия, материал и формат укладки соответствуют пунктам 1 и 2). Давление изменяется по закону (1): p(t) = p0 H (t), (2) где H (t) - функция Хэвисайда, p0 = 1, 25 МПа . Решение получено с помощью программного комплекса LS-DYNA с применением явной схемы интегрирования полной системы уравнений МКЭ. Слои панели соединены между собой клеевым контактом, что гарантирует равенство прогибов и углов поворотов. Также в модели учитывается контакт в зоне расслоения. Материал монослоя имеет следующие прочностные характеристики: XT = 3042 МПа , XC = = 1246 МПа , YT = 63 МПа , YC = 217 МПа , S12 = 96 МПа , где XT - предел прочности в направлении оси x при растяжении; XC - предел прочности в направлении оси x при сжатии; YT - предел прочности в направлении оси y при растяжении; YC · предел прочности в направлении оси y при сжатии; S12 · предел прочности при сдвиге в плоскости листа; s1 · нормальное напряжение, действующее в направлении оси x ; s2 - нормальное напряжение, действующее в направлении оси y ; t12 - сдвиговое напряжение, действующее в плоскости листа. ЧИСЛЕННЫЕ МЕТОДЫ РАСЧЕТА КОНСТРУКЦИЙ 131 Medvedskiy A.L., Martirosov M.I., Khomchenko A.V. Structural Mechanics of Engineering Constructions and Buildings, 2019, 15(2), 127-134 Рис. 10. Значения индекса разрушения [Figure 10. The values of the index of destruction] Заключение Предложенная методика численного моделирования поведения композитных панелей с учетом множественных межслоевых дефектов под действием динамических нагрузок может быть использована при проектировании элементов конструкций из ПКМ.

Aleksandr L Medvedskiy

Moscow Institute of Physics and Technology (State University)

Author for correspondence.
Email: mdv66@mail.ru
9 Institutsky Pereulok, Dolgoprudny, 141701, Moscow region, Russian Federation

DSc in Physical and Mathematical Sciences, Professor, Moscow Institute of Physics and Technology (State University).

Mikhail I Martirosov

Moscow Aviation Institute (National Research University)

Email: vst@vst-st.ru
4 Volokolamskoe Shosse, Moscow, 125993, Russian Federation

PhD in Technical Sciences, Docent, Moscow Aviation Institute (National Research University).

Anton V Khomchenko

Irkut Corporation

Email: khomchenkoanton@yandex.ru
68 Leningradsky Prospect, Moscow, 125315, Russian Federation

Design Engineer 1 Category, Irkut Corporation.

  • Medvedskiy A.L., Martirosov M.I., Khomchenko A.V. (2018). Chislennoe modelirovanie povedeniya plastiny iz polimernogo kompozita pod deistviem dinamicheskikh nagruzok pri nalichii mnozhestvennykh defektov mezhdu sloyami [Numerical modeling of polymer composite plate behavior under action of dynamic load at presence multiple defects between plies]. Tidings of TSU. Technical science, (10), 271-278. (In Russ.)
  • Azzi V.D., Tsai S.W. (1965). Anisotropic strength of composites. Experimental Mechanics, 5(9), 283-288.
  • Tsai S.W., Wu E.M. (1971). A general theory of strength for anisotropic materials. Journal of Composite Materials, (5), 58-80.
  • Hoffman N.O. (1967). The brittle strength of orthotropic materials. Journal of Composite Materials, 1(2), 200-206.
  • Puppo A.H., Evensen H.A. (1972). Strength of anisotropic materials under combined stresses. American Institute of Aeronautics and Astronautics Journal, 10(4), 468-474.
  • Puck A., Schurmann H. (1998). Failure analysis of FRP laminates by means of physically based phenomenological models. Composites Science and Technology, (58), 1045- 1067.
  • Puck A., Kopp J., Knops M. (2002). Failure analysis of FRP laminates by means of physically based phenomenological models. Composites Science and Technology, (62), 1633-1662.
  • Puck A., Kopp J., Knops M. (2002). Guidelines for the determination of the parameters in Puck’s action plane strength criterion. Composites Science and Technology, (62), 371- 378.
  • Hashin Z. (1980). Failure Criteria for Unidirectional Fiber Composites. Journal of Applied Mechanics, (47), 329-334.
  • Norris C.B. (1962). Strength of orthotropic materials subjected to combined stress. U.S. Forest Products Laboratory. Report No. 1816.
  • Fischer L. (1967). Journal of Engineering for Industry. Trans Am. Soc. Mech. Engrs., 89, 389-402.
  • Norris C.B., McKinnon P.F. (1962). Compression, tension and shear tests on yellow-poplar plywood panels of sizes that do not buckle with tests made at various angels to the face grain. U.S. Forest Products Laboratory. Report No. 1328.

Views

Abstract - 125

PDF (Russian) - 122

PlumX


Copyright (c) 2019 Medvedskiy A.L., Martirosov M.I., Khomchenko A.V.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.