Моделирование разрушения гибридных композитов под действием низкоскоростного удара

Для увеличения прочности композитных деталей применяется армирование полимерного композита одним или несколькими слоями металла. Данная работа посвящена моделированию поведения подобных композитов под действием низкоскоростных ударов. Такие удары особенно опасны для полимерных композитов, так как вызывают повреждения, не видимые невооруженным глазом (BVID, barely visible impact damage). Моделирование проводилось при помощи сеточно-характе-ристического метода, при этом рассмотрены различные критерии разрушения (Цай-Хилла, Цай-Ву, Друкера-Прагера, Хашина, Пака) и различные типы соединения титана с полимерным композитом.

Ключевые слова

математическое моделирование, механика сплошных сред, сеточно-характеристический метод, полимерные композиты, гибридные композиты, разрушение, низкоскоростной удар

Источник финансирования

Работа выполнена при поддержке гранта РНФ № 17-71-10240.

Получено

09.11.2018

Дата публикации

21.11.2018

Цитировать Скачать pdf Для скачивания PDF необходимо авторизоваться

ГОСТ	Беклемышева К. А. , Петров И. Б. Моделирование разрушения гибридных композитов под действием низкоскоростного удара // Математическое моделирование – 2018. – Tом 30. – номер 11 C. 27-43 [Электронный ресурс]. URL: http://ras.jes.su/mmod/s207987840001158-2-1 (дата обращения: 29.04.2024).
MLA	Beklemysheva, K., Petrov, Igor "Numerical modeling of low-velocity impact on hybrid composite." Matematicheskoe modelirovanie 30.11 (2018):27-43.
APA	Beklemysheva K., Petrov I. (2018). Numerical modeling of low-velocity impact on hybrid composite. Matematicheskoe modelirovanie 30(11), pp.27-43

Размещенный ниже текст является ознакомительной версией и может не соответствовать печатной.

всего просмотров: 1411

Оценка читателей: голосов 0

1. S. Abrate. Impact on laminated composite materials // Applied Mechanics Reviews, 1991, v.44, №4, p.155-190.

2. S. Abrate. Impact on laminated composites: recent advances // Applied Mechanics Reviews, 1994, v.47, №11, p.517–544.

3. V. Lopresto, G. Caprino. Damage mechanisms and energy absorption in composite laminates under low velocity impact loads // Dynamic Failure of Composite and Sandwich Structures. Solid Mechanics and Its Applications. Eds: Abrate S., Castanie B., Rajapakse Y., Springer, Dordrecht, 2013, v.192, p.209-289.

4. N. Hu, Y. Zemba, T. Okabe, C. Yan, H. Fukunaga, A. Elmarakbi. A New Cohesive Model for Simulating Delamination Propagation in Composite Laminates under Transverse Loads // Mechanics of Materials, 2008, v.40, №11, p.920-935.

5. К.А. Беклемышева, А.В. Васюков, А.С. Ермаков, И.Б. Петров, А.С. Дзюба, В.И. Голован. Численное моделирование динамических процессов при низкоскоростном ударе по композитной стрингерной панели // Матем. моделир., 2014, т.26, № 9, с.96-110.

6. K.A. Beklemysheva, A.S. Ermakov, I.B. Petrov, A.V. Vasyukov. Numerical simulation of the failure of composite materials by using the grid-characteristic method // Mathematical Models and Computer Simulations, 2016, v.8, №5, p.557-567.

7. R.P.L. Sanga, C.G.O. Pantale. Finite Element Simulation of Low Velocity Impact Damage on an Aeronautical Carbon Composite Structure // Appl. Comp. Materials, 2016, v.23, №6, p.1195-1208.

8. Н.С. Бахвалов, Г.П. Панасенко. Осреднение процессов в периодических средах. M.: Наука, 1984, 356 с.

9. M.O.W. Richardson, M.J. Wisheart. Review of low-velocity impact properties of composite materials // Composites. Part A: Applied Science and Manufacturing, 1996, v. 29, №12, p. 1123-1131.

10. P.O. Sjoblom, J.T. Hartness, T.M. Cordell. On low-velocity impact testing of composite materials // Journal of Composite Materials, 1988, v. 22, №1, p. 30-52.

11. K.N. Shivakumar, W. Elber, W. Illg. Prediction of low-velocity impact damage in thin circular laminates // AIAA J., 1985, v. 23, №3, p.442-449.

12. W.J. Cantwell, J. Morton. The impact resistance of composite materials – a review // Composites, 1991, v.22, №5, p.347-362.

13. P. Robinson, G.A.O. Davies. Impactor mass and specimen geometry effects in low velocity impact of laminated composites // Int. J. of Impact Eng., 1992, v.12, №2, p.189-207.

14. G.A.O. Davies, P. Robinson. Predicting failure by debonding/delamination. – Imperial Coll. of Science and Technology, London (England), 1992.

15. D. Liu, L.E. Malvern. Matrix cracking in impacted glass/epoxy plates // J. of Composite Materials, 1987, v.21, №7, p.594-609.

16. R.C. Batra, G. Gopinath, J.Q. Zheng. Damage and failure in low energy impact of fiberreinforced polymeric composite laminates // Comp.Structures, 2012, v.94, №2, p.540–547.

17. D. Hull, Y.B. Shi. Damage mechanism characterisation in composite damage tolerance investigations // Composite Structures, 1993, v.23, p.99–120.

18. S.A. Hitchen, R.M.J. Kemp. The effect of stacking sequence on impact damage in a carbon fibre/epoxy composite // Composites, 1995, v.26, №3, p.207–214.

19. H. Kaczmerek. Ultrasonic detection of damage in CFRPs // J. of Composite Materials, 1995, v.29, №1, p.59–95.

20. M.V. Hosur, C.R.L. Murthy, T.S. Ramamurthy, A. Shet. Estimation of impact-induced damage in CFRP laminates through ultrasonic imaging // NDT&E Int., 1998, v.31, №5, p.359–374.

21. I.B. Petrov, A.V. Favorskaya, A.V. Vasyukov, A.S. Ermakov, K.A. Beklemysheva. Numerical Modeling of Non-destructive Testing of Composites // Proc. Computer Science, 2016, v.96, p.930-938.

22. M.R. Abdullah, W.J. Cantwell. The impact resistance of polypropylene-based fibre-metal laminates // Composites Science and Technology, 2006, v.66, №11-12, p.1682–1693.

23. L.B. Vogelesang, A. Vlot. Development of fibre metal laminates for advanced aerospace structures // J. of Materials Processing Technology, 2000, v.103, №1, p.1–5.

24. G.B. Chai, P. Manikandan. Low velocity impact response of fibre-metal laminates – A review // Composite Structures, 2014, v.107, p.363–381.

25. И.Б. Петров, А.Г. Тормасов. Численное исследование косого соударения жесткого шарика с двухслойной упругопластической плитой // Матем. моделирование, 1992, т.4, №3, с.20–27.

26. И.Б. Петров, Ф.Б. Челноков. Численное исследование волновых процессов и процессо вразрушения в многослойных преградах // ЖВМиМФ, 2003, т.43, №10, с.1562–1579.

27. J.B. Young, J.G.N. Landry, V.N. Cavoulacos. Crack growth and residual strength characteristics of two grades of glass-reinforced aluminium GLARE // Composite Structures, 1994, v.27, №4, p.457–469.

28. M. Papakyriacou, J. Schijve, S.E. Stanzl-Tschegg. Fatigue crack growth behaviour of fibre–metal laminate GLARE-1 and metal laminate 7475 with different blunt notches // Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures, 1997, v.20, №11, p.1573–1584.

29. W. Guocai, J.-M. Yang. The mechanical behavior of GLARE laminates for aircraft structures // The Journal of the Minerals, 2005, v.57, №1, p.72–79.

30. В.В. Антипов, О.Г. Сенаторова, Н.Ф. Лукина, В.В. Сидельников, В.В. Шестов. Слоистые металлополимерные композиционные материалы // Авиационные материалы и технологии, 2012, №5, с.226–230.

31. M. Sadighi, R.C. Alderliesten, R. Benedictus. Impact resistance of fiber-metal laminates: A review // International Journal of Impact Engineering, 2012, v.49, p.77-90.

32. A. Vlot. Low-Velocity Impact Loading on Fibre Reinforced Aluminium Laminates (ARALL) and Other Aircraft Sheet Materials. – Tech. Univ. Delft, Delft, Netherlands, 1991.

33. A. Vlot. Impact Loading on Fibre Metal Laminates // International Journal of Impact Engineering, 1996, v.18, №3, p.291–307.

34. G. Caprino, G. Spataro, S. Del Luongo. Low-Velocity Impact Behaviour of Fiberglass- Aluminium Laminates // Composites, Part A, 2004, v.35, p.605–616.

35. S. Zhu, G.B. Chai. Low-velocity impact response of fibre-metal laminates – experimental and finite element analysis // Comp. Sci. and Technology, 2012, v.72, №15, p.1793–1802.

36. S. Bernhardt, M. Ramulu, A. Kobayashi. Low-Velocity Impact Response Characterization of a Hybrid Titanium Composite Laminate // J. of Eng. Materials and Technology, 2007, v.129, №2, p.220-226.

37. D.A. Burianek, A.E. Giannakopoulos, S.M. Spearing. Modeling of facesheet crack growth in titanium–graphite hybrid laminates, P.I // Eng. Fracture Mech., 2003, v.70, №6, p.775-798.

38. D.A. Burianek, S.M. Spearing. Modeling of Facesheet Crack Growth in Titanium-Graphite Hybrid Laminates. P.II: Experimental results // Eng. Fracture Mech., 2003, v.70, №6, p.799-812.

39. D.W. Rhymer, W.S. Johnson. Fatigue Damage Mechanisms in Advanced Hybrid Titanium Composite Laminates // International Journal of Fatigue, 2002, v.24, №9, p.995–1001

40. A. Vlot. Impact properties of fibre metal laminates // Comp. Eng., 1993, v.3, №10, p.911–927.

41. A. Seyed Yaghoubi, Y. Liu, B. Liaw. Stacking sequence and geometrical effects on lowvelocity impact behaviors of GLARE 5 (3/2) fiber-metal laminates // Journal of Thermoplastic Composite Materials, 2011, v.25, №2, p.223–247.

42. Н.Y. Liu, B. Liaw. Effects of Constituents and Lay-up Configuration on Drop-Weight Tests of Fiber-Metal Laminates // Applied Composite Materials, 2010, v.17, №1, p.43-62.

43. P. Cortes, W.J. Cantwell. The Tensile and Fatigue Properties of Carbon Fiber-reinforced PEEK-Titanium Fiber-metal Laminates // J. of Reinforced Plastics and Comp., 2004, v.23, №15, p.1615-1623.

44. G.B. Chai, P. Manikandan. A layer-wise behavioral study of metal based interply hybrid composites under low velocity impact load // Composite Structures, 2014, v.117, p.17-31.

45. Е.Н. Каблов, В.В. Антипов, О.Г. Сенаторова. Слоистые алюмостеклопластики СИАЛ -1441 и сотрудничество с Airbus и TU DELFT // Цв. металлы, 2013, №9 (849), с.50–53.

46. В.В. Антипов, О.Г. Сенаторова, Н.Ф. Лукина, В.В. Сидельников, В.В. Шестов, О.В. Митраков, В.И. Попов, А.С. Ершов. Высокопрочные трещиностойкие легкие слоистые алюмостеклопластики класса СИАЛ – перспективный материал для авиационных конструкций // Технология легких сплавов, 2009, №2, с.28–31.

47. Н.А. Ночовная, П.В. Панин, Е.Б. Алексеев, К.А. Боков. Экономнолегированные титановые сплавы для слоистых металлополимерных композиционных материалов // Труды ВИАМ, 2014, №11.

48. T. Zhang, Y. Yan, J. Li, H. Luo. Low-velocity impact of honeycomb sandwich composite plates // Journal of Reinforced Plastics and Composites, 2015, v.35, №1, p.8-32.

49. G.B. Chai, S. Zhu. A review of low-velocity impact on sandwich structures // Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part L: J. of Materials: Design and Applications, 2011, v.225, №4, p.207–230.

50. C. Scarponi, G. Briotti, R. Barboni, A. Marcone, M. Iannone. Impact testing on composite laminates and sandwich panels // J. of Comp. Materials, 1996, v.30, №17, p.1873–1911.

51. Ю.И. Димитриенко, Ю.В. Юрин. Многомасштабное моделирование многослойных тонких композитных пластин с уединенными дефектами // Мат. модел. и численные методы, 2016, № 12, с.47–66.

52. B.R. Petersen. Finite element analysis of composite plate impacted by a projectile. – University of Florida, 1985.

53. G.A.O Davies, X. Zhang, G. Zhou, S. Watson. Numerical modelling of impact damage // Composites, 1994, v.25, p.342–350.

54. V. Tita, J.J. de Carvalho, D. Vandepitte. Failure analysis of low velocity impact on thin composite laminates: experimental and numerical approaches // Compos. Struct., 2008, v.83, p.413-428.

55. F. Hashagen, R. de Borst. Numerical assessment of delamination in fibre metal laminates // Comp. Methods Appl. Mech. Eng., 2000, v.185, p.141–159.

56. H. Nakatani, T. Kosaka, K. Osaka, Y. Sawada. Damage characterization of titanium/GFRP hybrid laminates subjected to low-velocity impact // Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 2011, v.42, №7, p.772–781.

57. М.J. Reiner, J.P. Torres, M. Veidt, M. Heitzmann. Experimental and numerical analysis of drop-weight low-velocity impact tests on hybrid titanium composite laminates // Journal of Composite Materials, 2016, v.50, №26, p.3605-3617.

58. A. Kursun, M. Senel, H. M. Enginsoy. Experimental and numerical analysis of low velocity impact on a preloaded composite plate // Advances in Eng. Software, 2015, v.90, p.41-52.

59. F.D. Moriniere, R.C. Alderliesten, M.Y. Tooski, B. Rinze. Damage evolution in GLARE fibre-metal laminate under repeated low-velocity impact tests // Central European J. of Eng., v.2, №4, p.603-611.

60. G.R. Rajkumar, M. Krishna, H.N. Narasimha Murthy, S.C. Sharma, K.R. Vishnu Mahesh. Experimental Investigation of Low-Velocity Repeated Impacts on Glass Fiber Metal Composites // J. of Materials Eng. and Performance, 2012, v.21, №7, p.1485-1490.

61. M.J. Hinton, A.S. Kaddour. Maturity of 3D failure criteria for fibre-reinforced composites: Comparison between theories and experiments: Part B of WWFE-II // J. of Comp. Mater., 2013, №7, p.925-966.

62. M.J. Hinton, A.S. Kaddour, P.D. Soden. Failure criteria in fibre reinforced polymer composites: the world-wide failure exercise. – Amsterdam; London, Elsevier, 2004.

63. Y.P. Siow, P.W. Shim. An experimental study of low velocity impact damage in woven fiber composites // J. of Composite Materials, 1998, v. 32, №12, p. 1178–1202.

64. G. Dorey, P. Sigety, K. Stellbrink, W.G.J. Hart. Impact damage tolerance of carbon fibre and hybrid laminates. – RAE Technical Report 87 057, Royal Aerospace Establishment, Farnborough, UK, 1987.

65. H.-Y.T. Wu, G.S. Springer. Impact induced stresses, strains, and delaminations in composite plates // Journal of Composite Materials, v.22, №6, p.533-560.

66. N. Sela, O. Ishai. Interlaminar fracture toughness and toughening of laminated composite materials: a review // Composites, 1989, v.20, №5, p.423-443.

67. D.S. Cairns, P.J. Minuet, M.G. Abdallah. Theoretical and experimental response of composite laminates with delaminations loaded in compression // Comp. Struct., 1993, v.25, p.113–120.

68. A.T. Nettles, A.J. Hodge. Compression-after-impact testing of thin composite materials // Proceedings (A92-51501 21-23). Covina, CA, Society for the Advancement of Material and Proc. Eng., 1991, p.177-183.

69. M.N. Ghasemi Nejhad, A. Parvizi-Majidi. Impact behaviour and damage tolerance of woven carbon fibre-reinforced thermoplastic composites // Comp., 1990, v.21, №2, p.155–168.

70. C.T. Sun, A. Dicken, H.F. Wu. Characterization of impact damage in ARALL laminates // Comp. Sci. Technol., 1993, v.49, p.139–144.

71. E.V. Gonzalez, P. Maimi, P.P. Camanho, A. Turon, J.A. Mayugo. Simulation of dropweight impact and compression after impact tests on composite laminates // Composite Structures, 2012, v.94, №11, p.3364-3378.

72. G. Caprino. Residual strength prediction of impacted CFRP laminates // Journal of Composite Materials, 1984, v.18, p.508-518.

73. Г.И. Канель, С.В. Разоренов, А.В. Уткин, В.Е. Фортов. Ударно-волновые явления в конденсированных средах. – М.: Янус-К, 1996, 407 с.

74. В.Д. Иванов, В.И. Кондауров, И.Б. Петров, А.С. Холодов. Расчет динамического деформирования и разрушения упругопластических тел сеточно-характеристическими методами // Матем. моделирование, 1990, т.2, №11, с.10–29.

75. R.B. Bucinell, R.J. Nuismer, J.L. Koury. Response of composite plates to quasi-static impact events // Composite materials: fatigue and fracture. Ed: T.K. O’Brien. ASTM STP 1110, 1991, p.528–549.

76. M.G. Stout, D.A. Koss, C. Liu, J. Idasetima. Damage development in carbon/epoxy laminates under quasi-static and dynamic loading // Comp. Sci. Technol., 1999, v.59, p.2339–2350.

77. D. Delfosse, A. Poursatip. Energy-based approach to impact damage in CFRP laminates // Composites, 1997, v.28, p.647–655.

78. S. Hong, D. Liu. On the relationship between impact energy and delamination area // Exp. Mech., 1989, v.29, №2, p.115–120.

79. К.М. Магомедов, А.С. Холодов. Сеточно-характеристические методы. ? М.: Наука, 1988, 288с.;

80. В.И. Голубев, И.Б. Петров. Опыт расчета сейсмических откликов от криволинейных геологических границ на основе их явного выделения // Технологии сейсморазведки, 2016, № 4, с.45-51.

81. И.Б. Петров, Н.И. Хохлов. Моделирование задач 3D-сейсмики на высокопроизводительных вычислительных системах // Матем. моделирование, 2014, т.26, №1, с.83-95;

82. V.I. Golubev, I.E. Kvasov, I.B. Petrov. Influence of natural disasters on ground facilities // Math. Models and Computer Simulations, 2012, v.4, №2, p.129-134.

83. I.B. Petrov, A.V. Favorskaya, N.I. Khokhlov, V.A. Miryakha, A.V. Sannikov, V.I. Golubev. Monitoring the state of the moving train by use of high performance systems and modern computation methods // Math. Models and Comp. Simulations, 2015, v.7, №1, p.51-61.

84. K.A. Beklemysheva, A.A. Danilov, I.B. Petrov, V.Yu. Salamatova, Yu.V. Vassilevski, A.V. Vasyukov. Virtual blunt injury of human thorax: Age-dependent response of vascular system // RJNAMM, 2015, v.30, №5, p.259–268.

85. П.И. Агапов, О.М. Белоцерковский, И.Б. Петров. Численное моделирование последствий механического воздействия на мозг человека при черепно-мозговой травме // ЖВМиМФ, 2006, т.46, №9, с.1711-1720.

86. Ф.Б. Челноков. Явное представление сеточно-характеристических схем для уравнений упругости в двумерном и трехмерном пространствах // Математическое моделирование, 2006, т.18, №6, с.96-108.

87. И.Б. Петров, А.В. Фаворская. Библиотека методов интерполяции высоких порядков на неструктурированных треугольных и тетраэдральных сетках // Информационные технологии, 2011, №9, c.30-32.

88. I.B. Petrov, A.V. Favorskaya, A.V. Vasyukov, A.S. Ermakov, K.A. Beklemysheva, A.O. Kazakov, A.V. Novikov. Numerical simulation of wave propagation in anisotropic media // Doklady Mathematics, 2015, v.90, № 3, p.778-780.