539.3 Конечно-элементное моделирование повреждаемости и долговечности композитных элементов конструкций с дефектами типа расслоения

Димитриенко Ю.И.(МГТУ им.Н.Э.Баумана), Юрин Ю.В.(МГТУ им.Н.Э.Баумана)

КОМПОЗИТЫ, ДЕФЕКТЫ, РАССЛОЕНИЯ, МЕТОД КОНЕЧНОГО ЭЛЕМЕНТА, ХИМИЧЕСКИЙ КРИТЕРИЙ ПРОЧНОСТИ, ПОВРЕЖДАЕМОСТЬ, ЦИКЛИЧЕСКОЕ НАГРУЖЕНИЕ, УСТАЛОСТЬ, НЕСУЩАЯ ЛОПАСТЬ ВИНТА


doi: 10.18698/2309-3684-2017-3-4970


Разработана методика для моделирования повреждаемости при циклическом нагружении элементов конструкций из слоисто-волокнистых композиционных материалов с дефектами типа расслоения. Методика состоит из трех этапов, итерационно повторяющихся в цикле по времени: конечно-элементного моделирования макроскопического напряженно-деформированного состояния в конструкции с дефектами; моделирования микроскопического напряженно-деформированного состояния в окрестности расслоения; моделирования накопления повреждений в матрице, соединяющей слои армирующих волокон в окрестности дефекта. В модели учитывается криволинейная анизотропия композиционного материала в составе конструкций сложной геометрической формы. Приведен пример численного расчета фрагмента композитной конструкции несущей лопасти вертолета с учетом дефекта типа расслоения. Продемонстрирована возможность применения разработанной методики для моделирования повреждаемости в сложных композитных конструкциях. Конечно-элементное решение макроскопической задачи реализовано с помощью программной платформы SMCM, разработанной в Научно-образовательном центре «Суперкомпьютерное инженерное моделирование и разработка программных комплексов» (НОЦ «СИМПЛЕКС») МГТУ им. Н.Э. Баумана.


[1] В.И. Постнов, И.И. Плетин, Е.А. Вешкин, И.В. Старостина, С.В. Стрельников Технологические особенности производства тонколистовых обшивок вертолета из конструкционного стеклопластика ВПС-53К. Известия Самарского научного центра Российской академии наук, т. 18, № 4(3), 2016. № с. 619-62
[2] Jensen, F., Falzon, B., Ankersen, J. & Stang, H., 2006. Structural testing and numerical simulation of a 34 m composite wind turbine blade. Composite Structures, Volume 76, p. 52–61.
[3] Kong, C., Bang, J. & Sugiyama, Y., 2005. Structural investigation of composite wind turbine blade considering various load cases and fatigue life. Energy, Volume 30, pp. 2101-2114.
[4] Ngoc Anh Vu, Jae Woo Lee, Tuan Phuong Nam Le, Song Thanh Thao Nguyen A fully automated framework for helicopter rotor blades design and analysis including aerodynamics, structure, and manufacturing. Chinese Journal of Aeronautics, Volume 29, Issue 6, December 2016, Pages 1602-1617
[5] Peretz P. Friedmann, Bryan Glaz, Rafael Palacios A moderate deflection composite helicopter rotor blade model with an improved cross-sectional analysis. International Journal of Solids and Structures, Volume 46, Issue 10, 15 May 2009, Pages 2186-2200
[6] Degrieck, J. and Van, P. W., “Fatigue damage modelling of fibre-reinforced composite materials: Review,” Applied Mechanics Reviews, vol. 54, no. 4, pp. 279–300, 2001.
[7] R.B. Heslehurst Defects and Damage in Composite Materials and Structures. CRC Press. 2014. 154 p.
[8] Joffre, T., Miettinen, A., Wernersson, E., Isaksson, P., & Gamstedt, E. Effects of defects on the tensile strength of short-fibre composite materials. Mechanics of Materials, v.75, 2014. pp. 125-134. doi:10.1016/j.mechmat.2014.04.003
[9] S.L. Lemanski, J. Wang, M.P.F. Sutcliffe, K.D. Potter, M.R. Wisnom Modelling failure of composite specimens with defects under compression loading. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing. Volume 48, May 2013, Pages 26–36 http://dx.doi.org/10.1016/j.compositesa.2012.12.007
[10] Jiwei Dong, Ningfei Huo A two-scale method for predicting the mechanical properties of 3D braided composites with internal defects. Composite Structures. Volume 152, 15 September 2016, Pages 1–10
[11] Ai Shigang, Fang Daining, He Rujie, Pei Yongmao Effect of manufacturing defects on mechanical properties and failure features of 3D orthogonal woven C/C composites. Composites Part B: Engineering. Volume 71, 15 March 2015, Pages 113–121
[12] F.M.F. Ribeiro, R.D.S.G. Campilho, R.J.C. Carbas, L.F.M. da Silva Strength and damage growth in composite bonded joints with defects. Composites Part B: Engineering. Volume 100, 1 September 2016, Pages 91–100
[13] Y. Gowayed, G. Ojard, E. Prevost, U. Santhosh, G. Jefferson, Y. Gowayed, G. Ojard, E. Prevost, U. Santhosh, G. Jefferson Defects in ceramic matrix composites and their impact on elastic properties. Composites Part B: Engineering, V. 55, 2013, pp 167-175.
[14] Димитриенко Ю.И., Юрин Ю.В., Федонюк Н.Н. Численное моделирование деформирования и прочности трехслойных композитных конструкций с дефектами // Математическое моделирование и численные методы, 2016, № 3, с.3-23.
[15] Димитриенко Ю. И., Губарева Е.А., Сборщиков С.В. Многомасштабное моделирование упруго-пластических композитов с учетом повреждаемости// Математическое моделирование и численные методы, 2016, №2 (10), c. 3-24
[16] Димитриенко Ю.И., Юрин Ю.В., Европин С.В. Прогнозирование долговечности и надежности элементов конструкций высокого давления. Часть 1. Численное моделирование накопления повреждений //Известия ВУЗов. Машиностроение.- 2013.-№11.-С.3-11.
[17] Yu. I. Dimitrienko and I. P. Dimitrienko. Long-term strength of reinforced composites //Mechanics of Composite Materials, 1989, Volume 25, Issue 1, pp 13-18. https://doi.org/10.1007/BF00608446
[18] Дж. Сендецки «Механика композиционных материалов, том 2», издательство «Мир», М. 1978.
[19] Композиционные материалы: Справочник / Под ред. В.В.Васильева, Ю.М.Тарнопольского. – М.: Машиностроение, 1989. – 510 с.
[20] Димитриенко Ю.И. Основы механики твердого тела/ Механика сплошной среды.Т.4.-Изд-во МГТУ им.Н.Э.Баумана.-2013.-624 с.
[21] Димитриенко Ю. И. Механика сплошной среды, т.1. Тензорный анализ.- М.:Изд-во МГТУ им.Н.Э.Баумана.- 367 с.
[22] Бахвалов Н.С., Панасенко Г.П. Осреднение процессов в периодических средах. – М.: Наука, 1984. – 352 c.
[23] Победря Б.Е. Механика композиционных материалов. – М.: МГУ, 1984. – 336 с.
[24] Dimitrienko Yu.I. A structural thermos-mechanical model of textile composite materials at high temperatures. Composites Science and Technology. 1999. Т. 59. № 7. С. 1041- 1053.
[25] Dimitrienko Y. Modeling of the mechanical properties of composite materials at high temperatures: part 1. Matrix and fibers. Applied Composite Materials. 1997. Т. 4. № 4. С. 219-237.
[26] Dimitrienko Y.I., Dimitrienko I.D. Effect of thermomechanical erosion on heterogeneous combustion of composite materials in high –speed flows. Combustion and Flame. 2000. Т. 122. № 3. С. 211-226.
[27] Димитриенко Ю.И., Губарева Е.А., Сборщиков С.В., Федонюк Н.Н. Моделирование вязкоупругих характеристик слоисто-волокнистых полимерных композиционных материалов// Наука и образование. Электронный журнал. # 11, ноябрь 2014. DOI: 10.7463/1114.0734246
[28] 28. Димитриенко Ю.И., Кашкаров А.И., Макашов А.А. Конечно-элементный расчет эффективных упруго-пластических характеристик композитов на основе метода асимптотического осреднения. Вестник Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана. Серия: Естественные науки. 2007. № 1. С. 26-46. [29] Yu. I. Dimitrienko, I. D. Dimitrienko and S.V. Sborschikov Multiscale Hierarchical Modeling of Fiber Reinforced Composites by Asymptotic Homogenization Method// Applied Mathematical Sciences, Vol. 9, 2015, no. 145, 7211-7220 http://dx.doi.org/10.12988/ams.2015.510641 http://www.m-hikari.com/ams/ams-2015/ams-145-148-2015/p/dimitrienkoAMS145-148-2015.pdf
[30] Димитриенко Ю.И., Федонюк Н.Н., Губарева Е.А., Сборщиков С.В., Прозоровский А.А., Ерасов В.С., Яковлев Н.О. Моделирование и разработка трехслойных композиционных материалов с сотовым заполнителем. Вестник Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана. Серия: Естественные науки. 2014. № 5 (56). С. 66-81.


Димитриенко Ю.И., Юрин Ю.В. Конечно-элементное моделирование поврежда- емости и долговечности композитных элементов конструкций с дефектами типа рас- слоения. Математическое моделирование и численные методы, 2017, No 3, с. 49–70.



Скачать статью

Колличество скачиваний: 183