Галина Анатольевна Форенталь, инженер-исследователь
454080, г. Челябинск, пр. Ленина, 76
Galina A. Forental, Research Engineer
76, Lenin Ave., Chelyabinsk, 454080
Сергей Борисович Сапожников, доктор технических наук, профессор; ведущий ученый
454080, г. Челябинск, пр. Ленина, 76
140180, г. Жуковский, Московская область, ул. Жуковского, 1
Sergey B. Sapozhnikov, Dr.Sci. (Eng.), Professor of the Engineering Mechanics Department; Leading Scientist
76, Lenin Ave., Chelyabinsk, 454080
1, Zhukovsky Str., Zhukovsky, Moscow Region, 140180
Introduction. One of the reasons for undesirable delamination of polymer composites with fabric reinforcement is low transverse shear properties. It is known that the reinforcement of polymer fabric composites in the Z direction reduces the sensitivity to delamination and increases the viscosity of interlayer fracture. Various methods of three-dimensional reinforcement of polymer fabric composites are proposed in the literature. However, they complicate the manufacturing process of the structure. The problem is solved by the method of three-dimensional reinforcement proposed in this article — felting. This is a local reinforcement of the composite in the Z direction with minimal production changes. The degree of Z-reinforcement is determined by the felting density, i.e., the number of needle punches per 1 cm² of the fabric package. The work is aimed at evaluating the effect of felting on the interlayer crack resistance of a composite material.
Materials and Methods. The interlayer fracture toughness GIIc was determined on a cross-woven fiberglass with felting of 10 cm-². The material was impregnated with Etal-370 resin and Etal-45 hardener. Experiments according to ASTM D7905M–14 and GOST 33685–2015 standards were carried out on an Instron 5900R test machine. The stress state at the crack tip was analyzed with regard to the nonlocal strength theory in the ANSYS Workbench program (option “static strength analysis”). The finite element method (FEM) was used.
Results. The “load — displacement” curves were considered for the samples. Values GIIc were calculated. The results of ENF tests for felting density of 0 cm–² and 10 cm–² were summarized. Control samples and felting samples were compared. In the latter case, GIIс turned out to be ~33% higher. The stress state at the crack tip was calculated under DCB and ENF loading. The dependences of maximum normal and shear stresses, as well as displacements, were visualized in the form of graphs and color charts. To get the calculated “load — displacement” dependences using FEM, the reverse method of obtaining transverse shear constants was used. DCB loading showed that felting provided increasing the rupture strength in the Z direction to ~18%, by 39 to 46 MPa, and in the planes XZ— to ~16%, by 77 to 89 MPa.
Discussion and Conclusion. Felting as a method of local three-dimensional reinforcement enhances the interlayer crack resistance of polymer fabric composites. It provides reducing the area of stratifications after local impacts during the operation of structures. Flexible felting technology makes it possible to create zones with an arbitrary impact density, increasing fracture toughness only in the required places of structures. The FEM analysis of the stress state at the crack tip within the framework of the nonlocal strength theory has shown that in strength calculations, the stratification crack can be considered as a stress concentrator.
Введение. Одна из причин нежелательных расслоений полимерных композитов с тканевым армированием — низкие трансверсально-сдвиговые характеристики. Известно, что армирование полимерных тканевых композитов в направлении Z уменьшает чувствительность к расслоению и повышает вязкость межслойного разрушения. В литературе предлагаются разные способы трехмерного армирования полимерных тканевых композитов. Однако они усложняют процесс изготовления конструкции. Проблему решает предложенный в данной статье способ трехмерного армирования — фелтинг. Это локальное армирование композита в направлении Z при минимальных производственных изменениях. Степень Z-армирования определяется плотностью фелтинга, т.е. количеством ударов иглы на 1 см² тканевого пакета. Цель работы — оценить влияние фелтинга на межслойную трещиностойкость композитного материала.
Материалы и методы. Межслойную вязкость разрушения GIIc определяли на стеклоткани полотняного переплетения с фелтингом 10 см–². Материал пропитывали смолой Этал-370 и отвердителем Этал-45. Эксперименты по стандартам ASTM D7905M–14 и ГОСТ 33685–2015 проводили на испытательной машине Instron 5900R. Напряженное состояние у вершины трещины анализировали с позиции нелокальной теории прочности в программе Ansys Workbench (опция «статический прочностной анализ»). Задействовали метод конечных элементов (МКЭ).
Результаты исследования. Для образцов рассмотрели кривые «нагрузка — перемещение». Вычислили значения GIIс. Обобщили итоги ENF-испытаний для плотности фелтинга 0 см–² и 10 см–². Сравнили контрольные образцы и образцы с фелтингом. В последнем случае GIIс оказалась выше на ~33 %. Рассчитали напряженное состояние у вершины трещины при DCB- и ENF-нагружении. Визуализировали в виде графиков и цветовых диаграмм зависимости максимальных нормальных и касательных напряжений, а также перемещений. Для получения расчетных зависимостей «нагрузка — перемещение» с помощью МКЭ использовали обратный метод получения трансверсально-сдвиговых констант. Нагружение по схеме DCB показало, что фелтинг позволяет увеличить предел прочности на растяжение в направлении Z на ~18 %, с 39 до 46 МПа, а в плоскости XZ — на ~16 %, с 77 МПа до 89 МПа.
Обсуждение и заключение. Фелтинг как способ локального трехмерного армирования усиливает межслойную трещиностойность полимерных тканевых композитов. Он позволяет сократить площадь расслоений после локальных ударов при эксплуатации конструкций. Гибкая технология фелтинга дает возможность создавать зоны с произвольной плотностью ударов, повышая трещиностойкость лишь в необходимых местах конструкций. МКЭ-анализ напряженного состояния у вершины трещины в рамках нелокальной теории прочности показал, что в прочностных расчетах трещину расслоения можно рассматривать как концентратор напряжений.
The authors declare that there are no conflicts of interest present.