Расчетно-экспериментальная оценка ударостойкости композиционных материалов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.07.02, кандидат наук Беззаметнов Олег Николаевич

• Беззаметнов Олег Николаевич
• кандидат наук
• 2021

Оглавление диссертации кандидат наук Беззаметнов Олег Николаевич

1.2.1 Обоснование и выбор связующих материалов для оценки стойкости к удару

1.2.2 Обоснование и выбор наполнителя по типу переплетения для исследования ударостойкости

1.3 Разработка технологии изготовления образцов для определения ударостойкости композиционных материалов

1.3.1 Разработка технологии и режимов формования образцов

1.3.2 Проектирование и изготовление технологической оснастки

1.3.3 Изготовление пластин и нарезка образцов

1.4 Выводы по главе

ГЛАВА 2. ПРОВЕДЕНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ УДАРОСТОЙКОСТИ ОБРАЗЦОВ С ОЦЕНКОЙ РАЗМЕРОВ ПОВРЕЖДЕНИЙ МЕТОДАМИ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ

2.1 Экспериментальное оборудование и методика нанесения ударных повреждений

2.2 Оценка размеров ударных повреждений различных композиционных материалов с применением средств неразрушающего контроля

2.2.1 Визуальная и инструментированная оценка внешней геометрии повреждений

2.2.2 Исследование повреждений методом ультразвукового контроля

2.2.3 Результаты применения КТ для исследования ударных повреждений

2.3 Результаты влияния энергии удара на размеры повреждений различных композиционных материалов

2.4 Выводы по главе

ГЛАВА 3 РАСЧЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ УДАРНЫХ ПОВРЕЖДЕНИЙ НА ПРОЧНОСТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КОМПОЗИЦИОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ

3.1 Постановка задачи исследований

3.2 Экспериментальное оборудование и методика проведения испытаний на сжатие пластин после удара

3.3 Тестовые испытания и расчеты прямоугольных пластин с отверстием при сжатии

3.3.1 Характеристики образцов для испытаний

3.3.2 Экспериментальное исследование прочности пластин с отверстиями при сжатии

3.3.3 Расчет напряженно-деформированного состояния пластин с отверстиями при сжатии

3.3.4 Аналитический анализ прочности пластин с отверстиями

3.4 Результаты испытаний на сжатие пластин из различных материалов с ударными повреждениями

3.5 Выводы по главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

126

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

128

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Акт о внедрении результатов диссертационной работы на

предприятии АО «НЦВ Миль и Камов»

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Акт о внедрении результатов диссертационной работы в научно-исследовательский процесс ФГБОУ ВО «Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н.Туполева-КАИ»

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Расчетно-экспериментальная оценка ударостойкости композиционных материалов»

ВВЕДЕНИЕ

Передовая современная техника характеризуется постоянным ростом объемов использования полимерных композиционных материалов (ПКМ), позволяющих разработчикам достигать более совершенных технических и экономических характеристик изделий. Конструкции из ПКМ широко применяются в зарубежной и отечественной авиационно-космической технике [1-5]. Одной из важнейших задач при создании летательного аппарата является задача обеспечения его прочности при минимальной массе. При этом необходимо учитывать все факторы, влияющие на прочностные характеристики при его эксплуатации. Основные факторы, снижающие прочность конструкции летательного аппарата (ЛА) в процессе эксплуатации, показаны на рис. 1. Влияние того или иного фактора может изменяться в зависимости от типа конструкции, применяемых материалов, технологий изготовления, прогнозируемых условий эксплуатации. Большим ограничением применения ПКМ в силовых конструкциях является их низкая стойкость к ударным повреждениям (Рис. 1). Конструкции из ПКМ могут получать ударные повреждения при попадании камней, града, столкновении с птицами, регламентных работах и т. д. Такие дефекты трудно обнаруживаемы при визуальном осмотре и склонны к дальнейшему росту в процессе эксплуатации.

Рис. 1 - Основные факторы, снижающие прочность конструкции ЛА в

процессе его эксплуатации

Проблема ударных повреждений композиционных материалов является одной из основных при оценке эксплуатационной прочности подобных конструкций. Эти повреждения внешне малозаметны, но вызывают самые разные варианты внутренних разрушений и значительное снижение прочности [6], [7]. Согласно требованиям нормативных документов, ударное повреждение должно надежно обнаруживаться при стандартных формах обслуживания либо не должно снижать прочность конструкции ниже расчетных значений при действии тестовых и эксплуатационных нагрузок [8].

Характер повреждений для различных композиционных материалов существенно отличается, поскольку у каждого производителя собственная технология изготовления, которая сертифицирована для конкретного летательного аппарата. В качестве меры обнаружения повреждения в ПКМ принимается глубина визуально наблюдаемой вмятины. Обычно за размер BVID (порог визуальной контролепригодности) принимаются глубины от 0,2 до 0,5 мм, например, от 0,3 до 0,5 у Boeing. Считается, что энергия удара при вмятине глубиной 0,3 мм вызывает едва видимые расслоения без пробоя материала. Однако теоретические и экспериментальные исследования [9] показывают, что для ПКМ размеры внутренних повреждений слоев могут значительно превышать визуально обнаруживаемые размеры вмятин. Поэтому наибольшую опасность представляют собой удары небольшой интенсивности, не оставляющие видимых следов на поверхности, но приводящие к возникновению существенных внутренних повреждений (нарушение структуры материала, расслоения, разрывы волокон и т. д.). Для анализа прочностных и усталостных характеристик композиционных конструкций с ударными повреждениями необходимо проведение численных и экспериментальных исследований с целью накопления материалов для совершенствования технологии производства, увеличения ресурса и планирования ремонта.

Размеры повреждений зависят от характеристик материала и энергии удара. Приближенно они определяются расчетным путем, а действительные значения уточняются в ходе специальных исследований. Решение этой проблемы требует

привлечения современных ударных стендов, высокотехнологичных средств регистрации удара и наиболее совершенных средств неразрушающего контроля повреждений.

В работе [10] изложены современные представления о механике разрушения контактирующих тел и рассмотрены методы ее практического использования. Приводятся основные результаты решений контактной задачи теории упругости и пластичности, морфологии поверхностных трещин в условиях их возникновения, закономерности распространения возникающих трещин и разрушения исходной поверхности тела. Определение напряженно-деформированного состояния и разрушения многослойных конструкций позволяет в первом приближении проанализировать ситуацию и наметить пути изменения геометрии, свойств слоев, чтобы защитить конструкцию от разрушения. Расчеты многослойных преград, подвергнутых воздействию низкоскоростного удара, проведены в ряде работ [11, 12], где оценивалось влияние энергии удара, параметров слоев на степень поврежденности композиционных материалов. Характер повреждений для различных композиционных материалов существенно отличается, поскольку у каждой компании собственная технология изготовления, которая сертифицирована для конкретного летательного аппарата, и физико-механические характеристики слоев, необходимые для расчетов, часто в литературе недоступны. Расчетно-экспериментальная оценка влияния ударных повреждений на прочность композиционных материалов проводилась отечественными и зарубежными авторами [13, 14]. Поврежденность и дефектность структуры в используемых моделях сводится к созданию эквивалентного концентратора напряжений в образце в виде сквозного отверстия. Алгоритм выбора размеров эквивалентного отверстия представляет собой достаточно сложную задачу, поскольку для слоистых композитов внутренние расслоения и нарушения структуры значительно превышают визуально обнаруженные размеры вмятин. Исследования, направленные на изучение низкоскоростного удара, включающие в себя моделирование напряженно-деформированного состояния, подкрепленные экспериментальными данными с использованием систем неразрушающего

контроля, могут позволить получить достоверные результаты при проектировании композиционных конструкций.

С целью выявления различных повреждений структуры композиционных конструкций применяются акустические, радиационные, диэлектрические методы неразрушающего контроля. Эти методы являются относительными и не позволяют определить абсолютные значения плотности и пористости. При применении этих методов устанавливается коррекционная связь между плотностью и используемыми физическими параметрами. С целью выявления ударных повреждений композиционных обшивок применяются визуальные и инструментальные методы контроля. Визуальному осмотру подвергается вся поверхность агрегата; более тщательный осмотр проводится в ограниченных по площади, наиболее напряженных местах конструкции (целевой визуальный осмотр). Критические места конструкции, ударное повреждение которых может привести к разрушению агрегата, подвергаются осмотру с привлечением инструментальных методов неразрушающего контроля (целевой комплексный осмотр). В работе [15] приведены рентгенограммы динамики деформирования и разрушения композитов при ударе. Зона повреждений в работе [16] оценивается методом ультразвукового контроля с использованием фазированных решеток. Однако ультразвуковой анализ позволяет получить данные только о проекциях расслоений на плоскость, но не дает информации о зависимости размера области расслоения от координаты по толщине образца. Предлагается использовать послойный анализ методом томографии. В работе [17] компьютерная томография (КТ) применена при оценке структуры трехмерного армированного композита. Это позволило сократить количество методик исследования материала. Анализ микроструктуры материала в исходном состоянии позволил проводить оптимизацию режимов его изготовления. Исследование микроструктуры в объеме материала после воздействия статистических нагрузок дало возможность оценить эффективность совместной работы наполнителя и связующего. В ходе выполнения работы [18] исследованы основные этапы формирования микроструктуры композита, представлены наиболее характерные проекции томограммы с

обозначением протяженности дефектов-пустот в материале. По полученным проекциям томограмм смоделирована объемная 3D-модель материала. Применено специальное программное обеспечение для обработки изображения и анализа количественных свойств материала с описанием размеров дефектов во всем объеме материала в трех взаимно перпендикулярных областях.

Таким образом, работа актуальна и посвящена разработке методики оценки характера снижения несущей способности композиционных материалов с ударными повреждениями с применением современного испытательного оборудования, систем ультразвукового неразрушающего контроля и компьютерной томографии, определению корреляционных зависимостей падения механических характеристик образцов в зависимости от природы и типа армирующего материала, исследованию напряженно-деформированного состояния пластин с эквивалентными отверстиями методом конечных элементов.

Объекты исследования - образцы ПКМ на основе тканей различной природы и схем переплетения армирующего материала, среди которых стеклоткани, углеткани, кевлар и высокомолекулярный полиэтилен полотняного (направление волокон 0°/90°), саржевого (0°/90°), сатинового (0°/90°) переплетения и мультиаксиальные (±45°) ткани.

Предмет исследования - возможность применения комплексного подхода исследования ударостойкости различных композитов, основанного на получении экспериментальных зависимостей падения характеристик материалов, определении точных геометрических характеристик внутренних повреждений с применением неразрушающего контроля и верификации методики расчета напряженно-деформированного состояния пластин с эквивалентными отверстиями.

Цель и задача работы. Изучение закономерностей влияния низкоскоростного удара на несущую способность различных ПКМ, включающее в себя моделирование напряженно-деформированного состояния, подкрепленное экспериментальными данными с использованием систем неразрушающего

контроля, которые могут позволить получить достоверные результаты при проектировании конструкций.

Для достижения данной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Обосновать выбор исследуемых материалов: эпоксидного связующего; армирующих материалов различной природы (стекло-, угле-, кевларопластики и гибриды) и конфигураций переплетения волокон;

2. Изготовить стандартные образцы для испытаний методом прессового формования согласно разработанному режиму нагрева с учетом требований к полимеризации связующего;

3. Исследовать влияние типа армирующего материала на энергию инициации повреждения, поглощенную энергию и максимальную контактную нагрузку при нанесении низкоскоростного удара вертикально падающим грузом по образцам из различных материалов согласно требованиям международных стандартов;

4. Провести визуальную оценку внешней геометрии полученных повреждений при помощи контрольно-измерительной машины с лазерной сканирующей головкой, определить геометрию вмятины по сечениям;

5. Исследовать площади ударных повреждений методом ультразвукового эхо-импульсного контроля и установить зависимости изменения геометрических характеристик повреждений от интенсивности энергии удара;

6. Провести послойный анализ повреждения методом рентгеновской компьютерной томографии (КТ). Оценить характер повреждений по объему образца и в отдельных слоях;

7. Исследовать влияние ударных повреждений на остаточную прочность при сжатии образцов ПКМ различной структуры;

8. Разработать методику расчета напряженно-деформированного состояния пластин с ударными повреждениями, основанную на расчете пластин с отверстиями, эквивалентными повреждениям по критерию критической нагрузки при сжатии. Провести тестовые испытания образцов на сжатие для верификации расчетной методики;

9. Провести анализ деформационных характеристик образцов с отверстиями при сжатии при помощи бесконтактной системы измерения, основанной на корреляции цифровых изображений, и сравнить полученные эпюры распределения деформаций с расчетной моделью.

Методы исследования. При выполнении данной работы применялись современные методы исследования свойств композиционных материалов с использованием аналитического и экспериментального оборудования на базе кафедры производства летательных аппаратов КНИТУ-КАИ.

Нанесение ударных повреждений и регистрация параметров ударостойкости проводились с использованием копра с вертикально падающим грузом Instron Dunatup 9250HV, обработка данных производилась при помощи ПО Impulse. Оценка визуально видимых повреждений заключалась в анализе графических снимков с использованием программы Corel DRAW с соблюдением масштаба съемки. Исследование глубины вмятины проводили с использованием метода цифровой микрометрии. Для контроля внешней геометрии повреждений использовалась координатно-измерительная машина CimCore 5100 Infinite 2.0 с лазерной сканирующей головкой Perceptron Scan Works, анализ и обработка данных осуществлялись в ПО GOM Inspect Suite. Исследование внутренней структуры образцов проводилось на системах радиографического анализа и рентгеновской компьютерной томографии NSI Х5000 с программным комплексом efX-CT и Phoenix V|Tome|X S240 и ПО VG StudioMax.

Изучение механических характеристик при статическом сжатии образцов после удара проводилось на универсальной электромеханической испытательной системе Instron 5882 (100 кН) с использованием программы Bluehill. Исследование полей деформаций на поверхности образцов осуществлялось при помощи бесконтактной трехмерной цифровой оптической системы Vic-3D (Correlated Solutions) и ПО Vic-Snap. Расчеты напряженно-деформированного состояния проводились методом конечных элементов в программном обеспечении Ansys Static Structural. Проектирование технологической оснастки осуществлялось в CAD/CAM/CAE-системе NX 11.0 (Siemens PLM Software).

Достоверность. Обоснованность и достоверность подтверждаются воспроизводимостью экспериментальных данных, полученных с привлечением современных стандартизованных экспериментально-аналитических методов и испытаний, с применением сертифицированных приборов и оборудования. Достоверность расчетной методики оценки НДС тестовых образцов обеспечивается корректностью используемых математических моделей и их адекватностью реальным физическим процессам, совпадением теоретических результатов с данными экспериментов, верификацией моделей по данным других авторов.

Научная новизна

1. Получены новые экспериментальные данные о процессах деформирования и разрушения спектра образцов ПКМ при низкоскоростном ударе различной энергии.

2. Проведен комплексный анализ и сравнение размеров повреждений образцов после удара с применением различных методов неразрушающего контроля: лазерного сканирования, ультразвукового контроля с фазированными решетками, рентгеновской компьютерной томографии.

3. Представлены новые результаты расчетно-экспериментального исследования изменения остаточных механических свойств композиционных материалов различной структуры в условиях комбинированных ударных и статических воздействий.

Теоретическая значимость работы. Современные методы расчета позволяют с достаточной точностью оценить напряженно-деформированное и предельное состояние композиционных конструкций при действии эксплуатационных нагрузок с учетом ударных повреждений. Для этого необходимо знать расположение и размеры дефекта. Поэтому наряду с определением внешних размеров повреждений (глубины и площади вмятины), необходимо применение современных приборов и методов неразрушающего контроля для оценки внутренних расслоений и определения объема повреждения. С этой целью в работе была проведена теоретико-экспериментальная оценка

прочностных характеристик при сжатии образцов ПКМ с ударными повреждениями. В ходе работы наносился низкоскоростной удар с вертикально падающим грузом тремя уровнями энергий, исследованы параметры ударостойкости образцов; проведено исследование внутренней структуры и повреждений образцов ПКМ при помощи современных методов неразрушающего контроля; исследовано влияние различной энергии удара на остаточную прочность образцов; разработана методика расчета НДС пластин с эквивалентным отверстием при сжатии методом конечных элементов.

Развитие теоретических основ механики разрушения, накопление опыта испытаний, развитие методов и современных средств неразрушающего контроля позволит избавиться от излишних запасов прочности и повысить весовую эффективность конструкций из ПКМ.

Практическая ценность работы заключается в разработке методологии прогнозирования механических характеристик элементов многослойных композиционных конструкций после воздействия на них низкоскоростного удара в зависимости от природы и типа переплетения армирующего материала; применении комплексного подхода на базе неразрушающего контроля, позволяющего определить истинную картину повреждений для уточнения математической модели; расчете НДС пластин с эквивалентными отверстиями методом конечных элементов (КЭ).

Реализация и внедрение результатов работы. Результаты исследований использовались при выполнении гранта Российского фонда фундаментальных исследований №19-08-0577 «Оценка влияния ударных повреждений на прочностные и усталостные характеристики многослойных композиционных конструкций» и внедрены на предприятии АО «НЦВ Миль и Камов» и в научно-исследовательский процесс ФГБОУ ВО КНИТУ-КАИ.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Результаты исследования оценки влияния природы армирующего материала и типа переплетения на характеристики ударостойкости композиционного материала при низкоскоростном ударе.

2. Закономерности влияния энергии удара, природы и типа переплетения армирующего материала на показатели площадей внутренних разрушений образцов с применением комплексного неразрушающего ультразвукового контроля и рентгеновской компьютерной томографии.

3. Результаты исследования влияния различной энергии удара на остаточную прочность образцов многослойных композиционных материалов.

4. Математическая модель напряженно-деформированного состояния. Верификация расчетных и экспериментальных данных.

Личный вклад автора. Автор принимал активное участие в постановке целей и задач данного исследования, анализе литературных данных, выполнении экспериментальной части, обсуждении результатов и формулировке выводов. Эксперименты по нанесению ударных повреждений, исследование критериев стойкости образцов к удару, исследование внутренней структуры методами неразрушающего контроля, изучение физико-механических характеристик при сжатии образцов после удара, исследование полей деформации при потере устойчивости образцов с концентратором напряжений, описанные в диссертационной работе, выполнены автором лично и при его непосредственном участии.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на 10 всероссийских и 13 международных конференциях: Международная научная конференция «XLI Гагаринские чтения» (Москва, 2015); VII Московская международная конференция «Теория и практика технологий производства изделий из композиционных материалов и новых металлических сплавов» (Москва, 2016); Всероссийская научно-практическая конференция «Новые технологии, материалы и оборудование российской авиакосмической отрасли» (Казань, 2016, 2018); VII Всероссийская Каргинская конференция (Москва, 2017); Международная научная конференция «New Materials and Technologies in Mechanical Engineering» (Санкт-Петербург, 2019); XII Всероссийский съезд по фундаментальным проблемам теоретической и прикладной механики (Уфа, 2019); XXI Международная конференция по

вычислительной механике и современным прикладным программным системам (Алушта, 2019); XXV, XXVI, XXVII Международный симпозиум «Динамические и технологические проблемы механики конструкций и сплошных сред» (Москва, 2019, 2020, 2021); XXIII, XXIV Международная молодежная научная конференция «Туполевские чтения» (Казань, 2017, 2019); XX Международная научно-практическая конференция «Фундаментальная наука и технологии -перспективные разработки» (North Charleston, USA, 2019); Международный симпозиум «Компьютерные науки, цифровая экономика и интеллектуальные системы - CSDEIS2019» (Москва, 2019); XLIX Всероссийский симпозиум (Миасс, 2019); IX, X Всероссийская научная конференция «Механика композиционных материалов и конструкций, сложных и гетерогенных сред» (Москва, 2019, 2020); XIII Международная конференция по Прикладной математике и механике в аэрокосмической отрасли (Алушта, 2020); Всероссийская научная конференция «Актуальные проблемы механики сплошной среды» (Казань, 2020); XIII Всероссийская конференция по испытаниям и исследованиям свойств материалов «ТестМат» (Москва, 2021); V Международная научно-техническая конференция «Мавлютовские чтения» (Уфа, 2021).

Публикации. По теме диссертации опубликованы 32 научные работы, из них 2 - в изданиях, входящих в перечень ВАК Минобрнауки России по специальности 05.07.02, 6 - в изданиях, индексируемых в WoS или Scopus.

Структура и объем работы: Диссертация состоит из введения, 3 глав, выводов и списка литературы из 66 наименований. Текст изложен на 138 страницах, включает 81 рисунка и 24 таблицы.

Автор выражает глубокую признательность своему научному руководителю д.т.н., профессору Митряйкину В.И. за постоянное внимание и чуткое руководство. Автор выражает благодарность сотрудникам кафедры производства летательных аппаратов КНИТУ-КАИ.

ГЛАВА 1. ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА МАТЕРИАЛОВ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОБРАЗЦОВ ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ НА УДАРОСТОЙКОСТЬ

1.1 Анализ материаловедческих и технологических факторов, влияющих на ударостойкость композиционных материалов

В последнее время решению проблемы ударостойкости композиционных материалов было посвящено большое количество работ [1.1, 1.2]. И, как правило, эти исследования включают изучение ударных характеристик композитов, армированных непрерывными волокнами, поскольку среди полимерных композитов именно эти материалы наиболее широко используются в авиационно-космической технике, где случайные ударные воздействия могут привести к наиболее катастрофическим последствиям.

При исследовании свойств армированных пластиков при ударном нагружении необходимо учитывать такие особенности этих материалов, как сильную анизотропию, наличие сложной гетерофазной структуры, в которой важную роль играет межфазный слой, а также зависимость свойств от геометрической формы конечного изделия. Сюда же следует отнести и тот факт, что наиболее опасные ударные воздействия на конструкцию при эксплуатации приходятся, как правило, не в направлении армирования, а в трансверсальном направлении, где свойства материала в значительной мере определяются свойствами матрицы и границы раздела. Таким образом, механическое поведение композиционного материала явно недостаточно характеризовать лишь показателем прочности вдоль направления армирования. Более того, характеристики межслоевого разрушения (прочность при сдвиге, трещиностойкость, ударная вязкость) могут оказаться определяющими в поведении многослойного композита при его деформировании, особенно в условиях трансверсального ударного воздействия.

1.1.1 Влияние связующего на ударостойкость композиционных материалов

Можно с уверенностью сказать, что наиболее значительный вклад в ударостойкость композиционного материала вносит характер вязкоупругого поведения связующего и особенности его взаимодействия с армирующими волокнами [1.2]. В силу того, что в условиях трансверсального ударного воздействия распространение трещины происходит, главным образом, между слоями армирующих волокон, основная часть энергии удара расходуется на разрушение матрицы и межфазного слоя. Отсюда следует, что для композитных конструкций, работающих в условиях возможных ударных воздействий, необходимо сочетание как высоких упругих, так и высоких диссипативных свойств связующего.

Наиболее широко в качестве связующих для высокопрочных армированных пластиков используются различные эпоксидные композиции. Этому способствует их высокая прочность, малая усадка при отверждении, неплохая коррозионная стойкость, хорошие технологические качества, такие как низкая вязкость при относительно невысоких температурах обработки, хорошее смачивание практически всех известных армирующих наполнителей. Эпоксидные связующие и материалы на их основе благодаря ценному комплексу технологических и эксплуатационных свойств широко используются в современной технике в производстве эпоксидных стекло-, угле-, органопластиков, поливолокнистых (гибридных) ПКМ, супергибридных многослойных ПКМ и изделий многофункционального назначения, прежде всего в авиаракетостроении [1.3]. Эпоксидные смолы на основе смесей диановых (70% мирового производства), циклоалифатических многофункциональных олигомеров - основа большого ассортимента эпоксидных связующих [1.4-1.8]. В промышленности используют более 50 типов эпоксидных смол и более 100 видов отвердителей.

Однако, немодифицированные эпоксидные смолы имеют довольно низкие характеристики трещиностойкости, что особенно сказывается на их слабом

сопротивлении ударным воздействиям. В связи с этим проблема повышения вязкости разрушения эпоксидных смол является актуальной задачей.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Беззаметнов Олег Николаевич, 2021 год

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ:

Литература Введение

1. Каблов Е.Н. Авиационное материаловедение в XXI веке. Перспективы и задачи. Авиационные материалы. Избранные труды ВИАМ 1932-2002. М., 2002. С. 23-47.

2. Колосова А.С., Сокольская М.К., Виткалова И.А., Торлова А.С, Пикалов Е.С. Современные полимерные композиционные материалы и их применение. Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. 2018. № 5 (часть 1). С. 245-256.

3. Савин С.П. Применение современных полимерных композиционных материалов в конструкции планера самолётов семейства МС-21 // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2012. Т. 14 №4 (часть 2). С. 686-693.

4. Полимерные композиционные материалы: научное издание / Баженов С.Л., Берлин А.А., Кульков А.А., Ошмян В.Т. - Долгопрудный: Издательский дом «Интеллект», 2010, 352 с.

5. Bilisik K. Multiaxis three-dimensional weaving for composites: A review // Textile Research Journal. 2012. Vol. 82, №7. pp.725-743.

6. Небелов Е. В., Потоцкий М. В., Родионов А. В., Горский А. Н. Механизм развития повреждений лопастей воздушного винта из композиционных материалов при воздействии поражающих элементов // Вестник Московского авиационного института. 2016. Т. 23. № 1. С. 26-31

7. Полянский В. В., Нестеров В. А. Оценка изменения надежности конструкции планера с механическими повреждениями // Вестник Московского авиационного института. 2009. Т. 16. № 5. С. 32-39

8. Фейгенбаум Ю.М., Дубинский С.В., Божевалов Д.Г., Соколов Ю.С., Метелкин Е.С., Миколайчук Ю.А., Шапкин В.С. Обеспечение прочности композитных авиационных конструкций с учетом случайных эксплуатационных ударных воздействий: монография. М.: Техносфера, 2018. 228 с.

9. Колесников Ю.В., Морозов Е.М. Механика контактного разрушения. Изд. 4-С. -М. Издательство ЛКИ, 2012. 224 с.

10. Equivalent Hole Method. Fulvio Romano, Francesco Di Caprio, Umberto Mercurio. Compression after Impact Analysis of Composite Panels and // Procedia Engineering. Vol. 167. 2016. pp. 182 - 189.

11. H. Singh, B. Ch. Hazarika, S. Dey. Low velocity impact responses of functionally graded plates // Procedia Engineering. Vol. 173. 2017. pp. 264 - 270.

12. Ali Kursun, Mehmet , Senel, Halil M. Enginsoy. Experimental and numerical analysis of low velocity impact on a preloaded composite plate // Advances in Engineering Software. Vol. 90. 2015. pp. 41 - 52.

13. И.Н. Сидоров, В.И. Митряйкин, А.В. Горелов, Л.П. Шабалин. Исследование прочности композитной лопасти несущего винта вертолета, имеющей ударные повреждения, по теории предельного равновесия // Журнал Средневолжского математического общества. 2019. Т.21, №3. С. 343-350.

14. K.T. Tan, N. Watanabe, Y. Iwahori. Finite element model for compression after impact behaviour of stitched composites / Composites. Part B: engineering Vol. 79. 2015, pp 53-60.

15. Sneha Samal, Marcela Kolinova, Hubert Rahier, Giovanni Dal Poggetto and Ignazio Blanco Investigation of the Internal Structure of Fiber Reinforced Geopolymer Composite under Mechanical Impact: A Micro Computed Tomography Study // Applied Sciences. Vol. 9. Issue 3. 2019. p. 516.

16. Бойчук А.С., Генералов А.С., Далин М.А., Степанов А.В. Неразрушающий контроль технологических нарушений сплошности Т-образной зоны интегральной конструкции из ПКМ с использованием ультразвуковых фазированных решеток // Журнал «Все материалы. Энциклопедический справочник». М., 2012. №10. с. 38 - 44.

17. N.Naouara, E.Vidal-Sallea, J.Schneiderc, E.Maireb, P.Boisse 3D composite reinforcement meso F.E. analyses based on X-ray computed tomography // Composite Structures . 2015. Vol. 132. pp. 1094-1104.

18. Yuri Nikishkov, Luca Airoldi, Andrew Makeev Measurement of voids in composites by X-ray Computed Tomography // Composites Science and Technology. 2013. Vol. 89. рр. 89-97.

Глава 1

1.1. Ал.Ал.Берлин. Современные полимерные композиционные материалы (ПКМ) //Соросовский образовательный журнал. - 1995, №1. - с.57-65.

1.2. Антонов А.В. Свойства армированных пластиков на основе эпоксидных смол, модифицированных полисульфоном, при ударном нагружении /Автореф.на соиск.уч.ст.к.т.н.- Москва, 146с.

1.3. Михайлин Ю.А. Конструкционные полимерные композиционные материалы.2-е изд. - СПб.: Научные основы и технологии, 2010. - 822с.

1.4. Пакен А.М. Эпоксидные соединения и эпоксидные смолы /Пер. с англ. - Л.: Госхимиздат, 1962. - 340с.

1.5. Ли Х., Невилл К. Справочное руководство по эпоксидным смолам /Пер. с англ. Под ред. Н.В.Александрова. - М.: Энергия, 1973. - 415с.

1.6. Чернин И.З., Смехов Ф.М., Жердев Ю.В. Эпоксидные полимеры и композиции. М.: Знание, 1982. С. 53-81.

1.7. Мошинский Л.Я. Эпоксидные смолы и отвердители. Тель-Авив: Аркадия Пресс Лтд., 1995. С. 40-142.

1.8. Амирова Л.М. Композиционные материалы на основе эпоксидных олигомеров. Учебное пособие / Л.М. Амирова, М.М. Ганиев, Р.Р. Амиров. Казань: «Новое знание», 2002. - 167 с.

1.9. Кулезнев В.Н. Механизм упрочнения пластических масс каучуками // Пласт.массы. - 1984, №10. - с.21-22.

1.10. Снопков А.Ю., Глазер Е.А., Яковлев А.Д. Покрытия на основе эпоксидных смол, модифицированных каучуками (Обзор литературы) //

1.11. Рогинская Г.Ф., Волков В.П., Богданова Л.М., Чалых А.Е., Розенберг Б.А. Механизм формирования фазовой структуры эпоксидно-каучуковых систем // Высокомол.соед. - 1983. - T^)XXV, №9. - с.1979-1986.

1.12. Кулик Т.А., Кочергин Ю.С., Зайцев Ю.С., Пактер М.К., Аскадсикй А.А. Влияние жидких каучуков на физико-механические свойства эпоксидных полимеров //Пласт.массы. - 1985, №4. - с.25-26.

1.13. Гурман И.М., Пшеницина В.П., Гриневская Л.А., Акутин М.С. Отверждение эпоксидных олигомеров, модифицированных каучуком // Пласт.массы. - 1970, №3. - с.41-42.

1.14. Большаков В.А., Алексашин В.М. Повышение остаточной прочности при сжатии после низкоскоростного удара углепластиков, изготовляемых инфузионным методом формования // Авиационные материалы и технологии. -2013, №4. - с.47-50.

1.15. Sandrine Petit, Christophe Bouvet, Alain Bergerot, Jean-Jacques Barrau Impact and compression after impact experimental study of a composite laminate with a cork thermal shield, Composites Science and Technology, 2007, No.67, pp.3286-3299.

1.16. Платонов А.А. Полимерные композиционные материалы на основе прошитого наполнителя с повышенной ударостойкостью // Авиационные материалы и технологии. - 2014, №4. - с.43-47.

1.17. Alan Tate Nettles, Stosch Sabo. Compression after impact strength of thin laminates with various percentage of 0° plies, Journal of Composite Materials, 2014, Vol. 48(3), pp.345-354.

1.18. Е. В. Куприянова, И. С. Гавриков, Т. В. Морозова Исследование поведения при ударе эпоксипластиков с волоконным и дисперсным наполнением // Вестник технологического университета. - 2020, Т23.

1.19. Г.М. Гуняев, Е.Н. Каблов, В.М. Алексашин Модифицирование конструкционных углепластиков углеродными наночастицами / Российский химический журнал, - 2010, ^LIV, № 1, - с.5-11.

Глава 2

2.1. В.И. Митряйкин, И.Н. Сидоров, Е.В. Кротова, Т.А. Зайцева Расчетно-экспериментальные исследования прочности лопасти винта вертолета с ударными повреждениями // Научно-технический вестник Поволжья. 2017. №5. С. 64-67.

2.2. Sanan H Khana, Ankush P Sharmaa, Venkitanarayanan Parameswarana An Impact induced damage in composite laminates with intra-layer and inter-laminate damage // Procedia Engineering. 2017. №173. pp. 409 - 416.

2.3. М. Ш. Нихамкин, Л. В. Воронов Экспериментальное исследование высокоскоростного ударного повреждения углепластиков для изготовления деталей авиационных двигателей // Конструкции из композиционных материалов. 2015. № 4. С. 74-80.

2.4. Л.В. Воронов, L.A. Coles, М.Ш. Нихамкин, V.V. Silberschmidt, С.В. Семенов, Б.П. Болотов Экспериментальное исследование баллистического повреждения углепластика, используемого в авиастроении // Вестник ПНИПУ. Аэрокосмическая техника. 2018. № 54. С. 5-16.

2.5. Д.Б. Добрица Теоретико-экспериментальная оценка стойкости сотовых панелей космического корабля при воздействии метеорно-техногенных частиц // Вестник томского государственного университета. 2014. №2 (28). С. 58-68.

2.6. Pavelko, N.Sidenko, V.Cimanis, P. Sobolev Influence of the mass and velocity ratio of drop point on development of impact damages in structures made from composite at low velocity impact of given energy // Scientific proceedings XXI international scientific-technical conference "trans & MOTAUTO '13". 2013. №2. С. 86-89.

2.7. Жаренов И.А., Кулеш В.П., Курулюк К.А. Измерение методом видеограмметрии полей деформации панелей в результате ударного повреждения // Труды МАИ. Выпуск № 101. 2018. С. 11.

2.8. Ignatiev K.I, Stock S.R., Lee W.K., Fezzaa K. Phase contrast stereometry: fatigue crack mapping in three dimensions // Philosophical Magazine, Vol. 85. - 2005. -no.28. - pp. 3273-3300.

2.9. Прямицын И.Б., Челпанов И.Б., Аржанухина С.П. Настольные лазерные сканеры: новые области применения и точностные характеристики // Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ». 2012. №3. С. 1-7.

2.10. Бойцов Б. В., Васильев С. Л., Громашев A. Г., Юргенсон С. A. Методы неразрушающего контроля, применяемые для конструкций изперспективных композиционных материалов // Труды М^^, 2011, №49, с.70.

2.11. Митряйкин В.И., Михайлов СА., Бугаков И.С., Закиров Р.Х. Неразрушающий контроль композиционных конструкций компьютерным томографом: Монография. Казань: Изд-во Казан. Гос. Техн. ун-та, 2011. 192 с.

2.12. Крылов A. A., Москаев В. A. Методика проведения рентгеноскопического контроля и анализа технического состояния элементов конструкции воздушного судна с сотовым заполнителем // Вестник Московского авиационного института. 2019. Т. 26. № 2. С. 139-146.

2.13. Dr. Michael Moles, D. C. Advances in Phased Array Ultrasonic Technology Applications / Dr. Michael D. C. Moles, Noël Dubé. - Waltham: Olympus, 2007. - 467 c.

2.14. Клюев В.В., Вайнберг Э.И. Новое поколение рентгеновских вычислительных томографов для технической диагностики // Дефектоскопия. 1991. № 1. С.80-84.

2.15. Зайцева ТА., Митряйкина Е.В. Внедрение спиральной компьютерной томографии для определения механических характеристик материала путем исследования его внутренней структуры. Научно-технический вестник Поволжья. 2012. №6. С. 311-315.

2.16. И.Н. Сидоров, В.И. Митряйкин. Исследование прочности лопасти вертолета с ударными повреждениями. Итоги науки. Выпуск 34. - Избранные труды Всероссийского симпозиума по механике и процессам управления. - М.: РAH, 2018. - 253 с.

2.17. Богданов В. Р., Сулим Г. Т. Моделирование роста пластических деформаций при ударе на основе численного решения задачи плоского напряженного состояния // Вестник Московского авиационного института. 2013. Т. 20. № 3. С. 196-204.

2.18. Горшков А. Г. Механика взаимодействия деформируемых конструкций со сплошными средами и физико-механическими полями // Вестник Московского авиационного института. 2005. Т. 12. № 2. С. 156-163.

2.19. Беззаметнов О.Н., Митряйкин В.И., Халиулин В.И. Испытания низкоскоростным ударом различных композиционных материалов // Вестник Московского авиационного института. - 2019, Т. 26. - №4. - С. 216-229.

2.20. Беззаметнов О.Н., Митряйкин В.И., Халиулин В.И., Кротова Е.В. Разработка методики определения стойкости к ударным воздействием деталям летательных аппаратов из композитов с сотовым заполнителем // Вестник Московского авиационного института. - 2020. Т. 27. № 3. - С. 111-125.

2.21. Oleg Bezzametnov, Mitryaykin V.I., Khaliulin V.I., Statsenko E.O. Investigation of Composite Materials Impact Damage by a Computer Tomography // Key Engineering Materials Vol. 822 (2019) pp 362-370.

2.22. Митряйкин В.И., Беззаметнов О.Н. Оценка ударных повреждений компьютерным томографом // Материалы XXV международного симпозиума «Динамические и технологические проблемы механики конструкций, и сплошных сред» имени А.Г. Горшкова. Т.1. - 2019. - С. 155-157.

2.23. O.N. Bezzametnov, V.I. Mitryaykin, Y.O. Statsenko Studies of structure and impact damage of composite materials by a computer tomograph // CSDEIS 2019, AISC 1127, (2020) pp. 385-394.

Глава 3

3.1. МОС 25.571-1А. Оценка допустимости повреждений и усталостной прочности конструкции. СЦ «Прочность», инв. № 123/1б, 2015.

3.2. Federal Aviation Administration. Advisory Circular - Composite Aircraft Structure. Advisory Circular, No 20 - 107B change 1, 2010.

3.3. Kan H.P., Cordero R., Whitehead R.S. Advanced Certification Methodology for Composite Structure, rep. DOT/FAA/AR-96/111, 1997.

3.4. Бирюк В.И. Научно-технический отчет № 03-6319 // Центральный аэродинамический институт. 1992. С. 15-20.

3.5. В.С. Ерасов, В.Д. Крылов, С.В. Панин, А.А. Гончаров Испытания полимерного композиционного материала на удар падающим грузом // Авиационные материалы и технологии. 2013. №3. С. 60-64.

3.6. Pavelko, I., Smolaninovs, M. Equivalent Hole as an Evaluation Criterion of a Composite Material Residual Strength after a Low-Speed Impact. Machines, Technologies, Materials: International Virtual Journal for Science, Technics and Innovations for the Industry, 2010, No.7, pp.12-16. ISSN 1313-0226.

3.7. C. S. Lopes, P. P. Camanho, C. Gonzalez1 Advanced Simulation of Low-Velocity Impact on Fibre Reinforced Laminates // 4th International Conference on Impact Loading of Lightweight Structures (ICCILS 2014) At: Cape Town, South Africa.

3.8. Xie Zonghong, Anthony J.Vizzini, Tang Qingru. On residual compressive strength prediction of composite sandwich panels after low-velocity impact damage // Acta Mechanica Solida Sinica, Vol. 19, No. 1, March, 2006. pp 9-17. Published by AMSS Press, Wuhan, China.

3.9. E.V.Gonzalez, P.Maimi, P.P.Camanho, A.Turon, J.A.Mayugo. Simulation of drop-weight impact and compression after impact tests on composite laminates // Composite Structures, Vol. 94, Issue 11, November, 2012. pp 3364-3378.

3.10. Саченков А.В. Теоретико-экспериментальный метод для исследования устойчивости пластин и оболочек // В сб. Исследования по теории пластин и оболочек. Вып. 6-7, Издательство КГУ, -1970. -391-433 с.

3.11. Коноплев Ю.Г., Тильш А.П. Устойчивость цилиндрических оболочек с вырезами при кручении и внешнем давлении // Сборник аспирантских работ. Теория пластин и оболочек. Вып. 2, Изд. КГУ, 1972, с. 159-165.

3.12. В.И. Митряйкин, В.Н. Догадкин, О.Н. Беззаметнов, Р.Ч. Иксанов Испытание элементов конструкций с повреждениями // Монография. Итоги науки. Выпуск 46. - М.: РАН, - 2020, - С. 3-27. Миасс.

3.13. Прочность, устойчивость, колебания. Справочник в 3 томах: Т. 3 / под. Ред. И. А. Биргера и Я. Г. Пановко. - М.: Машиностроение, 1968. - 567 с.

3.14. U.A. Khashaba, A.I. Khdair, Open hole compressive elastic and strength analysis of CFRE composites for aerospace applications, Aerospace Science and Technology. 60 (2017) 96-107.

3.15. Tan SC. Finite-Width, Correction factors for anisotropic plate containing a center opening, J. Compos. Mater. 22 (1988) 1080-1097.

3.16. C. Rubio-González, F. Velasco, J. Martínez, Analysis of notched woven composites and fiber metal laminates with previous fatigue damage, J. Compos. Mater. 50 (2016) pp 885-897.

3.17. H.J. Konish, J.M. Whitney, Approximate stresses in an orthotropic plate containing a circular hole, J. Compos. Mater. 9 (1975) 157-166.

3.18. V.I. Mitryaikin, O.N. Bezzametnov, E.V. Krotova The Study of Strength of Composites under Impact // Russian Aeronautics, vol. 63, No.3. (2020) pp. 397-404.

3.19. О.Н. Беззаметнов, В.И. Митряйкин. Экспериментальная оценка несущей способности элементов композиционных конструкций с ударными повреждениями // Материалы XXI международной конференции по вычислительной механике и современным прикладным программным системам (ВМСППС2019). - 2019. - С. 229-231.

3.20. Митряйкин В.И., Беззаметнов О.Н. Влияние ударных повреждений на прочность различных композиционных материалов // Сборник трудов 9-й Всероссийской научной конференции «Механика композиционных материалов и конструкций, сложных и гетерогенных сред - 2019». - М.: ИПРИМ РАН, - 2019. -С.183-184.

3.21. В.И. Митряйкин, О.Н. Беззаметнов, Е.В. Кротова Исследование прочности композиционных материалов с ударными повреждениями // Изв. Вузов. Авиационная техника, - 2020. Т. 63, №3, - С. 27-33.

3.22. Митряйкин В.И., Беззаметнов О.Н. Исследование прочности элементов композиционных конструкций с ударными повреждениями // Материалы XIII Международной конференции по Прикладной математике и механике в аэрокосмической отрасли (AMMAI'2020). - М.: Изд-во МАИ, 2020. - 784 с.: ил. С.429-431.

3.23. Митряйкин В.И., Беззаметнов О.Н., Султанов Л.У. Расчетно-экспериментальная оценка прочности композиционных конструкций с ударными повреждениями // Сборник материалов Международного симпозиума «Динамические и технологические проблемы механики конструкций и сплошных сред». - 2020. - С.190-195.

3.24. Митряйкин В.И., Беззаметнов О.Н. Устойчивость многослойных пластин с ударными повреждениями // Материалы Всероссийской научной конференции с международным участием «Актуальные проблемы механики сплошной среды - 2020». - 2020. - С. 262-266.

Приложение 1

УТВЕРЖДАЮ

Шодчьвих ОКБ

АКТ

о внедрении результатов диссертационной работы Беэзаыетнова Ü.H, «Расчетио-экспермментальная оценка ударостойкости ком пшннно: пнях материалов» на предприятии АО «НЦВ Мплт> л Камов»

Комиссия в составе:

Калинин Д.В, - начальник конструкторского бюро КБ-1 - председатель комиссии;

Нестеров А,И. - технический руководитель КК-|П член комиссии;

Семенцова А.П. - главный специалист КБ-1, член комиссии,

составила настоящий акт о том, что в диссертационной работе Безэаметкош О.Н. была предложена методика оценки характера снижения несущей способ] ¡ости композиционных материалов с ударными повреждениями. Важным критерием при расчете изделия с повреждением являете* точность определения геометрических характеристик дефекта для построения эквивалентного отверстия. В работе предложены методы оценки геометрии повреждения, основанные на визуальной сценке и применении современных систем ультразвукового неразрушающйго контроля и компьютерной томографии, Проведен анализ прочности образцов имеющих различную природу и таи переплетения армирующего материала после удара, Исследовано напряженно-двформнроваиное состояние пластин с эквивалентными отверстиями методом конечных элементов.

Эти результаты былн опробованы на предприятии в рамках договора научно-исследовательской работы с КНИТУ-КЛИ № МИ 19-Ш0-04 от 10 октября 2019 г, «Разработка тсхбалогического процесса и изготовление вала трансмиссии метолом инжекцнонного формования (RTM) с использовдЕнем роботизированных методов армирования?» при проектировании и совершенствовании конструкции вала трансмиссии вертолета.

Члены комиссии

Председатель комиссии

Приложение 2

УТВЕРЖДАЮ

/■ ■ .ЫрЬрШйр ..- (к* научной н И (1Щ1ЛЗ Е К I ню I: дел тельностн КНИТУ-КЛИ

й* • V \ "<

' 1Г.А, Михайлов 2021 г.

АКТ

о внедрении результатов диссертационной работы Бй^эйметнова 0,Н ((Расчетно-экспфимевталыия одейКа ударОсгой'ко с та композиционных материалов» в вдучно-иеспедовагеш^ский ггроцссс федерального государственного бюджетного образовательного учреждения пыешего образования «Казанский национальный исследовательский технячсский университет им, А, Н.Туполева-КАИ» (КНИТУ-КАИ)

Комиееия а Составе:

Яйбаев Ф.М, - начальник УНИР+ к.тн, - председатель комиссии:

Магеумоиа А.Ф, - завкафедрой МнИГ, к.т.н., дацевт - член комиссии;

Сайманоа Р.Г. - доцент кафелры МяИГ, кл'.н.* донент- член комиссии,

состайша настоящий акт о том, что за периоде 2019 г, по настоящее время и Иаучно-поллдцовагельскнн процесс КПИТУ-КА1-Т внедрены следующие разработки ц китары* ишйльзувдеж результаты двссертационной работы аспиранта Беззаметнова 0.5-1.:

- расчетно-экспериментальная методика оцет™ характера снижения несущей способности К0ЛС1ОЗЩШО1ШЬ£Ч конструкций е ударными повреждениями (ниЦОЛисНИЙ научных исследований в рамках грарп'а РФФИ № 19-0К-00577 «Оцепка влияния удар&ьк повреждений на прочностные и усталостные характеристики мвогоезойных (ГО МПОЗИ1ШОННЫХ ко негру пшй »):

- результаты исслйдоиания характера повреждение композиционных мачсри;1лил при Вкйесении низкоскоростпого удара, основанные [¡а комонннропанпой оценке размеров вмятин н контроля полного обьена повреждения с применением современных систем ультразвукового вер$аруп>ающего контроля И компьютерной томография;

- исследование к аггряженн о -де форм яро рйуцг^го состояния пластин полимерных коми отпиши пах материалов с эквивалентными ^тдаЬ р сгнядое методом конечных элементов.

Председатель комиссии Члены комиссии Члены комиссии

Янбаев Ф.М.

Мш сунова А.Ф.

Саймаиов Р. Г.