The Features of Interlayer Fracture of Composite Materials with a Variable Layup Angle under Impact Loading

L. A. Bokhoeva; A. B. Baldanov; V. E. Rogov

doi:10.17804/2410-9908.2022.2.050-060

L. A. Bokhoeva, A. B. Baldanov, V. E. Rogov

THE FEATURES OF INTERLAYER FRACTURE OF COMPOSITE MATERIALS WITH A VARIABLE LAYUP ANGLE UNDER IMPACT LOADING

DOI: 10.17804/2410-9908.2022.2.050-060

Interlayer defects in structural components made of composite materials are caused by the imperfection of the manufacturing process, complex interactions of the constituents, and the effect of impact loads. The presence of these defects decreases the strength of such components and severely affects residual strength. The paper presents a numerical and experimental study of the behavior of a composite material plate with a variable layup angle under impact loading. Impactor velocities before and after multilayer plate perforation, as well as the dimensions of delamination-type defects, are determined experimentally. The Ansys LS-DYNA software in double precision mode is used to simulate the failure of composite plates under impact loading. It has been found that a significant contribution to the decrease in the impact energy is made by the delamination dimensions depending on the layup angle in the stack. The delamination area is related to the residual velocity of the impactor; namely, the larger the delamination area, the greater the decrease in the impactor velocity.

Acknowledgements: The work was subsidized by the grant Young Scientists of the ESSUTM 2023 and grant No. 412 21.12.2023 of the Buryat Republic. It was performed under the state assignment for the Baikal Institute of Nature Management SB RAS, No. 0273-2021-0007.

Keywords: composite materials, impact loading, numerical simulation, experiment, layup angle, delamination, multilayer specimens, plate, impactor

Bibliography:

Dubinskiy, S.V., Feygenbaum, Yu.M., Selikhov, A.A., Gvozdev, S.A., and Ordyntsev, V.M. Study of accidental in-service impacts into wing of commercial aircraft. Izvestiya Samarskogo Nauchnogo Tsentra RAN, 2016, 18 (4–3), 604–611. (In Russian).
Feygenbaum, Y.M. and Dubinskiy, S.V. Influence of accidental in-service damages on structural durability and aircraft operation life. Nauchnyi Vestnik MGTUGA, 2013, 187, 83–91. (In Russian).
Ushakov, A., Stewart, A., Mishulin, I., and Pankov, A. Probabilistic design of damage tolerant composite aircraft structures. Report DOT/FAA/ AR-01/55, U.S. Dept. of Transportation, Federal Aviation Administration, Washington DC, 2002.
Fawcett, A.J. and Oaks, G.D. Boeing composite airframe damage tolerance and service experience, workshop for composite damage tolerance and maintenance. Presentation #2 of Session 1, National Institute for Aviation Research, Chicago, IL, 2006.
Andreev, A.S., Bychkov, A.S., and Kondratyev, A.V. Operational load-carrying capacity of domestic and foreign transport category aircraft structures made of polymeric composite materials. Part 2. Analysis of types, nature and frequency of operational damage. Vestnik ONMU, 2016, 2 (48), 180–194. (In Russian).
Sapozhnikov, S.B. and Zhikharev, M.V. Types of damage of woven GFRP and repair of low velocity impact delaminations. Composites and Nanostructures, 2014, 6 (3), 68–75. (In Russian).
Abrate, S. Impact on laminated composite materials. Applied Mechanics Reviews, 1991, 44 (4), 155–190. DOI: 10.1115/1.3119500.
Olsson, R. Mass criterion for wave controlled impact response of composite plates. Composites. Part A: Applied Science and Manufacturing, 2000, 31 (8), 879–887. DOI:10.1016/S1359-835X(00)00020-8.
Cantwell, W.J. and Morton, J. The impact resistance of composite materials – a review. Composites, 1991, 22 (5). DOI: 10.1016/0010-4361(91)90549-V.
Medvedskiy, A.L., Martirosov, M.I., and Khomchenko, A.V. Numerical analysis of layered composite panel behavior with interlaminar defects subject to dynamic loads. Structural Mechanics of Engineering Constructions and Buildings, 2019, 15 (2), 127–134. DOI: 10.22363/1815-5235-2019-15-2-127-134. (In Russian).
Interlaminar Responsse of Composite Materials, ed. by N.J. Pagano, Elsevier Science Publishers Ltd, North Holland, 1989, 268 p.
Postnov, V.I., Postnova, M.V., Barannikov, A.A., and Veshkin, E.A. Temporary laminated stoppers: materials, properties, application. Trudy VIAM, 2020, 4–5, 32–41. DOI:10.18577/2307-6046-2020-0-45-32-41. (In Russian).
Bohoeva, L.A., Baldanov, A.B., and Chermoshentseva, A.S. Optimal structure of multi-layer wing console of unmanned aerial vehidle with experimental validation. Vestnik Moskovskogo Aviatsionnogo Instituta, 2020, 27 (1), 65–75. DOI: 10.34759/vst-2020-1-65-75. (In Russian).
Bokhoeva, L.A., Rogov, V.E., Baldanov, A.B., and Ivanov, Yu.N. Simulation of an optimal multilayer plate from composite materials for speed reduction after impact. Mashinostroenie i Inzhenernoe Obrazovanie, 2022, 3–4 (70), 3–11. (In Russian).
Heimbs, S., Heller, S., and Middendorf, P. Simulation of low velocity impact on composite plates with compressive preload. In: Proceeding of the 7th LS-DYNA Anwenderforum, Bamberg, Germany, 2008.
Hou, J.P., Petrinic, N., Ruiz, C., and Hallett, S.R. Prediction of impact damage in composite plates. Composites Science and Technology, 2000, 60 (2), 273–281. DOI: 10.1016/S0266-3538(99)00126-8.

Л. А. Бохоева, А. Б. Балданов, В. Е. Рогов,

ОСОБЕННОСТИ МЕЖСЛОЙНОГО РАЗРУШЕНИЯ ПРИ УДАРНОМ НАГРУЖЕНИИ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ С ПЕРЕМЕННЫМ УГЛОМ УКЛАДКИ СЛОЕВ

Наличие в элементах конструкций из композиционных материалов межслойных дефектов, связанных с несовершенством технологии их изготовления, сложными взаимодействиями компонентов, воздействием ударных нагрузок, приводит к снижению прочности таких элементов и оказывает серьезное влияние на остаточную прочность. В работе проведено численно-экспериментальное исследование поведения при ударном нагружении пластины из композиционного материала с переменным углом укладки слоев. Экспериментально определены скорости ударника до и после пробития многослойной пластины, а также размеры межслойных дефектов в виде расслоений. Для моделирования процесса разрушения пластин из композиционных материалов при ударном нагружении использовали программное обеспечение Ansys LS-DYNA в режиме двойной точности. Выявлено, что значительную роль в снижении энергии удара играют размеры расслоений в зависимости от угла укладки слоев в пакете. Получена зависимость между площадью расслоения и остаточной скоростью ударника: чем больше площадь дефекта типа «расслоение», тем больше снижение скорости ударника.

Благодарности: Работа выполнена в рамках гранта «Молодые ученые ВСГУТУ 2023», гранта в фор-ме субсидий РБ № 412 от 21.12.2023, государственного задания № 0273-2021-0007 Байкаль-скому институту природопользования СО РАН.

Ключевые слова: композиционные материалы, ударное нагружение, численное моделирование, эксперимент, угол укладки слоев, расслоение, многослойные образцы, пластина, ударник

Библиография:

Закономерности реализации случайных ударных воздействий на конструкцию крыла коммерческого самолёта / С. В. Дубинский, Ю. М. Фейгенбаум, А. А. Селихов, С. А. Гвоздев, В. М. Ордынцев // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. – 2016. – Т. 18, № 4–3. – С. 604–611.
Фейгенбаум Ю. М., Дубинский С. В. Влияние случайных эксплуатационных повреждений на прочность и ресурс конструкции воздушных судов // Научный вестник Московского государственного технического университета гражданской авиации. – 2013. – № 1 (187). – С. 83–91.
Ушаков А. Е. Методологические основы конструктивно-технологического обеспечения живучести авиаконструкций, выполненных из полимерных композитных материалов : дис. … докт. техн. наук : 05.07.04. – Москва, 1992. – 418 c.
Лебедев И. К. Эксплуатационная долговечность элементов авиаконструкций из композиционных материалов : дис…канд. техн. наук : 05.22.14. – Москва, МГТУГА, 2011. – 212 с.
Андреев А. В., Бычков А. С., Кондратьев А. В. Эксплуатационная несущая способность конструкций отечественных и зарубежных воздушных судов транспортной категории из полимерных композиционных материалов. Ч. 2. Анализ видов, характера и частоты эксплуатационных повреждений // Вісник Одеського національного морського університету. – 2016. – Вип. 2 (48). – C. 180–194.
Жихарев М. В. Оценка прочности высоконагруженных пластин из композитных материалов при локальном ударном воздействии : дис. ... канд. техн. наук : 01.02.04. – Челябинск, 2019. – 125 с.
Abrate S. Impact on laminated composite materials // Applied Mechanics Reviews. – 1991. – Vol. 44 (4). – DOI: 10.1115/1.3119500.
Olsson R. Mass criterion for wave controlled impact response of composite plates // Composites. Part A: Applied Science and Manufacturing. – 2000. – Vol. 31 (8). – P. 879–887. – DOI: 10.1016/S1359-835X(00)00020-8.
Cantwell W. J., Morton J. The impact resistance of composite materials – a review // Composites. – 1991. – Vol. 22 (5). – DOI:10.1016/0010-4361(91)90549-V.
Хомченко А. В. Численное моделирование поведения слоистых элементов конструкций из полимерных композиционных материалов при наличии внутренних дефектов под действием динамических нагрузок : дис. ... канд. техн. наук : 1.1.8. – Москва, 2024. – 142 с.
Межслойные эффекты в композитных материалах / пер. с англ.; под ред. Н. Пэйгано. – Москва : Мир, 1993. – 343 с.
Temporary laminated stoppers: materials, properties, application / V. I. Postnov, M. V. Postnova, A. A. Barannikov, E. A. Veshkin // Proceedings of VIAM. – 2020. – № 4–5 (88). – P. 32–41. – DOI: 10.18577/2307-6046-2020-0-45-32-41.
Бохоева Л. А., Балданов А. Б., Чермошенцева А. С. Разработка оптимальной конструкции многослойной консоли крыла беспилотного летательного аппарата с экспериментальным подтверждением // Вестник Московского авиационного института. – 2020. – Т. 27 (1). – С. 65–75. – DOI: 10.34759/vst-2020-1-65-75.
Моделирование оптимальной многослойной пластины из композиционных материалов для снижения скорости после удара / Л. А. Бохоева, В. Е. Рогов, А. Б. Балданов, Ю. Н. Иванов // Машиностроение и инженерное образование. – 2022. – № 3–4 (70). – С. 3–11.
Heimbs S., Heller S., Middendorf P. Simulation of low velocity impact on composite plates with compressive preload // Proceeding of the 7th LS-DYNA Anwenderforum. – Bamberg, Germany, 2008.
Prediction of impact damage in composite plates / J. P. Hou, N. Petrinic, C. Ruiz, S. R. Hallett // Composites Science and Technology. – 2000. – Vol. 60 (2). – P. 273–281. – DOI: 10.1016/S0266-3538(99)00126-8.

Библиографическая ссылка на статью

Bokhoeva L. A., Baldanov A. B., Rogov V. E. The Features of Interlayer Fracture of Composite Materials with a Variable Layup Angle under Impact Loading // Diagnostics, Resource and Mechanics of materials and structures. - 2024. - Iss. 2. - P. 50-60. -
DOI: 10.17804/2410-9908.2022.2.050-060. -
URL: http://dream-journal.org/issues/2024-2/2024-2_444.html
(accessed: 20.05.2024).