Визначення закономірностей впливу локальних пошкоджень та температури на дисипативні властивості вуглепластиків

Abstract

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктор філософії за спеціальністю 132 Матеріалознавство. – НТУ «ХПІ», Харків, 2023. Дисертаційна робота присвячена вирішенню науково-прикладної задачі адаптації методик визначення амплітудної залежності дисипативних властивостей матеріалів до багатошарових композитів та односпрямованих вуглепластиків, застосування цих методик для визначення дисипативних властивостей композитних матеріалів за умов низьких та підвищених температур та локального об'ємного пошкодження. Метою дисертаційної роботи є визначення закономірностей впливу локальних пошкоджень та температури на розсіювання енергії коливань композитних матеріалів та стрижневих елементів. Об'єктом дослідження є вимушені та вільні коливання зразків з композитного матеріалу з локальними пошкодженнями та за різних температур. Предмет дослідження – закономірності впливу локального пошкодження та температури на вібраційні характеристики пружніх тіл з композитного матеріалу при вимушених та вільних згинних коливаннях в області основного резонансу. У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, сформульовано мету та задачі дослідження, описано методи дослідження, надана інформація про наукову новизну та практичне значення одержаних результатів. У першому розділі проведено аналіз методів дослідження та моделювання пошкоджень композитних матеріалів та елементів конструкцій. Висвітлені основні підходи до моделювання композитних стержнів з пошкодженням, а також наведено вплив пошкоджень на модальні характеристики композитних стержнів. Аналіз літературних джерел показав недостатню 3 кількість публікацій щодо амплітудних залежностей дисипативних властивостей копозитів у різних температурних умовах та через локальні пошкодження. Розглянуто джерела щодо можливості використання акустичної емісії для кількісної оцінки пошкодженності композитів. У другому розділі проведено огляд відомих методик експериментального визначення дисипативних властивостей матеріалів та стрижневих елементів. Обґрунтовано вибір методики вільних затухаючих коливань. Характеристикою розсіювання енергії при випробуваннях зразків матеріалу за умови чистого згину обрано амплітудно-залежний логарифмічний декремент коливань. Наведено опис системи, призначеної для визначення дисипативних властивостей зразків матеріалу в умовах чистого згину при кімнатній, низькій та підвищеній температурі. Розроблено та описано систему автоматизованого проведення досліджень демпфірувальної здатності консольних зразків матеріалу. У третьому розділі проведено дослідження демпфірувальної здатності композитних матеріалів в екстремальних умовах експлуатації. Проведено дослідження впливу температури на характеристики розсіювання енергії в плетених багатошарових вуглепластиках марки Т300 та односпрямованих вуглепластиках. Встановлено, що для багатошарових плетених вуглепластиків декремент коливань під кутом 45° виявився в 4.5 рази вищим, ніж для кутів вирізу 0 та 90°. Дослідження проводились у діапазоні температур від –150°С до +250°С. Встановлено амплітудні залежності декременту коливань для діапазону деформації до 1100 мкм/м за умов чистого згину. Встановлено піки дисипативної здатності для багатошарових плетених вуглепластиків, спричинені фазовими перетвореннями в матриці композиту при температурах –50°С та +120°С. Пік дисипативної здатності при –50°С не супроводжувався падінням модуля пружності. Показана кореляція між зростанням дисипативної властивості та градієнтом зміни модуля пружності матеріалу. Для 4 односпрямованих вуглепластиків встановлено ріст амплітудної залежності декременту коливань зі зростанням температури. У четвертому розділі проведено дослідження впливу статичного продавлювання локальної ділянки на амплітудно-залежне розсіювання енергії в багатошарових композитах. Встановлено амплітудні залежності декременту коливань для непошкоджених зразків та за умови локального контрольованого статичного пошкодження при консольному згині у діапазоні деформації до 1100 мкм/метр. Кількісний контроль ступеня пошкодженості ділянки зразка здійснювався за допомогою рахунку акустичної емісії. Показано, що зі зростанням локальної пошкодженості підвищується дисипативна здатність зразків, особливо при малих амплітудах коливань, що свідчить про значний вплив сухого тертя через проковзування шарів вуглепластика. Показано, що залежність відносної зміни частоти вільних коливать внаслідок локального пошкодження значно менша ніж приріст логарифмічного декремента коливань. Побудовано графіки замплітудної залежності логарифмічного декременту коливань для консольних стержней з локальними пошкодженнями на відстані 0.1 та 0.3 довжини зразку від лінії закріплення для різних частот вільних коливань механічної системи. Показано, що внаслідок пошкодження у діапазоні частоти коливань 12…48 Гц для середньої ступені пошкодження переважає дисипація енергії коливань через сухе тертя ймовірно викликане розшаруванням. Експериментально встановлено, що зміна дисипативних характеристик консольних стержнів внаслідок пошкодження значно залежить від відстані пошкодження до лінії закріплення. У п'ятому розділі проведено дослідження впливу низькоенергетичного удару по локальній ділянці на амплітудно-залежне розсіювання енергії в багатошарових композитах. Встановлено амплітудні залежності логарифмічного декременту коливань для непошкоджених зразків та за умови локального ударного пошкодження пуансонами різної форми при деформації чистого згину в діапазоні деформації до 1100 мкм/м. Ступінь пошкодженості 5 задавався кінетичною енергією масивного тіла. Встановлено вплив форми пуансона на ріст дисипативних хактеристик внаслідок пошкодження. При пошкодженні пунсоном з гострим кінцем спостерігається монотонний ріст дисипативних властивостей зі збільшенням поглинутої енергії. У випадку пунсону з тупим кінцем при малій енергії удару спостерігається незначний ріст дисипативних властивостей. При великій енергії удару, що перевищує певний поріг із незначним статистичним розкидом, дисипатина властивість зразка різко зростає, що свідчить про множинні розшарування в об'ємі пошкодженого матеріалу. Розроблено дискретну модель для випадку амплітудної залежності логаріфмічного декремену коливань з локальним піком, показано сумісна дія сухого та в’язкого тертя. Показано, що допомогою комбінації вязкого та сухого тертя можна відтворити немонотонні амплітудні залежності логарифмічного декременту коливань. Визначено діапазон температури –30…+70°С та амплітуди коливань для яких зміна логарифмічного декременту коливань внаслідок пошкодження може бути виявлена на фоні його температурних змін. Експериментально доведено, що при локальному пошкодженні як низькошвидкісним ударом, так і статичним продавлюванням зі збільшенням пошкодженості ділянки зростає рівень розсіювання енергії коливань особливо за малих амплутуд.The thesis is submitted to obtain a scientific degree of Doctor of Philosophy, specialty 132– Materials Science (13– Мechanical engineering). – National Technical University “Kharkiv Polytechnic Institute”, Kharkiv, 2022. The dissertation work is dedicated to addressing the scientific and applied problem of adapting methods for determining the amplitude-dependent dissipative properties of materials to multilayer composites and unidirectional carbon composites. The aim is to apply these methods to determine the dissipative properties of composite materials under low and elevated temperatures, as well as under conditions of localized volumetric damage. The object of research is forced and free vibrations of samples made of composite material with local damage at different temperatures. The subject of the study is patterns of influence of local damage and temperature on the vibration characteristics of elastic bodies made of composite material during forced and free bending vibrations in the vicinity of the main resonance. The first chapter analyzes methods for investigating and modeling damage to composite materials and structural elements. The main approaches to modeling composite rods with damage are highlighted, as well as the impact of damage on the modal characteristics of composite rods is outlined. The second chapter provides an overview of known experimental techniques fordetermining the dissipative properties of materials and rod elements. A description of the system designed to determine the dissipative properties of material samples under conditions of pure bending at room temperature, low and high temperatures is given. The system for automated research of damping capacity of cantilever material samples is considered. 3 The third chapter conducts research on the damping capacity of composite materials under extreme operating conditions. The study of the effect of temperature on the nature of energy dissipation in twill carbon plastics of grade T300 and unidirectional carbon plastics is carried out. The studies were carried out in the range from -150 to +250 degrees Celsius. Amplitude dependencies of the damping decrement of vibrations were established for the strain range up to 1100 microns per meter under conditions of pure bending. The fourth chapter studies the effect of static indentation of a local area on the amplitude-dependent energy dissipation in multilayer composites. Amplitude dependencies of the damping decrement of vibrations are established for undamaged samples and with local controlled damage by deformation during cantilever bending in the strain range up to 1100 microns per meter. Quantitative control of the degree of damage was carried out using the integral acoustic emission count. In the fifth chapter, the research focuses on the influence of low-energy impact on the localized area on the amplitude-dependent energy dissipation in multilayer composites. Amplitude dependencies of the logarithmic decrement of vibrations have been established for undamaged specimens and under conditions of localized impact damage using differently shaped punches during pure bending deformation within the deformation range up to 1100 microns per meter. The degree of damage was determined by the kinetic energy of the impacting body. The effect of punch shape on the growth of dissipative characteristics due to damage has been determined. When a punch with a sharp tip is used for damage, a monotonic increase in dissipative properties is observed with an increase in absorbed energy. In the case of a punch with a blunt tip and low impact energy, a slight increase in dissipative properties is observed. However, for high impact energy exceeding a certain threshold with significant statistical scatter, the dissipative properties of the specimen sharply increase, corresponding to mass delamination within the volume beneath the punch area. 4 A discrete model has been developed for the case of an amplitude-dependent logarithmic decrement of vibrations with a localized peak, demonstrating the combined effect of dry and viscous friction. It has been shown that by combining viscous and dry friction, non-monotonic amplitude dependencies of the logarithmic decrement of vibrations can be reproduced. The temperature range of -30°C to +70°C and the range of vibration amplitudes have been determined, within which the change in the logarithmic decrement of vibrations due to damage is significant against the background of natural temperature variations. Experimental evidence has shown that both low-velocity impact and static indentation increase the damping level of vibrations in the damaged area, especially for small amplitudes.