Fatigue calculation is of primary importance when designing parts and assemblies made of composite materials to operate under the variable load. The finite element modeling of the representative bulk in the stress-strain state conforming to the operation conditions is considered. The calculation methods of polymer composites high-cycle fatigue is based on it. The calculations are carried out in the paper. The unidirectional reinforced composite obtained through thermal curing of the glass-reinforced epoxide is studied. Mechanical properties of such materials (including fatigue life) to quite a great extent depend on the manufacturing technology. The calculation permitting to estimate changing strength properties for fatigue life under the breach of the technology requirements to the composite components percent is resulted.
composite, high-cycle fatigue
Введение
Прочностные и жёсткостные свойства несущих элементов из полимеркомпозитных материалов в процессе эксплуатации снижаются до опасных значений. Прогноз ресурса таких элементов имеет большое практическое значение. Однако в настоящее время данная проблема не решена. Изменение прочностных и жёсткостных характеристик полимеркомпозитных лонжеронов несущего винта вертолёта связано с несколькими факторами: циклические нагрузки, воздействие окружающей среды (например, эксплуатация в условиях высокой влажности [1]) и др.
В работах, посвящённых этой теме, описываются результаты построения кривых усталости на основе экспериментов [2, 3] и моделирования этих свойств — например, конечноэлементного [3, 4]. Современные конечноэлементные программные комплексы позволяют проводить расчёты на усталостную прочность конструкций. При этом усталостные свойства составляющих их материалов должны быть известны. Однако иногда соответствующая информация о компонентах композитов отсутствует, поэтому требуются либо дополнительные эксперименты, либо решение обратных задач для идентификации этих свойств на основе кривых усталости композита. Отдельной проблемой является моделирование интерфейсных слоёв между матрицей и армирующим волокном [5, 6], особенно при наличии повреждений.
В работе рассматривается композиционный материал, усиленный однонаправленными нитями. В ANSYS Workbench с помощью выделения представительного объёма материала рассчитывается усталостная прочность. Проведены две серии расчётов. Первая — для модельного материала, вторая — для полимеркомпозита, полученного термическим отверждением эпоксидного связующего, усиленного стекловолокном. Диапазон напряжений выбран с учётом характерных нагрузок на лонжерон лопасти несущего винта вертолёта. Получены зависимости числа циклов безотказной работы от интенсивности нагрузки.
1. Kim Hyo Jin. Effect of water absorption fatigue on mechanical properties of sisal textilereinforced composites / Kim Hyo Jin, Seo Do Won // International Journal of Fatigue. — 2006. — № 28. — P. 1307–1314.
2. Bathias, C. An engineering point of view about fatigue of polymer matrix composite materials / C. Bathias // International Journal of Fatigue. — 2006. — № 28. — P. 1094–1099.
3. Paepegem, W. van. Finite element approach for modelling fatigue damage in fibre-reinforced composite materials / W. van Paepegem, J. Degrieck, P. De Baets // Composites. — 2001. — Part B, no. 32. — Pp. 575–588.
4. Sekine, H. Numerical simulation study of fatigue crack growth behavior of cracked aluminum panels repaired with a FRP composite patch using combined BEM/FEM / H. Sekine, B. Yan, T. Yasuho // Engineering Fracture Mechanics. — 2005. — № 72. — P. 2549–2563.
5. Buryan, O.-K. Modeling of the interphase of polymer-matrix composites: determination of its structure and mechanical properties / O.-K. Buryan, V. U. Novikov // Mechanics of Composite Materials. — 2002. — Vol. 38, № 3. — P. 187–198.
6. Alvarez, V.-A. Dynamic mechanical properties and interphase fiber/matrix evaluation of unidirectional glass fiber/epoxy composites / V.-A. Alvarez, M.-E. Valdez, A. Vázquez // Polymer Testing. — 2003. — № 22. — P. 611–615.
7. Novatskiy, V. Teoriya uprugosti / V. Novatskiy. — Moskva : Mir, 1975. — S. 106–110.
8. Gran, S. A Course in Ocean Engineering [Elektronnyy resurs] / S. Gran. — Rezhim dostupa : http://www.dnv.no/ocean/course.htm (data obrashcheniya: 21.03.13).
9. Chigarev A. V., Kravchuk A. S., Smalyuk A. Ya. ANSYS dlya inzhenerov : spravoch. Posobie / A. V. Chigarev, A. S. Kravchuk, A. F. Smalyuk. — Moskva : Mashinostroenie-1, 2004. — 512 s.
