Визначення механічних характеристик композиційних матеріалів на основі плетених преформ

Автор(и)

  • Андрій Валерійович Кондратьєв Харківський національний університет міського господарства імені О. М. Бекетова, Україна https://orcid.org/0000-0002-8101-1961
  • Олексій Вікторович Андрєєв Державне підприємство «Антонов», Україна https://orcid.org/0000-0003-2767-4884
  • Марина Анатоліївна Шевцова Національний аерокосмічний університет ім. М. Є. Жуковського «ХАІ», Україна https://orcid.org/0000-0003-3176-5017

DOI:

https://doi.org/10.15587/1729-4061.2021.225112

Ключові слова:

рукав, премікс, кут армування, стрижнева модель, волокна, зв’язуюче, випробування, розтягування, вигин, стискання

Анотація

Зниження трудомісткості виробництва виробів з композиційних матеріалів в значній мірі забезпечується застосуванням армуючих напівфабрикатів, в яких волокна попередньо утворюють деякий каркас. Серед усього різноманіття армуючих систем особливе місце займають плетені рукава (преформи). Високий ступінь деформованості в непросоченому стані дозволяє укладати цю арматуру на будь-яку поверхню без складок і розрізів, що забезпечує збереження цілісності джгутів. Ця перевага плетених рукавів супроводжується зміною місцевих кутів армування і, як наслідок, змінним характером фізико-механічних характеристик по криволінійній поверхні деталі. Розроблено методику розрахунків фізико-механічних характеристик композита на основі преформ у будь-якій точці деталі залежно від схеми укладання джгутів на криволінійну поверхню. Проаналізована можливість застосування стрижневої моделі композита для опису фізико-механічних характеристик композиційного матеріалу із плетеною арматурою. Суть моделі полягає в тому, що композит моделюється ромбовидною стрижневою системою. Сторони ромба заміняють собою волокна, а діагоналі – зв’язуюче. Для верифікації теоретичних результатів і обґрунтування практичних рекомендацій виконано ряд експериментальних досліджень на основі формування зразків матеріалу із двох типів плетених рукавів з різними кутами армування. Програма експериментальних досліджень передбачала випробування на розтягування, вигин та стискання. Отримана досить гарна збіжність теоретичних і експериментальних даних. Так, для модуля пружності квадрат коефіцієнта кореляції  не є меншим 0.95; для коефіцієнта Пуассона не є меншим 0.8; для границь міцності при розтягуванні і стисканні –  не є меншим 0.9. Це є обґрунтуванням використання стрижневої моделі для опису розглянутого класу композитів. Використання розробленої методики дозволить підвищити досконалість розглянутого класу конструкцій та отримати раціональні параметри технологічного процесу їх виробництва

Біографії авторів

Андрій Валерійович Кондратьєв, Харківський національний університет міського господарства імені О. М. Бекетова

Доктор технічних наук, професор, завідувач кафедри

Кафедра технології будівельного виробництва і будівельних матеріалів

Олексій Вікторович Андрєєв, Державне підприємство «Антонов»

Кандидат технічних наук, заступник головного інженера з композиційного виробництва

Марина Анатоліївна Шевцова, Національний аерокосмічний університет ім. М. Є. Жуковського «ХАІ»

Кандидат технічних наук, доцент, завідувач кафедри

Кафедра композиційних конструкцій і авіаційного матеріалознавства

Посилання

  1. Fomin, O., Logvinenko, O., Burlutsky, O., Rybin, A. (2018). Scientific Substantiation of Thermal Leveling for Deformations in the Car Structure. International Journal of Engineering & Technology, 7 (4.3), 125. doi: https://doi.org/10.14419/ijet.v7i4.3.19721
  2. Bychkov, A. S., Kondratiev, A. V. (2019). Criterion-Based Assessment of Performance Improvement for Aircraft Structural Parts with Thermal Spray Coatings. Journal of Superhard Materials, 41 (1), 53–59. doi: https://doi.org/10.3103/s1063457619010088
  3. Mustafa, L. M., Ismailov, M. B., Sanin, A. F. (2020). Study on the effect of plasticizers and thermoplastics on the strength and toughness of epoxy resins. Naukovyi Visnyk Natsionalnoho Hirnychoho Universytetu, 4, 63–68. doi: https://doi.org/10.33271/nvngu/2020-4/063
  4. Kondratiev, A., Slivinsky, M. (2018). Method for determining the thickness of a binder layer at its non-uniform mass transfer inside the channel of a honeycomb filler made from polymeric paper. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 6 (5 (96)), 42–48. doi: https://doi.org/10.15587/1729-4061.2018.150387
  5. Rodichev, Y. M., Smetankina, N. V., Shupikov, O. M., Ugrimov, S. V. (2018). Stress-Strain Assessment for Laminated Aircraft Cockpit Windows at Static and Dynamic Loads. Strength of Materials, 50 (6), 868–873. doi: https://doi.org/10.1007/s11223-019-00033-4
  6. Kondratiev, A., Gaidachuk, V., Nabokina, T., Tsaritsynskyi, A. (2020). New Possibilities of Creating the Efficient Dimensionally Stable Composite Honeycomb Structures for Space Applications. Advances in Intelligent Systems and Computing, 45–59. doi: https://doi.org/10.1007/978-3-030-37618-5_5
  7. Leong, K. H., Ramakrishna, S., Huang, Z. M., Bibo, G. A. (2000). The potential of knitting for engineering composites – a review. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 31 (3), 197–220. doi: https://doi.org/10.1016/s1359-835x(99)00067-6
  8. Donetskiy, K. I., Kogan, D. I., Khrulkov, A. V. (2014). Properties of the polymeric composite materials made on the basis of braided preforms. Proceedings of VIAM, 3. doi: https://doi.org/10.18577/2307-6046-2014-0-3-5-5
  9. Okano, M., Sugimoto, K., Saito, H., Nakai, A., Hamada, H. (2005). Effect of the braiding angle on the energy absorption properties of a hybrid braided FRP tube. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part L: Journal of Materials: Design and Applications, 219 (1), 59–66. doi: https://doi.org/10.1243/146442005x10256
  10. Erber, A., Drechsler, K. (2009). Torsional performance and damage tolerance of braiding configurations. JEC Composites Magazine, 46, 42–45.
  11. Arold, B., Gessler, A., Metzner, C., Birkefeld, K. (2015). Braiding processes for composites manufacture. Advances in Composites Manufacturing and Process Design, 3–26. doi: https://doi.org/10.1016/b978-1-78242-307-2.00001-4
  12. Birkefeld, K., Pickett, A., Middendorf, P. (2018). 8.5 Virtual Design and Optimisation of Braided Structures Considering Production Aspects of the Preform. Comprehensive Composite Materials II, 85–97. doi: https://doi.org/10.1016/b978-0-12-803581-8.10054-2
  13. Li, X., Binienda, W. K., Littell, J. D. (2009). Methodology for Impact Modeling of Triaxial Braided Composites Using Shell Elements. Journal of Aerospace Engineering, 22 (3), 310–317. doi: https://doi.org/10.1061/(asce)0893-1321(2009)22:3(310)
  14. Lomov, S. V., Parnas, R. S., Bandyopadhyay Ghosh, S., Verpoest, I., Nakai, A. (2002). Experimental and Theoretical Characterization of the Geometry of Two-Dimensional Braided Fabrics. Textile Research Journal, 72 (8), 706–712. doi: https://doi.org/10.1177/004051750207200810
  15. Lomov, S. V., Mikolanda, T., Kosek, M., Verpoest, I. (2007). Model of internal geometry of textile fabrics: Data structure and virtual reality implementation. Journal of the Textile Institute, 98 (1), 1–13. doi: https://doi.org/10.1533/joti.2006.0251
  16. Verleye, B., Croce, R., Griebel, M., Klitz, M., Lomov, S. V., Morren, G. et. al. (2008). Permeability of textile reinforcements: Simulation, influence of shear and validation. Composites Science and Technology, 68 (13), 2804–2810. doi: https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2008.06.010
  17. Zílio, L., Dias, M., Santos, T., Santos, C., Fonseca, R., Amaral, A., Aquino, M. (2020). Characterization and statistical analysis of the mechanical behavior of knitted structures used to reinforce composites: Yarn compositions and float stitches. Journal of Materials Research and Technology, 9 (4), 8323–8336. doi: https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2020.05.089
  18. Samipour, S. A., Khaliulin, V. I., Batrakov, V. V. (2017). A method for calculating the parameters for manufacturing preforms via radial braiding. Journal of Machinery Manufacture and Reliability, 46 (3), 302–308. doi: https://doi.org/10.3103/s1052618817030128
  19. Samipur, S. A., Danilov, Y. S. (2016). Development and verification of an analytic technique to determine the stiffness parameters of braided tubular parts. Russian Aeronautics, 59 (4), 460–465. doi: https://doi.org/10.3103/s1068799816040048
  20. Chen, C. M., Kam, T. Y. (2007). Elastic constants identification of symmetric angle-ply laminates via a two-level optimization approach. Composites Science and Technology, 67 (3-4), 698–706. doi: https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2006.04.016
  21. Kondratiev, A., Gaidachuk, V., Nabokina, T., Kovalenko, V. (2019). Determination of the influence of deflections in the thickness of a composite material on its physical and mechanical properties with a local damage to its wholeness. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 4 (1 (100)), 6–13. doi: https://doi.org/10.15587/1729-4061.2019.174025
  22. Andreev, A. V., Karpov, Ya. S. (2010). Modelirovanie uprugih i prochnostnyh svoystv kompozitov, armirovannyh pletenymi rukavami. Voprosy proektirovaniya i proizvodstva konstruktsiy letatel'nyh apparatov, 4 (64), 7–10.
  23. Kondratiev, A., Andrieiev, O. (2020). Forecasting characteristics of composite strength on the basis of preforms in elements of building structures. Municipal economy of cities, 6 (159), 2–9. doi: https://doi.org/10.33042/2522-1809-2020-6-159-2-9
  24. Chaouachi, F., Rahali, Y., Ganghoffer, J. F. (2014). A micromechanical model of woven structures accounting for yarn–yarn contact based on Hertz theory and energy minimization. Composites Part B: Engineering, 66, 368–380. doi: https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2014.05.027
  25. Karpov, Y. S., Lepikhin, P. P., Taranenko, I. M. (2001). Mechanics of composite materials. Kharkiv: National Aerospace University “Kharkiv Aviation Institute” Publ., 104.
  26. Wang, H., Wang, Z. (2015). Quantification of effects of stochastic feature parameters of yarn on elastic properties of plain-weave composite. Part 1: Theoretical modeling. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 78, 84–94. doi: https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2015.07.022
  27. Wu, L., Zhang, F., Sun, B., Gu, B. (2014). Finite element analyses on three-point low-cyclic bending fatigue of 3-D braided composite materials at microstructure level. International Journal of Mechanical Sciences, 84, 41–53. doi: https://doi.org/10.1016/j.ijmecsci.2014.03.036
  28. Wu, Z., Au, C. K., Yuen, M. (2003). Mechanical properties of fabric materials for draping simulation. International Journal of Clothing Science and Technology, 15 (1), 56–68. doi: https://doi.org/10.1108/09556220310461169
  29. Kondratiev, A. (2019). Improving the mass efficiency of a composite launch vehicle head fairing with a sandwich structure. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 6 (7 (102)), 6–18. doi: https://doi.org/10.15587/1729-4061.2019.184551
  30. Ahmadi, M. S., Johari, M. S., Sadighi, M., Esfandeh, M. (2009). An experimental study on mechanical properties of GFRP braid-pultruded composite rods. Express Polymer Letters, 3 (9), 560–568. doi: https://doi.org/10.3144/expresspolymlett.2009.70
  31. Pellegrino, S. (2012). Satellite Hardware: Stow-and-Go for Space Travel. Advanced Materials and Processes, 170, 39–41.
  32. Arnold, W., William, A., Wieslaw, B., Robert, G., Lee, K., Justin, L., Gary, R. (2009). Characterization of Triaxial Braided Composite Material Properties for Impact Simulation. 65-th American Helicopter Society International Annual Forum, 2, 912–933.
  33. Balea, L., Dusserre, G., Bernhart, G. (2014). Mechanical behaviour of plain-knit reinforced injected composites: Effect of inlay yarns and fibre type. Composites Part B: Engineering, 56, 20–29. doi: https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2013.07.028
  34. Bergmann, T., Heimbs, S., Maier, M. (2015). Mechanical properties and energy absorption capability of woven fabric composites under ±45° off-axis tension. Composite Structures, 125, 362–373. doi: https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2015.01.040
  35. Boufaida, Z., Farge, L., André, S., Meshaka, Y. (2015). Influence of the fiber/matrix strength on the mechanical properties of a glass fiber/thermoplastic-matrix plain weave fabric composite. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 75, 28–38. doi: https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2015.04.012
  36. Ayranci, C., Carey, J. P. (2011). Experimental validation of a regression-based predictive model for elastic constants of open mesh tubular diamond-braid composites. Polymer Composites, 32 (2), 243–251. doi: https://doi.org/10.1002/pc.21042

##submission.downloads##

Опубліковано

2021-02-22

Як цитувати

Кондратьєв, А. В., Андрєєв, О. В., & Шевцова, М. А. (2021). Визначення механічних характеристик композиційних матеріалів на основі плетених преформ. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 1(7 (109), 41–50. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2021.225112

Номер

Том 1 № 7 (109) (2021): Прикладна механіка

Розділ

Прикладна механіка

Ліцензія

Авторське право (c) 2021 Марина Анатольевна Шевцова, Андрей Валерьевич Кондратьев, Алексей Викторович Андреев

Creative Commons License

Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Закріплення та умови передачі авторських прав (ідентифікація авторства) здійснюється у Ліцензійному договорі. Зокрема, автори залишають за собою право на авторство свого рукопису та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons CC BY. При цьому вони мають право укладати самостійно додаткові угоди, що стосуються неексклюзивного поширення роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом, але за умови збереження посилання на першу публікацію статті в цьому журналі.

Ліцензійний договір – це документ, в якому автор гарантує, що володіє усіма авторськими правами на твір (рукопис, статтю, тощо).
Автори, підписуючи Ліцензійний договір з ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР», мають усі права на подальше використання свого твору за умови посилання на наше видання, в якому твір опублікований. Відповідно до умов Ліцензійного договору, Видавець ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР» не забирає ваші авторські права та отримує від авторів дозвіл на використання та розповсюдження публікації через світові наукові ресурси (власні електронні ресурси, наукометричні бази даних, репозитарії, бібліотеки тощо).
За відсутності підписаного Ліцензійного договору або за відсутністю вказаних в цьому договорі ідентифікаторів, що дають змогу ідентифікувати особу автора, редакція не має права працювати з рукописом.
Важливо пам’ятати, що існує і інший тип угоди між авторами та видавцями – коли авторські права передаються від авторів до видавця. В такому разі автори втрачають права власності на свій твір та не можуть його використовувати в будь-який спосіб.