Новые методы количественного описания накопления повреждений в нерегулярных зонах конструкций из композиционных материалов.

Конкретная задача проекта состоит в уточненном описании процесса циклического деформирования нерегулярных зон конструкций из КМ на основе количественного анализа процесса накопления повреждений, исходные данные для которого будут получены с помощью прямых физических измерений текущих индикаторов повреждаемости. Масштаб и комплексность проблемы заключается в том, что исследование процессов накопления повреждений, деградации механических характеристик материала и последующего разрушения является важным этапом в обеспечении усталостной прочности и, в конечном счете, эксплуатационной надежности элементов конструкций из КМ. Для описания процесса накопления повреждений необходимо использовать индикатор повреждаемости, который служит переменной величиной в кинетическом уравнении, характеризующем скорость накопления повреждений. В качестве такого параметра понимается макроскопическая величина, численно выражающая изменение повреждаемости в исследуемой области материала конструкции. В настоящее время для предсказания процесса накопления повреждений в металлических материалах и определения на этой основе момента зарождения усталостной трещины, в большинстве случаев, используются деформационные, энергетические, феноменологические и микромеханические модели, которые включают различные переменные, ответственные за возникновение повреждений на различных этапах циклического нагружения. Ограниченность подобных подходов состоит в том, что количественное описание каждого дискретного шага в процессе накопления повреждений требует привлечения различных параметров, которые не могут быть получены путем прямых физических измерений. Одним из физически обоснованных способов идентификации параметра поврежденности может служить относительное изменение некоторой конкретной деформационной характеристики. Эффективность подобного подхода существенным образом зависит от корректности выбора индикатора повреждаемости и его способности правильно отражать процесс накопления повреждений. Найти репрезентативные параметры повреждаемости даже для металлических материалов весьма сложно и существенных успехов в этом направлении пока не наблюдается. В случае КМ трудности при попытках количественного анализа накопления повреждений значительно возрастают. Дело в том, что процесс накопления повреждений в КМ разделяется на три части, а именно, растрескивание матрицы, межслойное расслоение и возрастающее разрушение отдельных волокон. Достичь необходимой точности определения индикаторов параметров повреждаемости можно, например, с помощью разрушающих методов исследования. Для этого авторами данного проекта был разработан и верифицирован новый разрушающий метод количественного описания процесса накопления повреждений в нерегулярных зонах металлических образцов при малоцикловой усталости. Данный подход включает предварительное нагружение образцов до заданного количества циклов и последующее определение параметров механики разрушения, относящихся к искусственному надрезу, который наносится при постоянной внешней нагрузке. Измерение деформационного отклика на локальное удаление материала в форме узкого надреза проводится методом электронной спекл-интерферометрии. При этом надрезы, моделирующие трещину, служат для оценки уровня накопления усталостных повреждений таким же образом, как зондирующее отверстие используется для освобождения энергии остаточных напряжений в методе сверления отверстия. Эффективность предложенной методологии была продемонстрирована при исследовании малоцикловой усталости в окрестности свободного и упрочненного отверстий в плоских образцах. Ключевым моментом разработанного подхода является тот факт, что исходные экспериментальные данные, представляющие собой тангенциальные компоненты перемещений в окрестности вершины надреза, а также полученные на этой основе величины коэффициентов интенсивности напряжений (КИН) и T-напряжений используются в качестве текущих индикаторов повреждаемости. Численное интегрирование зависимостей, описывающих эволюцию по периоду долговечности, как несингулярных (раскрытие берегов надреза и T-напряжения), так и сингулярных (КИН) параметров механики разрушения обеспечивает получение явного вида функции накопления повреждений. Подход, основанный на использовании параметров механики разрушения, относящихся к искусственному надрезу, в качестве текущих индикаторов повреждаемости обладает способностью количественного анализа процесса накопления повреждений в металлических материалах. Разработка и применение подобной методологии для анализа степени поврежденности композиционных материалов и является главной темой предлагаемого проекта.