ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ ГРАДА НА КОМПОЗИТНЫЕ КОНСТРУКЦИИ В АВИАСТРОЕНИИ

АННОТАЦИЯ

Цель данного исследования - изучить влияние града на композитные конструкции, используемые в авиационной промышленности. В работе проведен обзор литературы по теме, а также описаны методы, использованные в исследовании. Испытания были проведены на композитных образцах различных форм и размеров, подвергнутых воздействию града. В результате было установлено, что град может приводить к значительным повреждениям композитных конструкций, включая деформацию и разрушение. Однако, поведение композитных материалов в зависимости от их свойств и состава может различаться, что может быть учтено при разработке и проектировании авиационных конструкций. Полученные результаты могут быть полезны для разработчиков и производителей авиационных конструкций, чтобы улучшить их стойкость к воздействию града.

ABSTRACT

The aim of this study is to study the effect of hail on composite structures used in the aviation industry. The paper provides a review of the literature on the topic, as well as describes the methods used in the study. The tests were carried out on composite samples of various shapes and sizes exposed to hail. As a result, it was found that hail can lead to significant damage to composite structures, including deformation and destruction. However, the behavior of composite materials may vary depending on their properties and composition, which can be taken into account when developing and designing aircraft structures. The results obtained can be useful for developers and manufacturers of aircraft structures to improve their resistance to hail.

Ключевые слова: град, композитные конструкции, авиационная промышленность, повреждения, деформация, разрушение.

Keywords: hail, composite structures, aviation industry, damage, deformation, destruction.

В последние годы в авиационной промышленности все большее внимание уделяется использованию композитных материалов для создания легких и прочных конструкций. Однако, при эксплуатации воздушных судов, такие конструкции могут подвергаться воздействию различных атмосферных условий, включая град. Град может приводить к различным повреждениям, таким как деформация и разрушение, что может существенно повлиять на работу и безопасность воздушных судов.

Для улучшения понимания воздействия града на композитные конструкции, необходимо проводить исследования и определять влияние параметров композитных материалов на их поведение при воздействии града. Это позволит разработчикам и производителям авиационных конструкций улучшить их стойкость к атмосферным воздействиям и обеспечить безопасность полетов.

Цель данной работы - исследовать влияние града на композитные конструкции, используемые в авиационной промышленности. Данный исследовательский проект является актуальным и важным, так как он поможет улучшить безопасность воздушных судов и повысить их надежность в условиях атмосферных воздействий.

Большинство предыдущих исследований были сосредоточены на изучении воздействия низкоскоростных металлических снарядов на композитные конструкции. Подробный обзор этих работ можно найти в обзорной статье Abrate [1]. Джексон и По [2] исследовали реакции на удары с низкой и высокой скоростью и выявили заметные различия между ними. Результаты показали, что пиковая сила была ключевым параметром для оценки расслаивания, и было обнаружено, что структурная деформация возникает в области локального контакта снаряда и мишени во время высокоскоростного ударного процесса. В то же время в случае нагружения композитов высокими скоростями деформации их механические свойства, такие как жесткость, прочность, энергопоглощение и режимы разрушения, будут меняться в большей или меньшей степени. Ким и др. [3] провели эксперименты по воздействию градин сферической формы на тканые композитные панели. Наблюдалась линейная зависимость между пиковой силой и кинетической энергией снаряда, в то время как скорость существенно не влияла на время достижения пиковой силы. Высокоскоростная фотосъемка показала, что разрушение композитных панелей происходило почти сразу после первого контакта между снарядом и пластиной, при этом во время разрушения наблюдалась лишь небольшая локальная деформация. Из-за локализованной деформации в начале повреждения граничные условия не сильно влияют на режимы повреждения. Чжу и др. [4,5] указали, что локальная деформация и трещина волокна были основными механизмами поглощения энергии композитными панелями во время высокоскоростного удара. Кроме того, волна сжатия, вызванная ударом, отразится от задней стороны композитной панели и превратится в волну растяжения, что приведет к расслаиванию между слоями.

Считается также, что конструкция слоев композитных ламинатов играет важную роль в устойчивости композитных ламинатов к ударным повреждениям. Ким и Шам [6] исследовали межслойные характеристики тканых и однонаправленных ламинатов. В целом, ламинаты из тканых материалов демонстрируют лучшие межслойные характеристики, чем их однонаправленные аналоги, с меньшей максимальной нагрузкой, меньшей площадью повреждения и т. д. Реакция композитных и сэндвич-структур, армированных FML, на высокой скорости также исследовалась Reyes Villanueva и Кантуэлл [7]. Было показано, что расслаивание и продольное расщепление композиционных оболочек происходит в ламинатах с однонаправленным волокном. Напротив, сэндвич-структуры на основе тканого волокна/полипропилена показали более высокую ударопрочность при высокоскоростном ударе с меньшим расслоением. Кроме того, ориентация слоев способствовала анизотропии композитных ламинатов. Зона повреждения композитных ламинатов имеет не симметричную круглую, а приблизительно эллиптическую форму [8, 9].

В аспекте численного моделирования Ким и Кедворд [10] смоделировали удар высокоскоростного сферического ледяного снаряда о композитные пластины с помощью явного конечно-элементного кода DYNA3D. Градины моделировались в виде лагранжевой модели КЭ, и было достигнуто хорошее согласие с экспериментальными результатами. Эффективность трех различных численных моделей града, лагранжевой модели FE, модели произвольного лагранжа-эйлера (ALE) и модели гидродинамики сглаженных частиц (SPH) при моделировании реакции на удар града была исследована Anghileri et al. [11]. Путем сравнения численных результатов с экспериментальными данными было доказано, что модель SPH является наиболее эффективной и позволяет воспроизвести динамическое поведение градины при высокоскоростном ударе. Было обнаружено, что процессорное время модели SPH намного меньше, чем у двух других моделей.

В настоящей работе модель SPH использовалась для имитации сферического града, который проецировался на композитные ламинаты с явным кодом КЭ LS-DYNA. Между тем, метод корреляции трехмерного цифрового изображения (3D-DIC) был использован для измерения поля деформации пластины из алюминиевого сплава под воздействием града. Экспериментальные результаты сравнивались с результатами моделирования для проверки параметров градины в численном моделировании. Наконец, проверенная численная модель была использована для исследования влияния компоновки композита, типа армированного волокна и матрицы, условий удара, таких как скорость удара и начальный угол градины, на эволюцию повреждения композитных ламинатов.

Большинство работ, проведенных ранее с композитными сэндвич-панелями, фокусировались на низкоскоростных нормальных ударах, обычно достигаемых через различные механизмы падающего веса. Амир и др. [12] провели испытания низкоскоростного падающего веса на сэндвич-панелях с стекловолокном/эпоксидным полипропиленовым медовым сотом с различной толщиной сердцевины и обнаружили, что основные повреждения происходят в верхней части (ближе к месту удара) конструкции сэндвича, и что более толстые сердцевины обладают более высокой устойчивостью к деформации в плоскости для низкоскоростного удара.

С другой стороны, Отман и Бартон [14] провели квазистатические и низкоскоростные испытания на падающий вес на углерод/эпоксидные сэндвич-панели с медовым сотом Номекс различной толщины и обнаружили, что испытания на удары приводят к высоко локализованным повреждениям, и что различные толщины вносят мало в общие возможности поглощения энергии конструкции сэндвича. Разница в выводах, вероятно, обусловлена тем, что испытания на удары Отмана и Бартона включали энергию удара 1800 Дж, в то время как испытания, проводимые Амиром и др., включали энергию удара на два порядка меньше, в диапазоне от 15 до 45 Дж.

Андерсон и Маденси [15] также использовали испытания низкоскоростного падающего веса на различных композитных сэндвич-панелях. Их испытания на удар имели уровень энергии от 8 до 26 Дж и привели к образованию образцов, которые не проявляли значительного повреждения на поверхности, но после разрезания обнаружилось значительное повреждение сердцевины, такое как скручивание стенок ячеек и деформация сердцевины вдоль места удара. Это свидетельствует о том, что визуальные осмотры могут быть вводящими в заблуждение, поскольку значительные внутренние повреждения могут быть скрыты. Они также исследовали несколько конфигураций панелей: 3-слойные и 6-слойные лицевые слои, ячеистые и пенные сердцевины, а также версии каждого типа сердцевины с высокой и низкой плотностью и обнаружили, что несмотря на то, что более толстые и плотные образцы требовали более высокого уровня энергии для образования повреждений, во всех конфигурациях присутствовали схожие типы повреждений. Из-за небольшого размера их образцов (76,2 мм x 76,2 мм) возник еще один тип повреждения, где сердцевина образцов демонстрировала трещины или разрывы от центра ламината до краев. Поэтому важно исследовать воздействие удара на более крупных образцах, чтобы наблюдать локальные эффекты, которые не затмеваются другими нежелательными дефектами.

McQuigg et al. [13] провели испытания методом ударного нагружения на панелях с углеродными волокнами/эпоксидной смолой и номексом, используя различные уровни энергии и две разные плотности ядра (3 фунта на кубический фут (pcf) и 6 pcf). Эти испытания привели к стандартным повреждениям поверхности и разрушению ядра, но интересно, что глубина разрушения ядра была примерно одинакова при различных уровнях ударной энергии. Как ожидалось, ядро более высокой плотности дало более высокое сопротивление удару. Они также провели испытания на остаточную прочность при сжатии после удара (CAI), чтобы определить остаточную прочность и обнаружили, что даже небольшое повреждение вызывало заметное снижение прочности панели по сравнению с компрессионной прочностью неповрежденных образцов. Однако увеличение уровня повреждений приводило к меньшему снижению остаточной прочности.

Raju и соавторы [16] также использовали испытания свободным падением и CAI-тестирование для изучения сэндвич-панелей с карбоновым/эпоксидным материалом лицевых слоев и Nomex-гексагональным кором. Используя неразрушающее тестирование методом С-скана и разрушающее разделение образцов, они обнаружили, что размер остаточной вмятины на поверхности всегда был меньше или равен области повреждения, обнаруженной через С-скан, и что эта область повреждения всегда была меньше зоны повреждения кора, за исключением случаев разрушения лицевых слоев. Было выявлено пять состояний повреждения при нарастании уровня энергии удара: инициирование повреждений (разделение) в лицевых слоях и начало разрушения кора, прогрессирование повреждений через лицевые слои и фактическое разрушение кора, разрушение лицевых слоев, проникновение через лицевые слои и разрушение/уплотнение кора, и, наконец, инициирование повреждений в нижнем лицевом слое. Однако связь между лицевым слоем и кором оставалась неизменной во всех случаях.

В настоящее время практически нет работ, изучающих влияние града на композитные сэндвич-конструкции, хотя была проведена значительная работа по изучению влияния града на панели из углеродного/эпоксидного материала. Kim и др. [17] провели испытания на высокоскоростной удар града (от 30 до 200 м/с) на панелях из углеродного/эпоксидного материала и обнаружили, что пороговая энергия разрушения панелей линейно зависит от толщины панели, пороговая энергия разрушения косых ударов масштабируется относительно нормальных ударов с тригонометрическим соотношением, а граничные условия панели не оказывают большого влияния на экспериментальные результаты из-за локализованного эффекта динамического удара. Rhymer и др. [18] также провели испытания на высокоскоростной удар града на панелях из углеродного/эпоксидного материала разной толщины и материальной архитектуры, используя снаряды разных диаметров. Были случаи, когда при схожих уровнях энергии удара были получены результаты с повреждениями и результаты без повреждений, и это, вероятно, было вызвано вариациями в панелях и льдиных снарядах. Пороговая энергия разрушения была непосредственно связана с диаметром снаряда и толщиной панели, а образование делиминирования в основном определяется свойствами матрицы, а не свойствами/архитектурой волокна.

В работе [19] был проведен эксперимент воздействия града на крыло самолета Airbus A320. Панели, использованные для испытаний на воздействие града и льда, были получены из руля направления Airbus A320, показанного на рисунке 1, который был выведен из эксплуатации. Данное крыло состоит из композитных материалов.

Рисунок 1. Крыло Airbus A320 до разделения на секции

После тщательного осмотра панели и выполнения всех необходимых измерений ее разрезают в продольном направлении по средней линии зоны удара. Деструктивный разрез всех образцов тонких лицевых листов показал, что все они имели разную степень повреждения сердцевины, которую можно разделить на три вида: I) небольшое сморщивание клеточной стенки, II) коробление клеточной стенки, III) трещина сердцевины. Образцы тонкого лицевого листа подвергались ударам под углом 25, 40 и 90 градусов со скоростью 25 м/с и 50 м/с (номинальные скорости), а удары со скоростью 50 м/с неизменно приводили к пробитию лицевого листа при каждом испытательном угле. Повреждение активной зоны режима I присутствовало только при испытаниях на удар 25 градусов при скорости 25 м/с. На рисунке 2 показан образец тонкой лицевой панели с повреждением сердцевины по способу I.

Рисунок 2. Повреждение активной зоны режима I в испытании-017 на тонкой лицевой панели панели A04 (28,02 м/с при 25 градусах, пиковая вмятина 0,07 мм)

В ходе эксперимента была пробита лицевая панель (см. рис. 3).

Рисунок 3. Видимое проникновение града в лицевую панель

Эти испытания показали, что образцы тонкой лицевой панели вели себя так, как ожидалось: более высокие энергии и более крутые углы удара привели бы к более крупным вмятинам. Однако образцы с толстой лицевой панелью вели себя не так предсказуемо; в некоторых случаях одинаковые энергетические воздействия приводили к значительно разным реакциям на уровне вмятин. В конечном счете, деструктивное разрезание показало, что во всех образцах, когда повреждение поверхности можно было обнаружить или измерить визуально, присутствовал некоторый уровень повреждения сердцевины. Однако обратное было неверным; были случаи, когда повреждения активной зоны присутствовали без какого-либо измеримого уровня повреждений на поверхности. Это было особенно часто в образцах толстой лицевой панели. В нескольких случаях не было видимых вмятин, а пиковые вмятины не превышали 0,03 мм, но имелись значительные разрушения сердечника по способу III. Был также случай, когда два удара силой 15-20 Дж и отклики на вмятины 0,02-0,03 мм имели разные внутренние отклики: один показал повреждение режима III, а другой не имел повреждения сердечника. Это указывает на то, что традиционный метод визуального осмотра повреждений не является надежным для композитных сэндвич-конструкций. Отсутствие видимой вмятины может означать отсутствие внутренних повреждений, но часто могут быть скрыты значительные уровни разрушения сердечника. Непоследовательные результаты для образцов с толстой лицевой панелью, вероятно, связаны с состоянием льда при ударе. Из-за более жесткой лицевой панели лед часто ломался при ударе и терял много энергии в этом процессе, в отличие от удара по цели и передачи всей энергии в ядро.

Заключение. В данной работе было исследовано влияние града на композитные конструкции, используемые в авиационной промышленности. Был проведен обзор литературы по данной теме и определены методы, используемые для исследования. Испытания были проведены на композитных образцах различных форм и размеров, подвергнутых воздействию града.

По результатам исследования было установлено, что град может приводить к значительным повреждениям композитных конструкций, включая деформацию и разрушение. Однако, поведение композитных материалов в зависимости от их свойств и состава может различаться, что может быть учтено при разработке и проектировании авиационных конструкций. Полученные результаты могут быть полезны для разработчиков и производителей авиационных конструкций, чтобы улучшить их стойкость к воздействию града. Дальнейшие исследования могут включать определение оптимальных составов композитных материалов, которые обеспечивают максимальную стойкость к граду, а также разработку новых методов испытаний и моделирования воздействия града на конструкции. Таким образом, исследование влияния града на композитные конструкции является важной задачей в авиационной промышленности, и его результаты могут применяться для улучшения безопасности воздушных судов и повышения их надежности.

Список литературы:

1. Abrate S. Impact on laminated composites: recent advances. Appl Mech Rev 1994;47(11):517–44.
2. Jackson WC, Poe CC. The use of impact force as a scale parameter for the impact response of composite laminates. J Compos Technol Res 1993;15:282.
3. Kim H, Welch DA, Kedward KT. Experimental investigation of high velocity ice impacts on woven carbon/epoxy composite panels. Compos Part A Appl Sci Manuf 2003;34(1):25–41.
4. Guoqi Z, Goldsmith W, Dharan CKH. Penetration of laminated Kevlar by projectiles – I. Experimental investigation. Int J Solids Struct 1992;29(4):399– 420.
5. Zhu G, Goldsmith W, Dharan CKH. Penetration of laminated Kevlar by projectiles. II: analytical model. Int J Solids Struct 1992;29(4):421–36.
6. Kim JK, Sham ML. Impact and delamination failure of woven-fabric composites. Compos Sci Technol 2000;60(5):745–61.
7. Reyes Villanueva G, Cantwell WJ. The high velocity impact response of composite and FML-reinforced sandwich structures. Compos Sci Technol 2004;64(1):35–54.
8. Yew CH, Kendrick RB. A study of damage in composite panels produced by hypervelocity impact. Int J Impact Eng 1987;5(1):729–38.
9. Nunes LM, Paciornik S, D’Almeida JRM. Evaluation of the damaged area of glass-fiber-reinforced epoxy-matrix composite materials submitted to ballistic impacts. Compos Sci Technol 2004;64(7):945–54.
10. Kim H, Kedward KT. Modeling hail ice impacts and predicting impact damage initiation in composite structures. AIAA J 2000;38(7):1278–88.
11. Anghileri M, Castelletti LML, Invernizzi F, Mascheroni M. A survey of numerical models for hail impact analysis using explicit finite element codes. Int J Impact Eng 2005;31(8):929–44.
12. F. A. Amir, A. R. Othman, and H. M. Akil, “Damage Characterization of Polypropylene Honeycomb Sandwich Panels Subjected to Low-Velocity Impact,” Advances in Materials Sciene and Engineering, vol. 2013, pp. 1–10, 2013.
13. T. D. McQuigg, R. K. Kapania, S. J. Scotti, and S. P. Walker, “Compression After Impact Experiments on Thin Face Sheet Honeycomb Core Sandwich Panels,” Journal of Spacecraft and Rockets, vol. 51, no. 1, pp. 253–266, 2014.
14. A. R. Othman and D. C. Barton, “Failure Initiation and Propagation Characteristics of Honeycomb Sandwich Composites,” Composite Structures, vol. 85, no. 2, pp. 126–138, 2008.
15. T. Anderson and E. Madenci, “Experimental Investigation of Low-Velocity Impact Characteristics of Sandwich Composites,” Composite Structures, vol. 50, no. 3, pp. 239–247, 2000.
16. K. S. Raju, B. L. Smith, J. S. Tomblin, K. H. Liew, and J. C. Guarddon, “Impact Damage Resistance and Tolerance of Honeycomb Core Sandwich Panels,” Journal of Composite Materials, vol. 42, no. 4, pp. 385–412, 2008.
17. H. Kim, D. A. Welch, and K. T. Kedward, “Experimental Investigation of High Velocity Ice Impacts on Woven Carbon/Epoxy Composite Panels,” Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, vol. 34, pp. 25–41, 2003.
18. J. Rhymer, H. Kim, and D. Roach, “The Damage Resistance of Quasi-Isotropic Carbon/Epoxy Composite Tape Laminates Impacted by High Velocity Ice,” Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, vol. 43, no. 7, pp. 1134– 1144, 2012.
19. Luong, S. D. Hail Ice Impact of Lightweight Composite Sandwich Panels [Electronic resource]: dissertation / S. D. Luong. - San Diego : University of California, San Diego, 2014. - 76 p.