Experimental Study of Impact Damage of Carbon-Epoxy Plastic for Aviation Structures

Abstract

1 Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Пермь, Россия 2 Вольфсоновская инженерная школа механики и производства Университет Лафборо, графство Лестершир, Великобритания ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ БАЛЛИСТИЧЕСКОГО ПОВРЕЖДЕНИЯ УГЛЕПЛАСТИКА, ИСПОЛЬЗУЕМОГО В АВИАСТРОЕНИИ Представлены результаты экспериментального исследования баллистического повреждения широко используемого в авиастроении слоистого углепластика на основе углеродной ткани и эпоксидного связующего. Методика исследования состоит в динамическом нагружении исследуемой пластины-образца при высокоскоростном столкновении со снарядом-ударником и определении полей динамических деформаций на поверхности пластины, а также в анализе внешних и внутренних повреждений образца. Исследовались деформации и повреждения, вызванные ударами двух типов снарядов: твердый (сталь) и фрагментируемый (лед) со скоростями до 500 м/с. Исследование проводилось на специальной установке на базе пневматической пушки и двух высокоскоростных видеокамер. Для получения полей динамических деформаций образцов использовался метод корреляции цифровых изображений. Для исследования повреждения внутри образцов использовалась трехмерная рентгеновская компьютерная томография.В результате проведенного исследования получены количественные экспериментальные данные о закономерностях баллистического деформирования и повреждения углепластика. Твердые ударники создают локализованное повреждение пластин вплоть до сквозного пробивания, тогда как удар фрагментируемым снарядом того же размера даже при существенно большей кинетической энергии не приводит к сквозному повреждению. В случае удара льдом может возникать обширное скрытое повреждение в виде расслоения ламината, которое при последующей эксплуатации детали может привести к ее поломке. Для обоих типов ударников и при различных уровнях их кинетической энергии поле динамических деформаций на тыльной поверхности пластины имеет две характерные зоны: круглая зона растягивающих деформаций в центре и кольцевая область сжимающих деформаций вокруг нее.Полученные количественные экспериментальные данные о закономерностях повреждения, пространственном распределении и изменении во времени динамических деформаций могут быть использованы для разработки и проверки математических моделей баллистического повреждения слоистых углепластиков.Ключевые слова: баллистическое повреждение, композиты армированные волокном, рентгеновская томография, динамическая деформация, метод корреляции цифрового изображения Laminated carbon fiber reinforced composite widely used in aviation and made from an equally strong carbon fabric and epoxy binder ballistic damaging is presented.The method of investigation consists in the dynamic loading of the plate-specimen during a high-speed collision with a projectile, determining the fields of dynamic deformations on the surface of the plate and analysis of external and internal damage of specimen. Deformations and damaging of two types of projectiles were investigated: solid (steel) and fragmenting (ice) with speed...