Моделирование процессов развития расслоений в композитном

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ РАЗВИТИЯ РАССЛОЕНИЙ
В КОМПОЗИТНОМ ФЛАНЦЕ КОЖУХА АВИАДВИГАТЕЛЯ
А. Н. Аношкин, М. В. Рудаков, Е. Н. Шустова
Пермский государственный технический университет, Пермь, Россия
Широкое применение полимерных композиционных материалов (ПКМ) в
конструкции перспективных авиационных газотурбинных двигателей ставит задачу
разработки и совершенствования методов прогнозирования несущей способности и
ресурса работы композитных деталей и узлов. Результаты прогнозирования необходимы
как для рационального проектирования таких деталей, так и для снижения объемов их
экспериментальной отработки. Для решения поставленной задачи необходимо
использовать современные математические модели и вычислительные алгоритмы,
описывающие особенности поведения ПКМ в конструкции при сложном нагружении.
Многие полимерные композиционные материалы, в частности, применяемые в узлах
авиационных газотурбинных двигателей, имеют слоисто-волокнистую структуру. Низкая
межслойная прочность делает конструкции из ПКМ высоко чувствительными к дефектам
типа расслоений. Кроме того, разрушение фланцевых узлов корпусных деталей,
выполненных из ПКМ, происходит именно по типу расслоения вследствие высоких
нормальных и касательных напряжений на границе слоев. Для повышения точности
прогнозирования несущей способности и оценки живучести таких конструкций
необходимо разрабатывать методы расчета напряженно-деформированного состояния,
учитывающие возникновение в конструкциях различных дефектов, в том числе,
расслоений.
В настоящей работе рассматривается задача расчета напряженно-деформированного
состояния и оценки прочности типичного композитного фланца кожуха авиадвигателя.
Целью исследований является оценка прочности данного фланца при квазистатических
условиях нагружения с учетом возникновения и развития областей расслоения.
В процессе исследований была построена двумерная осесимметричная
компьютерная модель композитного фланца. Сформулирована математическая задача
расчета напряженно-деформированного состояния в упругой постановке с учетом схемы
армирования и анизотропии материала слоев. В соответствии с традиционной схемой
расчета фланцевых соединений система эксплуатационных нагрузок, действующих на
кожух, сводилась к эквивалентной нагрузке, равномерно распределенной по поперечному
сечению фланца. Решение поставленной задачи осуществлялось в пакете ANSYS.
Анализ результатов решения в упругой постановке показал, что наиболее опасными,
определяющими прочность конструкции, являются нормальные и касательные
межслойные напряжения в некоторых зонах перегибов слоев. С помощью исследования
сходимости результатов решения были выбраны параметры конечно-элементных сеток,
позволяющие получить значения межслойных напряжений с приемлемой точностью. На
основе анализа межслойных напряжений была получена оценка критической нагрузки,
соответствующей началу расслоения фланца.
Для моделирования механического поведения фланца после появления зоны
расслоения в расчетную схему конструкции в зонах максимальных межслойных
напряжений были введены контактные элементы. В использованных контактных
элементах, моделирующих поведение композита при расслоении, задаются параметры,
определяющие критические нормальные и касательные напряжения, соответствующие
расслоению (появлению зазора), а также последующее поведение материала в зазоре. В
последнем случае предполагалось, что после появления расслоения материал в зазоре
может обладать некоторой «жесткостью» и частично сопротивляться отрывающим и
сдвиговым нагрузкам до предельной величины расслоения (максимальной величины
зазора).
Решение поставленной нелинейной контактной задачи осуществлялось в пакете
ANSYS 11.0 с использованием итерационного алгоритма. Для улучшения сходимости
итерационного алгоритма использовалось искусственное демпфирование. Коэффициент
демпфирования выбирался на основе проведения серии расчетов до получения численно
устойчивого решения. Для оценки прочности конструкции с зоной расслоения
принималась нагрузка, соответствующая потере сходимости итерационного алгоритма.
Проведенные расчеты показали, что при нагружении композитного фланца
распределенным усилием, эквивалентным суммарной эксплуатационной нагрузке, после
достижения критического усилия, соответствующего нарушению условий адгезии в
заданных контактных элементах, итерационный алгоритм расходится. Таким образом, для
исследуемой конструкции фланца при заданных силовых условиях нагружения не удалось
выявить резервов несущей способности после начала расслоения.
Для сравнения были поведены аналогичные расчеты деформирования фланца при
кинематических условиях нагружения. В этом случае вместо усилий, равномерно
распределенных по силовым слоям наружной и внутренней оболочки кожуха, на торце
рассматриваемой конструкции фланца задавались перемещения, которые также приводят
к интегральным усилиям в поперечном сечении фланца эквивалентным суммарной
эксплуатационной нагрузке. Такие граничные условия соответствуют условиям
нагружения образцов-сегментов, вырезанных из кожуха, при лабораторных механических
испытаниях. При испытаниях на растяжение образцов жесткое нагружающее устройство
испытательной машины не позволяет реализовать «силовое» нагружение фланца, которое
приводит к повороту площадки приложения нагрузки и возникновению изгибающего
момента, как и при реальных условиях нагружения вследствие воздействия на фланец
присоединенных масс корпусных деталей обшивки. Перемещающаяся траверса
испытательной машины обеспечивает практически линейное перемещение закрепленного
торцевого участка образца-сегмента фланца. Таким образом, лабораторные испытания
соответствуют «жесткому» кинематическому характеру нагружения фланца при условии
задания перемещений на торцевой поверхности.
Анализ результатов расчетов показал, что условия нагружения существенным
образом влияют на величину изгибающего момента, который и определяет наиболее
опасные зоны, а также величину межслойных напряжений в наиболее опасных сечениях
конструкции. Запасы прочности фланца при кинематическом варианте нагружения
приблизительно в два раза превосходят аналогичные оценки для эквивалентного силового
нагружения.
Моделирование процесса расслоения фланца при кинематических условиях
нагружения показало, что при определенной «жесткости» материала в зазоре для
использованных контактных конечных элементов можно получить равновесное решение
деформирования конструкции с развитой зоной расслоения.
Результаты проведенных исследований можно использовать для разработки
расчетно-экспериментальной методики оценки прочности многослойных композитных
кожухов авиационных двигателей.
Работа выполнена при поддержке гранта Российского фонда фундаментальных
исследований РФФИ 07-08-96046.