Details

В работе представлено теоретическое и численное исследование механического поведения и прочности перекрестно-слоистых ламинатов из эпоксидной смолы и E-стекловолокна при трехточечном изгибе. Рассмотрены классификация, структурные компоненты и основные архитектуры композиционных материалов, изложена теория деформирования слоистых балок, установлены механизмы повреждения и разрушения композитов при растяжении, сжатии и изгибе, а также проанализированы основные критерии разрушения (максимальных напряжений, деформаций, критерии Цая-Хилла и Хоффмана). Разработан численный алгоритм на основе критерия максимальных напряжений с введением корректирующих коэффициентов, реализованный в среде MATLAB. Исследовано шесть вариантов 16-слойных перекрестных ламинатов, отличающихся схемой укладки, толщиной и пространственным расположением слоев с ориентацией 0° и 90°. Проведено сопоставление численных расчетов с экспериментальными данными и микроскопическими наблюдениями, подтвердившее хорошую сходимость результатов и адекватность предложенной модели. Установлено, что схема укладки, толщина и расположение слоев существенно влияют на жесткость, разрушающую нагрузку, величину прогиба, характер и локализацию повреждений ламинатов. Определены доминирующие механизмы разрушения: поперечное растрескивание матрицы слоев 90°, микроизгиб волокон слоев 0° в сжатой зоне и межслойное расслоение, которое является наиболее опасным видом повреждения при трехточечном изгибе. Слои с ориентацией 0° обеспечивают высокую жесткость и прочность конструкции, а слои 90° придают гибкость, но их увеличенная толщина способствует развитию расслоения и снижению несущей способности. Сформулированы рекомендации по выбору рациональной схемы укладки перекрестно-слоистых композитов в зависимости от эксплуатационных требований, определены перспективы дальнейших исследований в области совершенствования технологий изготовления, поверхностной обработки волокон и моделирования усталостной прочности ламинатов.

This paper presents a theoretical and numerical investigation into the mechanical behaviour and failure strength of cross-ply laminates consisting of an epoxy resin matrix and E-glass fibre reinforcement under three-point bending loading. The study reviews the classification, structural components and main structural architectures of composite materials. It formulates the deformation theory of laminated beams, analyses the damage and failure mechanisms of composites under tension, compression and bending, and summarises major failure criteria, including the maximum stress criterion, maximum strain criterion, Tsai–Hill criterion and Hoffman criterion. A numerical calculation algorithm based on the maximum stress criterion with correction coefficients is developed and implemented in the MATLAB environment. Six types of 16-layer cross-ply laminates with different stacking sequences, layer thicknesses and spatial arrangements of 0° and 90° plies are investigated. Numerical simulation results are compared with experimental data and microscopic observations, which verify the rationality and good agreement of the proposed numerical model. The research reveals that the stacking sequence, ply thickness and ply layout significantly affect the stiffness, failure load, deflection magnitude, as well as the failure mode and damage location of laminated composites. The dominant failure mechanisms are identified as transverse matrix cracking in 90° plies, fibre micro-buckling of 0° plies in the compression zone, and interlaminar delamination — the most critical failure mode under three-point bending. Plies oriented at 0° provide high structural stiffness and load-bearing capacity, while 90° plies improve flexibility; however, excessive thickness of 90° plies accelerates delamination and reduces structural load capacity. Reasonable stacking design suggestions for cross-ply composites are proposed according to practical service requirements. Prospects for further research are outlined, including optimisation of manufacturing technology, fibre surface modification, fatigue performance analysis and advanced failure modelling of laminated composites.

• РЕФЕРАТ
• ABSTRACT
• СОДЕРЖАНИЕ
• ВВЕДЕНИЕ
• ГЛАВА 1 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛА
  • 1.1 Введение
  • 1.2 Определение композиционного материала
  • 1.3 Примеры областей применения композиционных мат
  • 1.4 Элементы композитного материала
    • 1.4.1 Матрица
      • 1.4.1.1 Органические матрицы
      • 1.4.1.2 Минеральная матрица
    • 1.4.2 Армирующие волокна (Армирование)
      • 1.4.2.1 Стеклянные волокна
      • 1.4.2.2 Углеродные волокна
      • 1.4.2.3 Арамидные волокна
      • 1.4.2.4 Керамические волокна
    • 1.4.3 Наполнители и добавки
      • 1.4.3.1 Наполнители
      • 1.4.3.2 Добавки
  • 1.5 Архитектуры композитных материалов
    • 1.5.1 Сэндвич － структуры
    • 1.5.2 Слоистые пластики (Ламинаты)
      • 1.5.2.1 Определение
      • 1.5.2.2 Типы
      • 1.5.2.3 Обозначение
  • 1.6 Заключение
• ГЛАВА 2 ТЕОРИЯ СЛОИСТЫХ БАЛОК, НАГРУЖЕННЫХ ИЗГИБО
  • 2.1 Введение
  • 2.2 Принцип испытания на изгиб в трех точках
  • 2.3 Упругое поведение слоя ортотропного материала
    • 2.3.1 Поведение в главных осях материала
    • 2.3.2 Плоское напряженное состояние
    • 2.3.3 Поле деформаций
    • 2.3.4 Поле напряжений
  • 2.4 Выражение результирующих сил и моментов
    • 2.4.1 Мембранные результирующие силы
    • 2.4.2 Моменты изгиба и кручения
  • 2.5 Конститутивное уравнение
  • 2.6 Матрица жесткости
  • 2.7 Классическая теория слоистых материалов
    • 2.7.1 Общие выражения
    • 2.7.2 Применение к трехточечному изгибу
  • 2.8 Механические характеристики слоя композита
    • 2.8.1 Объемная доля
    • 2.8.2 Правило смесей:
  • 2.9 Заключение
  • 3.1 Механизм разрушения однонаправленного компози
    • 3.1.1 Поперечное разложение
    • 3.1.2 Продольное растяжение
  • 3.2 Механизм разрушения однонаправленного композит
    • 3.2.1 Поперечное сжатие
    • 3.2.2 Продольное сжатие
  • 3.3 Механизм разрушения слоистого композита «Рассл
    • 3.3.1 Сжатая часть
  • 3.4 Критерий разрушения
    • 3.4.1 Критерии максимальных напряжений
    • 3.4.2 Критерии максимальных деформаций
    • 3.3.2 Растянутая часть
    • 3.4.3 Интерактивные критерии
      • 3.4.3.1 Критерий Цая-Хилла
      • 3.4.3.2 Критерий Хоффмана
  • 3.5 Заключение
• ГЛАВА 4 ПРИЛОЖЕНИЯ И РЕЗУЛЬТАТЫ
  • 4.1 Введение
  • 4.2 Выбор материалов
    • 4.2.1 Эпоксидная смола
    • 4.2.2 Стекловолокна типа E
  • 4.3 Исследуемые различные слоистые пластики
  • 4.4 Алгоритм
  • 4.5 Численная конфигурация видов повреждения
  • 4.6 Поля напряжений
  • 4.7 Сравнение и валидация
    • 4.7.1 Сравнение характера повреждений
    • 4.7.2 Сравнительная таблица
  • 4.8 Интерпретация
    • 4.8.1 Виды разрушения
    • 4.8.2 Влияние последовательности укладки
      • 4.8.2.1 На вид повреждения
      • 4.8.2.2 О жесткости, нагрузке и прогибе при разруш
    • 4.8.3 Влияние толщины слоя, ориентированного под у
      • 4.8.3.1 На характер повреждения
      • 4.8.3.2 О жесткости, нагрузке и прогибе при разрыв
    • 4.8.4 Влияние толщины слоя, ориентированного под у
      • 4.8.4.1 На характер повреждения
      • 4.8.4.2 О жесткости, нагрузке и прогибе при разрыв
    • 4.8.5 Влияние расположения слоев с ориентацией 0°
      • 4.8.5.1 На характер повреждения
      • 4.8.5.2 О жесткости, нагрузке и прогибе при разрыв
• ЗАКЛЮЧЕНИЕ
• СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ