ИССЛЕДОВАНИЕ ОСТАТОЧНЫХ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПОЛИМЕРНОГО СЛОИСТОГО КОМПОЗИТА  ПОСЛЕ НАНЕСЕНИЯ ВМЯТИН РАЗНЫХ РАЗМЕРОВ

Е.А. Чеботарева Chebotareva; Д.С. Лобанов Lobanov; В.А. Мельникова Melnikova

doi:10.32326/1814-9146-2026-88-2-109-122

Е.А. Чеботарева Chebotareva Центр экспериментальной механики Пермского национального исследовательского политехнического университета, Пермь
Д.С. Лобанов Lobanov Центр экспериментальной механики Пермского национального исследовательского политехнического университета, Пермь
В.А. Мельникова Melnikova Центр экспериментальной механики Пермского национального исследовательского политехнического университета, Пермь

DOI: https://doi.org/10.32326/1814-9146-2026-88-2-109-122

Ключевые слова: экспериментальная механика, акустическая эмиссия, параметрический анализ, композиционные материалы, метод цифровой корреляции изображений

Аннотация

Представлены результаты комплексного исследования влияния наружных дефектов различной величины на механические характеристики и процессы разрушения полимерного композиционного материала. Экспериментальные исследования проводились на образцах с искусственно нанесенными дефектами-вмятинами при фиксированной нагрузке с использованием инденторов разного диаметра. После нанесения дефектов образцы были испытаны на квазистатическое одноосное растяжение. Проведен анализ типов разрушения образцов, согласно нормативной документации, установлено влияние величины дефекта на прочностные характеристики материала. В процессе исследований использованы трехмерная видеосистема и система регистрации акустической эмиссии. Проведен анализ механизмов разрушения материала на основе сигналов акустической эмиссии. Анализ включал в себя как характеристики энергетического параметра и пиковых частот, так и параметры формы сигнала с учетом времени нарастания, длительности и амплитуды сигналов. Выявлены закономерности в результатах, полученных при регистрации сигналов акустической эмиссии, включая три характерных диапазона частот сигналов акустической эмиссии, связанных с различными типами повреждений материала и их сменами в зависимости от величины предварительно нанесенного дефекта. Проведены оценки жесткости материала при нагрузке, а также локализации напряжений у образцов с поверхностными дефектами. Метод корреляции цифровых изображений позволил изучить эволюцию неоднородных полей деформаций на поверхности образцов. Исследование позволило установить закономерности влияния наружных дефектов на прочностные характеристики и механизмы разрушения полимерного композиционного материала, что имеет значение для оценки работоспособности композитных конструкций при наличии поверхностных повреждений.

Поддерживающие организации

Выполнено за счет гранта РНФ №25-29-00188 (https://rscf.ru/project/25-29-00188/).

Литература

1. Gunarti M., Prawoto A., Fauzi W., Wirawan W. Mechanical behavior of glass fiber-epoxy composite laminates for ship hull structures. Mech. Eng. Soc. Ind. 2024. Vol. 4. No 2. P. 156–166. DOI: 10.31603/mesi.11589.

2. Lobanov D.S., Lykova A.V., Pankov A.M., Ugolnikov M.V. Effect of internal technological defects and loading waveform on structural composite fatigue life. Fractur. Struct. Integr. 2025. Vol. 71. P. 1–10. DOI: 10.3221/IGF-ESIS.71.01.

3. Javadian M., Dadashi A., Bagheri A., Azadi M. Fatigue behavior and failure mechanism of 3d-printed continuous glass fiber-reinforced pla composites under rotating bending fatigue. Compos. Part C-Open. 2025. Vol. 17. Article No 100623. DOI: 10.1016/j.jcomc.2025.100623.

4. Koloor S.R., Karimzadeh A., Abdullah M., Petru M., Yidris N., Sapuan S., Tamin N. Linear-nonlinear stiffness responses of carbon fiber-reinforced polymer composite materials and structures: A numerical study. Polymers. 2021. Vol. 13. Iss. 3. Article No 344. DOI: 10.3390/polym13030344.

5. Ariff I., Ahmad Z., Gan K., Petru M., Koloor S.R., Tamin N. Damage initiation strengths for the mesoscale lamina damage model of fiber-reinforced polymer composite laminates. J. Compos. Mater. 2025. Vol. 59. Iss. 11. P. 1399–1415. DOI: 10.1177/00219983241311359.

6. Khan S., Koloor S.R., Wong K.J., Siebert G., Tamin N. A fatigue model to predict interlaminar damage of FRP composite laminates subjected to mode I load. Polymers. 2023. Vol. 15. Iss. 3. Article No 527. DOI: 10.3390/polym15030527.

7. Slovikov S.V., Lobanov D.S., Chebotareva E.A., Melnikova V.A. The influence of technological defects on the mechanical behavior of CFRP during buckling under compression based on DIC data and acoustic emission. Fractur. Struct. Integr. 2024. Vol. 69. P. 60–70. DOI: 10.3221/IGF-ESIS.69.05.

8. Botvina L.R. Beletsky E.N., Tyutin M.R. et al. Razrushenie stali 30KhGSA v usloviyakh smeshannykh mod nagruzheniya [Fracture of 30CRMNSIA Steel under mixed loading modes]. Fizicheskaya mezomekhanika [Phys. Mesomech.]. 2023. Vol. 26. No 2. P. 30–42 (In Russian).

9. Tyutin M.R., Botvina L.R., Shuvalov A.N., Petersen T.B., Levin V.P., Sineev A.A., Solov'ev V.G. Size effect during bending tests of fiber-reinforced concrete specimens. Russian Metallurgy (Metally). 2023. Vol. 2023. No 4. P. 541–552.

10. Babushkin A.V., Babushkina A.V., Ozhgikhin I.P. Utochnenie mekhanicheskikh kharakteristik 3D-armirovannykh ugleplastikov aviatsionnogo naznacheniya pri perekrestnom nablyudenii za protsessom deformirovaniya [Clarification of mechanical characteristics 3d-reinforced carbon fiber plastics for aviation purposes under cross-observation behind the deformation process]. Vestnik Permskogo natsionalnogo issledovatelskogo politekhnicheskogo universiteta. Aerokosmicheskaya tekhnika [Perm National Research Politechnic University. Aerospace Engineering]. 2023. No 75. P. 103–119 (In Russian).

11. Barat V.A., Marchenkov A.Yu., Poroykov A.Yu. et al. Primenenie metoda akusticheskoy emissii i tsifrovoy korrelyatsii izobrazheniy pri vyyavlenii diffuzionnykh prosloek raznorodnykh svarnykh soedineniy [Application of acoustic emission and digital image correlation for detecting diffusion interlayers in dissimilar welded joints]. Defektoskopiya. 2023. No 10. P. 73–75 (In Russian).

12. Chen J., Yu Z., Jin H. Nondestructive testing and evaluation techniques of defects in fiber-reinforced polymer composites: A review. Front Mater. 2022. Vol. 9. P. 1–29. DOI: 10.3389/fmats.2022.986645.

13. Willems F., Benz J., Bonten C. Detecting the critical strain of fiber reinforced plastics by means of acoustic emission analysis. Journal of Acoustic Emission. 2016. Vol. 33. P. 525–534.

14. Lange Yu.V. The mechanical impedance analysis method of nondestructive testing (a review). Nondestructive Testing and Evaluation. 1994. Vol. 11. No 4. P. 177–193. DOI: 10.1080/10589759408952830.

15. Chen Y., Dong L., Adinolfi G.M., Guo J., Zhang Y., Vinciguerra S. Acoustic emission and wave velocity monitoring of rock-backfill composites: damage identification and failure characterization. Measurement. 2025. Vol. 256. Pt. B. Article No 118247. https://doi.org/10.1016/j. measurement.2025.118247.

16. Weimin Song, Wenlong Yan, Hao Wu, Yuxuan Sun, Xiaobao Chen, Zhiqiang Cheng, De Zhang. Acoustic emission characterization of mode I fracture in asphalt mixtures at intermediate temperatures. Theor. Appl. Fract. Mec. Vol. 141. Pt. A. 2026. Article No 105271. https://doi.org/10.1016/j.tafmec.2025.105271.

17. Jingye Hao, Su Ju, Ke Duan, Pengcheng Zou, Congcong Jia, Jinshui Yang, Changping Yin, Dingding Chen. A damage assessment method based on recent-time acoustic emission events for composite interlaminar damage. Result. Eng. 2025. Vol. 27. Article No 106016. https:// doi.org/10.1016/j.rineng.2025.106016.

18. Lobanov D., Yankin A., Mullahmetov M., Chebotareva E., Melnikova V. The analysis of stress raisers affecting the gfrp strength at quasi-static and cyclic loads by the theory of critical distances, digital image correlation, and acoustic emission. Polymers. 2023. Vol. 15. Iss. 9. Article No 2087. DOI: 10.3390/polym15092087.

19. Lobanov D.S., Lykova A.V., Pankov A.M. Effect of external operational damage on the

mechanical behavior of GFRP under quasi-static and fatigue loading. Fracture and Structural Integrity. 2026. Vol. 76. P. 212–222. DOI: 10.3221/IGF-ESIS.76.13.

20. Yoras D., Czlonka-Makowska S., Kairyte A., S?eputyte.-Jucike. J., Drehmmer L., Tonatto M. Elastic property evaluation of fiberglass and epoxy resin composite material using digital image correlation. Materials. 2024. Vol. 17(15). Article No 3726. DOI: 10.3390/ma17153726.

21. Pan T., Zheng Y., Zhou Y., Luo W., Xu X., Hou C., Zhou Y. Damage pattern recognition for corroded beams strengthened by CFRP anchorage system based on acoustic emission techniques. Constr. Build. Mater. 2023. Vol. 406. Article No 33474. DOI: 10.1016/j.conbuildmat. 2023.133474.

22. Rishikesan V., Bhagyesh C., Arunachalam N. Characterisation of drilling-induced damage in GFRP honeycomb sandwich composites using acoustic emission. Procedia Manuf. 2021. Vol. 53. P. 664–672. DOI: 10.1016/j.promfg.2021.06.066.

23. Chebotareva E.A., Lobanov D.S. Otsenka vliyaniya ekspluatatsionnykh defektov i naruzhnykh povrezhdeniy na mekhanicheskoe povedenie polimernogo sloistogo kompozitsionnogo materiala [Assessment of the influence of operational defects and external damage on the mechanical behaviour of polymer laminated composite material]. Problemy prochnosti i plastichnosti [Problems of Strength and Plasticity]. 2025. Vol. 87. No 4. P. 539–551 (In Russian).