Випуски $\rightarrow$ Том 25, випуск 2 (2024)

Експериментальний метод і метод скінченних елементів у визначенні властивостей за вигину волокнистих металевих ламінатних композитів

ГУРБАНОВ Н.А.

Азербайджанський державний нафтопромисловий університет, Азадліг, 20, 1010 Баку, Азербайджан

Отримано 08.04.2024, остаточна версія 03.05.2024 Завантажити PDF logo PDF

Анотація
Дослідження, що складалося з двох етапів, проведено з метою ліпшої інтерпретації процесів пошкодження, що відбуваються у зразках композитів із волокнистих металевих ламінатів (ВМЛ). На першому етапі було створено тривимірну модель композитів ВМЛ на основі геометричних даних за допомогою методу скінченних елементів і використано його для прогнозування властивостей міцності на вигин відповідно до стандарту ASTM D3039M. На другому етапі зразки 7075-T6 Al матриці ВМЛ із додаванням наночастинок 0,0% епоксидної смоли, 0,2% графену, 0,2% SiO2 і 0,2% глини було виготовлено в лабораторних умовах відповідно до чисельної моделі та досліджено їхні властивості міцності на вигин. У результаті експериментів було помічено, що додавання 0,2% наночастинок SiO2 поліпшило властивості міцності на вигин зразків ВМЛ матриці 7075-T6 Al на 50,2% порівняно з такими властивостями композитів, виготовлених з епоксидною смолою. Це значення є найвищим значенням міцності на вигин серед груп зразків з однаковим співвідношенням. У результаті досліджень було виявлено різницю у 5% між результатами випробувань на вигин композитних зразків ВМЛ, виготовлених згідно зі стандартом ASTM D3039M, і результатами моделювання, виконаного в рамках програми ANSYS.

Ключові слова: композит із волокнистих металевих ламінатів, міцність на вигин, наночастинки, метод скінченних елементів.

DOI: https://doi.org/10.15407/ufm.25.02.364

Citation: N.A. Gurbanov, Experimental and Finite Element Methods in Determining the Flexural Properties of Fibre Metal Laminate Composites, Progress in Physics of Metals, 25, No. 2: 364–385 (2024)

Цитована література   
  1. E.C. Botelho, R.A. Silva, L.C. Pardini, and M.C. Rezende, Mater Res., 9, No. 3: 247 (2006). https://doi.org/10.1590/S1516-14392006000300002
  2. L.B. Vogelesang and A. Vlot, J. Mater. Process Technol., 103, No. 1: 1 (2000). https://doi.org/10.1016/S0924-0136(00)00411-8
  3. S.B. Singh, SAE Technical Paper, 26: 38 (2003). https://doi.org/10.4271/2003-26-0038
  4. S. Nimityongskul, M. Jones, H. Choi, R. Lakes, S. Kou, and X. Li, Mater. Sci. Eng., 527: 2104 (2010).
  5. T.P. Sathishkumar, J. Naveen, and S. Satheeshkumar, J. Reinf. Plast. Compos., 33, No. 5: 454 (2014). https://doi.org/10.1177/0731684413516393
  6. R. Alderliesten, Recent Patents Eng., 3, No. 1: 25 (2009). https://doi.org/10.2174/187221209787259893
  7. S. Kumar, R. Singh, and M.S.J. Hasmi, Adv. Mater. Process. Technol., 6, 1: 13 (2009).
  8. J.J.C. Remmer and R. Borst, Compos. Sci. Technol., 61: 2207 (2001). https://doi.org/10.1016/S0266-3538(01)00114-2
  9. M.R. Abdullah and W.J. Cantwell, Compos. Sci. Technol., 66, Nos. 11–12: 1682 (2006). https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2005.11.008
  10. J. Laliberté, P.V. Straznicky, and C. Poon, AIAAJ, 43, No. 11: 2445 (2005). https://doi.org/10.2514/1.15159
  11. T. Sinmazchelik, E. Avcu, M.O. Bora, and O. Choban, Mater. Des., 32, No. 7: 3671 (2011). https://doi.org/10.1016/j.matdes.2011.03.011
  12. G.R.Villanueva and W.J. Cantwell. Compos. Sci. Technol., 64, No. 1: 35 (2004). https://doi.org/10.1016/S0266-3538(03)00197-0
  13. A. Asundi and A.Y.N. Choi, J. Mater. Process. Technol., 63, Nos. 1–3: 384 (1997). https://doi.org/10.1016/S0924-0136(96)02652-0
  14. R. Alderliesten, C. Rans, and R. Benedictus, Compos. Sci. Technol., 68, No. 14: 2983 (2008). https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2008.06.017
  15. R.C. Alderliesten and R. Benedictus, J. Aircraft, 45, No. 4: 1182 (2008). https://doi.org/10.2514/1.33946
  16. A. Vlot, Int. J. Impact Eng., 18, No. 3: 291 (1996). https://doi.org/10.1016/0734-743X(96)89050-6
  17. T. Beumler, F. Pellenkoft, A. Tillich, W. Wohlers, and C. Smart, Airbus Deutschland GmbH, 1: 1 (2006).
  18. M. Chandrasekar, M.R. Ishak, and M. Jawaid, J. Reinf. Plast. Compos., 36: 72 (2017). https://doi.org/10.1177/0731684416668260
  19. L.B. Vogelesang and A. Vlot, J. Mater. Process. Technol., 103, No. 1: 1 (2000). https://doi.org/10.1016/S0924-0136(00)00411-8
  20. J. Fan, Z.W. Guan, and W.J. Cantwell, Compos. Struct., 93, No. 9: 2430 (2011). https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2011.04.008
  21. R. Eslami-Farsani, H. Aghamohammadi, and H. Jalali, J. Industrial Textiles, 51, No. 5: 7374 (2022). https://doi.org/10.1177/1528083720947106
  22. A. Afrouzian, A.H. Movahhedi, and G. Liaghat, J. Reinf. Plast. Compos., 36, No. 12: 900 (2017). https://doi.org/10.1177/0731684417694753
  23. K.T. Lau, C. Gu, and D. Hui, Compos. Part B: Eng., 37, No. 6: 425 (2006). https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2006.02.020
  24. N. Zareei, A. Geranmayeh, and R. Eslami-Farsani, Polym. Test, 75: 205 (2019). https://doi.org/10.1016/j.polymertesting.2019.02.002
  25. F. Bahari, S.R. Eslami, and S.A. Chirani, J. Sandwich Struct. Mater., 22, No. 6: 1931 (2020). https://doi.org/10.1177/1099636218792693
  26. S.N. Abbandanak, M.A. Azghan, and H. Siadati, J. Industrial Textiles, 51, No. 2: 2576 (2022). https://doi.org/10.1177/1528083720932222
  27. M. Megahed, M.A. Abd El-baky, A.M. Alsaeedy, and A.E. Alshorbagy, Compos. Part B: Eng., 176, No. 1: 107277 (2019). https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2019.107277
  28. H. Aghamohammadi, S.N.H. Abbandanak, R. Eslami-Farsani, and S.H. Siadati, Int. J. Adhes. Adhes., 84: 184 (2018). https://doi.org/10.1016/j.ijadhadh.2018.03.005
  29. M.A. Azghan and R.E. Farsani, Mater. Res. Express, 5, No. 2: 025302 (2018). https://doi.org/10.1088/2053-1591/aaa92c
  30. M.S. Maryan, H. Ebrahimnezhad-Khaljiri, and R. Eslami-Farsani, Int. J. Fatigue, 154: 106560 (2022). https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2021.106560
  31. M.E. Mehr, H. Aghamohammadi, S.H. Abbandanak, G.R. Aghamirzadeh, R. Eslami-Farsani, and S. Siadati, Int. J. Adhes. Adhes., 92: 133 (2019). https://doi.org/10.1016/j.ijadhadh.2019.04.015
  32. G.S. Dhaliwal and G.M. Newaz, Compos. Struct., 160: 1212 (2017). https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2016.11.015
  33. E.J. Barbero and M. Shahbazi, Mater. Today: Proc., 176: 768 (2017). https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2017.05.074
  34. L. Li, L. Sun, T. Wang, N. Kang, and W. Cao, Aerosp. Sci. Technol., 84: 995 (2019). https://doi.org/10.1016/j.ast.2018.11.038
  35. C. Chen, H. Fang, L. Zhu, J. Han, X. Li, and Z. Qian, Compos. Struct., 306: 116573 (2023). https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2022.116573
  36. P.Y. Chang, P.C. Yeh, and J.M. Yang, Mater. Sci. Eng. A, 496, Nos. 1–2: 273 (2008). https://doi.org/10.1016/j.msea.2008.07.041
  37. J.H. Jin and R.C. Batra, Mater. Sci. Eng. A, 216, Nos. 1–2: 117 (1996). https://doi.org/10.1016/0921-5093(96)10396-8
  38. T. Tomasetti, AIAA Journal, 53, No. 8: 2228 (2015). https://doi.org/10.2514/1.J053600
  39. M.J. Jweeg, A.S. Hammood, and M. Al-Waily, J. Sci. Technol., 2, No. 8: 697 (2015).
  40. P. Soltani, M, Keikhosravy, R.H. Oskouei, and C. Soutis, Appl. Compos. Mater., 18, No. 4: 271 (2011). https://doi.org/10.1007/s10443-010-9155-x
  41. A. Vlot, R.C. Alderliesten, P.A. Hooijmeijer, J.L.C.G. de Kanter, J. Sinke, and M.S. Ypma, Int. J. Mater. Prod. Technol., 17, Nos. 1–2: 79 (2002). https://doi.org/10.1504/IJMPT.2002.001301
  42. A. Vlot, Composite Eng., 3, No. 10: 911 (1993). https://doi.org/10.1016/0961-9526(93)90001-Z
  43. M. Sadighi, R.C. Alderliesten, and R. Benedictus, Int. J. Impact Eng., 49: 77 (2012). https://doi.org/10.1016/j.ijimpeng.2012.05.006
  44. W.J. Cantwell and J. Morton, Composites, 22, No. 5: 347 (1991). https://doi.org/10.1016/0010-4361(91)90549-V
  45. R. Costa, R. Sales-Contini, F. Silva, N. Sebbe, and A. Jesus, Metals, 13, No. 4: 638 (2023). https://doi.org/10.3390/met13040638
  46. P. Compston, W.J. Cantwell, C. Jones, and N. Jones, J. Mater. Sci., 20, No. 7: 597 (2001). https://doi.org//10.1023/A:1010904930497
  47. J.F. Laliberte, C. Poon, P.V. Strazincky, and A. Fahr, Polym. Composites, 21, No. 4: 558 (2000). https://doi.org/10.1002/pc.10211
  48. B. Wang and T. Siegmund, Int. J. Fract., 132, No. 2: 575 (2005). https://doi.org/10.1007/s10704-005-0627-1
  49. L. Ye, A. Afaghi-Khatibi, G. Lawcock, and Y.W. Mai, Compos. Part A, 29, No. 12: 1525 (1998). https://doi.org/10.1016/j.matdes.2011.03.011
  50. L. Yao, C.Z. Wang, W.T. He, S.J. Lu, and D. Xie, Thin-Walled Struct., 145: 106399 (2019). https://doi.org/10.1016/j.tws.2019.106399
  51. L. Yao, G.Y. Sun, W.T. He, X.J. Meng, and D. Xie, Compos. Struct., 226: 111218 (2019). https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2019.111218
  52. T.P. Vo, Z.W. Guan, W.J. Cantwell, and G.K. Schleyer, Compos. Struct., 94, No. 3: 954 (2012). https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2011.10.027
  53. M.H. Kashani, M. Sadighi, A. Lalehpour, and R.C. Alderliesten, J. Compos. Mater., 49, No. 6: 635 (2015). https://doi.org/10.1177/0021998314521476
  54. A.P. Sharma, S.H. Khan, R. Kitey, and V. Parameswaran, Polym. Test., 65: 311 (2018). https://doi.org/10.1016/j.polymertesting.2017.12.001
  55. T. Parnanen, M. Kanerva, E. Sarlin, and O.J.C.S. Saarela, Compos. Struct., 119: 775 (2015). https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2014.09.056
  56. T. Pärnänen, A. Vänttinen, M. Kanerva, J. Jokinen, and O. Saarela, Appl. Compos. Mater., 23: 1151 (2016). https://doi.org/10.1007/s10443-016-9505-4
  57. X. Li, X. Zhang, Y. Guo, V.P.W. Shim, J. Yang, and G.B. Chai, Int. J. Impact Eng., 114: 32 (2018). https://doi.org/10.1016/j.ijimpeng.2017.12.011
  58. C. Kaboglu, I. Mohagheghian, and J.P. Dear, J. Mater. Sci., 53: 4209 (2018). https://doi.org/10.1007/s10853-017-1871-2
  59. G.S. Dhaliwal and G.M. Newaz, Behav. Mater., 2: 399 (2016). https://doi.org/10.1007/s40870-016-0075-1
  60. H.H. Kim, M.S. Lee, and C.G. Kang, Mater. Manuf. Process., 28, No. 8: 892 (2013).
  61. M.E. Kazemi, L. Shanmugam, L. Yang, and J. Yang, Compos. Part A, 128: 54 (2020).
  62. A. Salve, R. Kulkarni, and A. Mache, Int. J. Eng. Technol. Sci., 6, No. 1: 71 (2016). https://doi.org/10.15282/ijets.6.2016.10.2.1060
  63. H. Ahmadi, G.H. Liaghat, H. Sabouri, and E. Bidkhouri, J. Compos. Mater., 47: 1605 (2013). https://doi.org/10.1177/0021998312449883
  64. V.G. Reyes and W.J. Cantwell, J. Mater. Process. Technol., 186, Nos. 1–3: 284 (2000). https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2006.12.050
  65. N. Gurbanov, Adv. Phys. Res., 5, No. 3 146 (2023).
  66. M. Babanli, Y. Turen, N. Gurbanov, R. Mehtiyev, M.Y. Askin, and M. Ismayilov, J. Appl. Comp. Mech., 9, No. 4: 987 (2023). https://doi.org/10.22055/JACM.2023.42798.3978
  67. M. Smolnicki, Sz. Duda, P. Stabla, and T. Osiecki, Compos. Struct., 313: 116943 (2023).
  68. Y.P. Ravitej, V. Swaroop, S. Ramesh, and H. Adarsha, IOP Conf. Series: Mater. Sci. Eng., 376: 012040 (2018).
  69. G.R. Rajkumar, M. Krishna, H.N. Narasimhamurthy, Y.C. Keshavamurthy, and J.R. Nataraj, Proc. Mater. Sci., 5: 60 (2014).
  70. M.W. Ho, C.K. Lam, and K.T. Lau, Compos. Struct., 75, Nos. 1–4: 415 (2006). https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2006.04.051
  71. M.H. Pol, G.H. Liaghat, and E.M. Yeganeh, Modares Mech. Eng., 14: 76 (2015).
  72. S.P. Repetsky, I.G. Vyshyvana, S.P. Kruchinin, V.B. Molodkin, and V.V. Lizunov, Influence of the adsorbed atoms of potassium on an energy spectrum of graphene, Metallofiz. Noveishie Tekhnol., 39, No. 8: 1017 (2017). https://doi.org/10.15407/mfint.39.08.1017
  73. O.S. Skakunova, S.I. Olikhovskii, T.M. Radchenko, S.V. Lizunova, T.P. Vladimirova, and V.V. Lizunov, X-ray dynamical diffraction by quasi-monolayer graphene, Sci. Rep., 13: 15950 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-43269-6
  74. A.G. Solomenko, R.M. Balabai, T.M. Radchenko, V.A. Tatarenko, Functionalization of quasi-two-dimensional materials: chemical and strain-induced modifications, Prog. Phys. Met., 23, No. 2: 147 (2022). https://doi.org/10.15407/ufm.23.02.147
  75. T.M. Radchenko, I.Yu. Sahalianov, V.A. Tatarenko, Yu.I. Prylutskyy, P. Szroeder, M. Kempiński, and W. Kempiński, Strain- and adsorption-dependent electronic states and transport or localization in graphene, Springer Proceedings in Physics: Nanooptics, Nanophotonics, Nanostructures, and Their Applications (Eds. O. Fesenko and L. Yatsenko) (Cham, Switzerland: Springer: 2018), vol. 210, ch. 3, p. 25. https://doi.org/10.1007/978-3-319-91083-3_3
  76. T.M. Radchenko, V.A. Tatarenko, and G. Cuniberti, Effects of external mechanical or magnetic fields and defects on electronic and transport properties of graphene, Mater. Today: Proc., 35, pt. 4: 523 (2021). https://doi.org/10.1016/j.matpr.2019.10.014
  77. I.Yu. Sagalianov, T.M. Radchenko, V.A. Tatarenko, and G. Cuniberti, Sensitivity to strains and defects for manipulating the conductivity of graphene, EPL, 132: 48002 (2020). https://doi.org/10.1209/0295-5075/132/48002
  78. P. Szroeder, I. Sahalianov, T. Radchenko, V. Tatarenko, and Yu. Prylutskyy, The strain- and impurity-dependent electron states and catalytic activity of graphene in a static magnetic field, Optical Mater., 96: 109284 (2019). https://doi.org/10.1016/j.optmat.2019.109284
  79. P. Szroeder, I.Yu. Sagalianov, T.M. Radchenko, V.A. Tatarenko, Yu.I. Prylutskyy, and W. Strupiński, Effect of uniaxial stress on the electrochemical properties of graphene with point defects, Appl. Surf. Sci., 442: 185 (2018). https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2018.02.150
  80. I.Yu. Sahalianov, T.M. Radchenko, V.A. Tatarenko, and Yu.I. Prylutskyy, Magnetic field-, strain-, and disorder-induced responses in an energy spectrum of graphene, Ann. Phys., 398: 80 (2018). https://doi.org/10.1016/j.aop.2018.09.004
  81. T.M. Radchenko and V.A. Tatarenko, A statistical-thermodynamic analysis of stably ordered substitutional structures in graphene, Physica E, 42, No. 8: 2047 (2010). https://doi.org/10.1016/j.physe.2010.03.024
  82. D.M.A. Mackenzie, M. Galbiati, X.D. de Cerio, I.Y. Sahalianov, T.M. Radchenko, J. Sun, D. Peña, L. Gammelgaard, B.S. Jessen, J.D. Thomsen, P. Bøggild, A. Garcia-Lekue, L. Camilli, and J.M. Caridad, Unraveling the electronic properties of graphene with substitutional oxygen, 2D Materials, 8, No. 4: 045035 (2021). https://doi.org/10.1088/2053-1583/ac28ab
  83. T.M. Radchenko, I.Yu. Sahalianov, V.A. Tatarenko, Yu.I. Prylutskyy, P. Szroeder, M. Kempiński, and W. Kempiński, The impact of uniaxial strain and defect pattern on magnetoelectronic and transport properties of graphene, Handbook of Graphene: Growth, Synthesis, and Functionalization (Eds. E. Celasco and A. Chaika) (Beverly, MA: Scrivener Publishing LLC: 2019), vol. 1, ch. 14, p. 451. https://doi.org/10.1002/9781119468455.ch14
  84. T.M. Radchenko, V.A. Tatarenko, V.V. Lizunov, V.B. Molodkin, I.E. Golentus, I.Yu. Sahalianov, and Yu.I. Prylutskyy, Defect-pattern-induced fingerprints in the electron density of states of strained graphene layers: diffraction and simulation methods, Phys. Status Solidi B, 256, No. 5: 1800406 (2019). https://doi.org/10.1002/pssb.201800406
  85. T.M. Radchenko, V.A. Tatarenko, I.Yu. Sagalianov, and Yu.I. Prylutskyy, Configurations of structural defects in graphene and their effects on its transport properties, Graphene: Mechanical Properties, Potential Applications and Electrochemical Performance (Ed. B.T. Edwards) (New York: Nova Science Publishers: 2014), ch. 7, p. 219.
  86. I.Yu. Sagalyanov, Yu.I. Prylutskyy, T.M. Radchenko, and V.A. Tatarenko, Graphene systems: methods of fabrication and treatment, structure formation, and functional properties, Usp. Fiz. Met., 11, No. 1: 95 (2010). https://doi.org/10.15407/ufm.11.01.095
  87. J.P.S. Ahmed and O. Meenakshisundaram, Eng. Res. Express, 4: 025021 (2022). https://doi.org/10.1088/2631-8695/ac6e30
  88. S. Wang, M. Cao, H. Xue, Sh. Araby, and Q. Meng, Thin-Walled Structures, 174: 109092 (2022). https://doi.org/10.1016/j.tws.2022.109092
  89. Y. Arao, S. Yumitori, and H. Suzuki, Compos. Part A: Appl. Sci. Manuf., 55: 19 (2013). https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2013.08.002
  90. A.R. Sadygova, I.I. Abbasov, E.S. Safiev, P.B. Asilbeyli, and V.A. Alekperov, Nanosistemi, Nanomateriali, Nanotehnologii, 17, No. 1: 155 (2019). https://doi.org/10.15407/nnn.17.01.155
  91. A. Royani, C. Verma, M. Hanafi, V.S. Aigbodion, and A. Manaf, Prog. Phys. Met., 24, No. 1: 197 (2023). https://doi.org/10.15407/ufm.24.01.197
  92. R.C. Ganesh and N. Lalit, Mater. Today: Proc., 27, No. 1: 272 (2020). https://doi.org/10.1016/j.matpr.2019.08.240
  93. H. Xiao, M.T.H. Sultan, and D. Hui, Rev. Adv. Mater. Sci., 62: 20220328 (2023). https://doi.org/10.1515/rams-2022-0328
  94. H.E. Etri, M.E. Korkmaz, M.K. Gupta, M. Gunay, and J. Xu, Int. J. Adv. Manuf. Technol., 123: 2965 (2022). https://doi.org/10.1007/s00170-022-10277-1
  95. P. Zuo, D.V. Srinivasan, and P.V. Anastasios, Compos. Struct., 274: 114358 (2021). https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2021.114358
  96. W. He, L. Wang, H. Liu, C. Wang, and G. Sun, Thin-Walled Struct., 167: 108026 (2021). https://doi.org/10.1016/j.tws.2021.108026

Ліцензія Creative Commons
Цю статтю ліцензовано на умовах Ліцензії Creative Commons із зазначенням авторства — без похідних 4.0 Міжнародна
© Інститут металофізики ім. Г. В. Курдюмова НАН України,