Исследование процессов накопления повреждений и разрушения стеклопластиковых труб при многоосных статических и циклических нагрузках провели ученые Пермского национального исследовательского политехнического университета (ПНИПУ), 17 октября сообщает пресс-служба вуза.

Результаты проведенных экспериментов позволят оценивать снижение механических характеристик стеклопластиков в процессе эксплуатации, прогнозировать срок их службы, а также совершенствовать структуру композита для повышения его прочности.

Стеклопластик представляет собой композитный материал, часто применяемый для изготовления канализационных и водопроводных труб. Поскольку он является хорошим диэлектриком, его использование предотвращает риск замыканий электропроводки. Поэтому его широко применяют на электростанциях и других промышленных производствах.

Однако случайный удар, вибрация или другие механические воздействия даже небольшой интенсивности и продолжительности снижают его прочность, укорачивая время эксплуатации стеклопластиков. Поэтому так важно оценивать влияние различных видов нагрузок на физические характеристики этих материалов.

Поскольку разрушение полимерных композитов происходит на разных уровнях (армирующее волокно, матрица) необходима оценка механизма этого процесса для каждого из них.

Во время эксплуатации труб стеклопластиков они могут испытывать сложные одновременные воздействия, например, растяжения и кручения — как если бы такую трубу тянули верх и одновременно скручивали. В этом случае, кроме хорошо ранее исследованного снижения жесткости и прочности композитов при одноосном циклическом нагружении, необходимо учитывать влияние еще одного одновременного нагружения.

В своем исследовании многоосного нагружения стеклопластиковых труб сотрудники ПНИПУ провели статические и циклические испытания влияния на их прочностные характеристики растяжения, кручения и пропорционального растяжения-кручения и математически описали процесс снижения жесткости стеклопластиковых труб.

Это позволило им проверить точность существующих моделей расчета усталостной чувствительности (свойство материала не разрушаться с течением времени под действием изменяющихся нагрузок) стеклопластиковых труб.

Доведя эксперимент до статического разрушения образцов при испытании на растяжение, ученые провели анализ дефектов, который выявил образование множества трещин вследствие разрушения основы композита (матрицы) внутри намоточной ленты. Кручение приводило к большому количеству повреждений, вызванных нарушением сцепления между матрицей и волокнами.

Процессы накопления повреждений и разрушения образцов ученые исследовали методом акустической эмиссии с применением системы AMSY-6. Акустической эмиссией называется метод неразрушающего контроля, который регистрирует упругие колебания (акустические волны), распространяющиеся материалом при его деформации.

Исследование показало хорошее соответствие между данными, полученными анализом сигналов акустической эмиссии, и оптической микроскопией. При их совместном использовании в поцессе диагностики была установлена связь между возникающими дефектами и сигналами акустического отклика. Также политехники установили поэтапный характер накопления повреждений.

Старший научный сотрудник Центра экспериментальной механики, доцент кафедры экспериментальной механики и конструкционного материаловедения ПНИПУ Олег Староверов рассказал о перспективах использования полученных данных:

«Исследование усталостной чувствительности композитов при многоосном циклическом нагружении — актуальная задача механики деформируемого твердого тела. Получаемые в результате таких экспериментов данные должны учитываться при проектировании композитных конструкций для точного прогнозирования их срока службы».

Результаты проведенного учеными ПНИПУ исследования они представили в журнале Polymers, № 15 (Q1) за 2023 год.